過程參數(shù)檢測(cè)及儀表課件第4章非接觸測(cè)溫

1、第四章 非接觸測(cè)溫方法和儀表,感受件不需要與被測(cè)介質(zhì)接觸，稱非接觸測(cè)溫方法 基本原理：黑體的輻射出射度與溫度有單值函數(shù)關(guān)系，通過測(cè)全輻射體的輻射出射度對(duì)應(yīng)出溫度（輻射高溫計(jì)）。 優(yōu)點(diǎn)： 儀表不破壞被測(cè)介質(zhì)的溫度場(chǎng) 感溫件不必和被測(cè)介質(zhì)達(dá)到平衡，儀表滯后小。 理論上儀表測(cè)溫上限不受限制。感受元件不必與被測(cè)介質(zhì)達(dá)到同樣溫度值，因此測(cè)溫部件不被高溫破壞。 輸出信號(hào)大，靈敏度高，準(zhǔn)確度高,第四章 非接觸測(cè)溫方法和儀表,主要內(nèi)容 第一節(jié) 輻射測(cè)溫的基本原理 第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì) 第三節(jié) 輻射溫度計(jì) 第四節(jié) 比色高溫計(jì) 第五節(jié) 紅外溫度計(jì),第一節(jié) 輻射測(cè)溫基本原理,一、黑體的光譜輻射出射度M0和輻射出射

2、度M0 1光譜輻射出射度M0 1） 全幅射體的輻射出射度M0（單位：w/m3）與波長(zhǎng)和溫度T有關(guān)（普朗克定律） 為波長(zhǎng)；c1 ，c2為普朗克第一，第二輻射常數(shù)3.7413*10-16(w.m2) 1.4388*10-2(m.K) 2） 使用條件：溫度低于3000K，波長(zhǎng)較短的可見光范圍內(nèi)，用維恩公式代替普朗克定律，誤差不超過1%,維恩公式,第一節(jié) 輻射測(cè)溫基本原理,規(guī)律：a )T上升， M0增大 。 b) T高， M0的峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變短。 M0的峰值處的輻射波長(zhǎng)m 與T的關(guān)系遵循維恩偏移定律： mT=2897 m.k,3）光譜輻射出射度M0圖,一、黑體的光譜輻射出射度M0和輻射出射度M0 1

3、光譜輻射出射度M0,第一節(jié) 輻射測(cè)溫基本原理,2 黑體輻射出射度M0 1） M0與M0的關(guān)系 M0是波長(zhǎng) 從0 之間全部光譜輻射出射度的總和 2 ）M0的公式（斯忒潘玻耳茲曼定律:) 物體的總的輻射出射度與溫度的四次方成正比 斯忒藩波爾茲曼常數(shù),5.67032*10-8 W/(m2.K4),一、黑體的光譜輻射出射度M0和輻射出射度M0,第一節(jié) 輻射測(cè)溫基本原理,二、灰體的光譜輻射出射度M和輻射出射度M 1 ）灰體的定義：如果物體的輻射光譜是連續(xù)的，且在所有波長(zhǎng)下 常數(shù)，則該物體稱為灰體。 2）灰體的發(fā)射率 ： 灰體的輻射出射度和同一溫度下全輻射體的輻射出射度之比， 3）灰體的M （普朗克定律）

4、 M（斯忒潘玻耳茲曼定律）,是小于1的常數(shù)。,第一節(jié) 輻射測(cè)溫基本原理,由于實(shí)際存在的物體，其特性并不完全像灰體，所以需修正： 1）光譜輻射出射度M（普朗克定律）： 2）輻射出射度M（斯忒潘玻耳茲曼定律） 注意：光譜發(fā)射率和發(fā)射率，其值在0-1之間,都不是常數(shù), 用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定。 與溫度、該物體的特性和表面情況有關(guān)， 則按基爾霍夫定律還與有關(guān)。,三、實(shí)際物體的光譜輻射出射度M和輻射出射度M,第一節(jié) 輻射測(cè)溫基本原理,四、單色輻射高溫計(jì)和輻射溫度計(jì) 1）應(yīng)用普朗克定律制作的單色輻射高溫計(jì) 2）應(yīng)用輻射定律制作的輻射高溫計(jì) 3）當(dāng)溫度變化時(shí)，光譜輻射出射度的增長(zhǎng)要比輻射出射度的增長(zhǎng)要快得多。單色

5、輻射高溫計(jì)的靈敏度高,第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì),光學(xué)高溫計(jì) 光電高溫計(jì),一、光學(xué)高溫計(jì),由普朗克定律知道，物體的光譜輻射出射率M與溫度有關(guān)，而物體在高溫下會(huì)發(fā)光，稱亮度，因亮度L與光譜輻射出射率M成正比，故通過測(cè)物體亮度L可求物體的溫度。 L=cM=c M0 c-比例常數(shù)。 2 由亮度標(biāo)注溫度時(shí)需解決的問題：亮度溫度 1）問題提出：同樣亮度L，由于物體不同，所以物體對(duì)應(yīng)的溫度是不同。因此某一亮度下儀表應(yīng)對(duì)應(yīng)標(biāo)注何種溫度？ 2）解決辦法：儀表標(biāo)注的是黑體對(duì)應(yīng)的溫度Ts ，即亮度溫度，實(shí)際物體的真實(shí)溫度要進(jìn)行修正。,第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì),1 基本工作原理：,3)亮度溫度Ts ：當(dāng)物體在輻射波長(zhǎng)為

6、，溫度為時(shí)T，其光譜輻射亮度L和黑體在輻射波長(zhǎng)為 ，溫度為Ts時(shí)的光譜輻射亮度L0相等，則把Ts稱為這個(gè)物體在波長(zhǎng)下的亮度溫度。 4)由亮度溫度Ts如何求物體的真實(shí)溫度T 已知物體的輻射發(fā)射率，將維恩公式代入：,一、光學(xué)高溫計(jì),第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì),2 由亮度標(biāo)注溫度時(shí)需解決的問題：亮度溫度,兩者的亮度相等，故：,注：0 1,測(cè)得的亮度溫度總是低于真實(shí)溫度， 越小，亮度溫度與真實(shí)溫度的差別越大。,第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì),二、光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理,1 結(jié)構(gòu),1）測(cè)量時(shí)，如燈絲亮度比輻射熱源（被測(cè)物體）亮度低，則燈絲就在這個(gè)背景下呈現(xiàn)出暗的弧線 2）如如燈絲亮度比輻射熱源（被測(cè)物體）亮度高

7、，則燈絲就在較暗的背景下呈現(xiàn)出亮的弧線 3）如兩者亮度一樣，則燈絲就隱滅在發(fā)光背景里 4）由毫安計(jì)的讀數(shù)就是被測(cè)物體的亮度溫度 這種光學(xué)高溫計(jì)叫“隱絲式光學(xué)高溫計(jì)”。,2 工作原理,第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì),二、光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理,(1)問題：由于亮度超過14000C時(shí)，鎢絲易發(fā)生升華，（電阻值改變，且在燈泡玻璃上形成薄膜，改變了燈絲的溫度亮度特性），造成測(cè)量誤差。 (2)灰色吸收玻璃的作用：加入吸收玻璃，在14000C以上時(shí)，可減弱熱源進(jìn)入儀表的亮度后，再和燈絲比較，加大光學(xué)高溫計(jì)的測(cè)量范圍。,二、光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理,第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì),3 一些元器件的作用,1) 灰色吸收

8、玻璃,通過吸收玻璃后的光譜輻射亮度,觀測(cè)者看到的光譜輻射亮度,由于,故,知道、T，可求T1,2)紅色濾光片的作用： 造成窄的光譜段，使其在波長(zhǎng)范圍0.6-0.7m內(nèi)進(jìn)行亮度比較。好處:在于當(dāng)被測(cè)溫度變化時(shí)，對(duì)于一般的工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)，可認(rèn)為波長(zhǎng)變化被忽略，一般 0.66 m 4 光學(xué)高溫計(jì)的測(cè)溫下限 由于人眼是感受件，只能看到可見光，這限制了被測(cè)物體的溫度不能低于700,二、光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理,第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì),3 一些元器件的作用,（1） 減少的影響： 光譜發(fā)射率不是常數(shù)，給測(cè)量帶來誤差。盡量創(chuàng)造全輻射體的輻射條件。 例如測(cè)量爐膛溫度，可插入一根細(xì)長(zhǎng)而有底的陶瓷管l/d10，在

9、充分受熱后，從管口看進(jìn)去管子的底部就可近似認(rèn)為是全輻射體。,三、使用光學(xué)高溫計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng),第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì),（2）由于中間介質(zhì)的影響：光學(xué)高溫計(jì)不要距離被測(cè)物體太遠(yuǎn)，一般應(yīng)在12m之內(nèi)比較合適。 光學(xué)高溫計(jì)和被測(cè)物體之間的灰塵、煙霧、二氧化碳等對(duì)輻射都有吸收作用，造成誤差。 （3）光學(xué)高溫計(jì)不宜測(cè)反射光很強(qiáng)的物體，容易造成大 誤差 （4） 光學(xué)高溫計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度比熱電偶、熱電阻低，并不能測(cè)物體內(nèi)部溫度。,三、使用光學(xué)高溫計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng),第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì),四、光電高溫計(jì),1 光學(xué)高溫計(jì)的問題：測(cè)量時(shí)要手動(dòng)平衡亮度；人判定平衡點(diǎn)，平衡點(diǎn)還可能因人而易；故它不是連續(xù)性測(cè)量?jī)x表，應(yīng)用受限

10、制。 2 其工作原理：光電器件代替人眼，作為儀表的感受件感受輻射源的亮度變化，并轉(zhuǎn)換成與亮度成比例的電信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)電子放大器放大后被測(cè)量，其大小對(duì)應(yīng)被測(cè)物體的溫度。光電高溫計(jì)時(shí)自動(dòng)連續(xù)測(cè)溫儀表。,第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì),四、光電高溫計(jì),WDH-II光電高溫計(jì)的調(diào)制原理,第二節(jié) 單色輻射高溫計(jì),3 缺點(diǎn)：光學(xué)元件互換性很差，更換元件時(shí)，整個(gè)儀表要進(jìn)行重新調(diào)整和分度。 4 優(yōu)點(diǎn) （l）無 700的下限。因光電器件可感受可見光，紅外光波長(zhǎng) （2）分辨率高，光學(xué)高溫計(jì)最高為0.5，而光電高溫計(jì)可達(dá)0.010.05； （3）精確度高，由于采用性能良好的單色器 （4）可連續(xù)自動(dòng)測(cè)量，響應(yīng)快。,第二節(jié) 單

11、色輻射高溫計(jì),四、光電高溫計(jì),第三節(jié) 輻射溫度計(jì),根據(jù)全輻射定律制成的溫度計(jì)，即全部波長(zhǎng)的輻射能M0, 溫度T 。,被測(cè)物體的輻射能經(jīng)物鏡聚焦在鉑箔上，使鉑箔溫度升高，由熱電堆測(cè)其溫度輸出熱電勢(shì)信號(hào)。熱電堆由幾支同樣的熱電偶同向串聯(lián)，其目的是增加輸出的熱電勢(shì)，提高靈敏度。,一、基本工作原理,二、輻射溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理,熱電堆的作用？,第三節(jié) 輻射溫度計(jì),1）問題：由于物體的的不同，同一輻射出射度M，在不同物體對(duì)應(yīng)不同溫度，所以顯示儀表上標(biāo)注的是儀表是輻射溫度（絕對(duì)黑體對(duì)應(yīng)的溫度） 2）輻射溫度：被測(cè)物體真實(shí)溫度為T，其對(duì)應(yīng)的輻射出射度M，絕對(duì)黑體在溫度Tp 時(shí)的輻射出射度M 0，M=M0, 溫

12、度Tp稱為“輻射溫度” 3)輻射溫度低于被測(cè)物體的實(shí)際溫度。 為被測(cè)物體發(fā)射率,三 輻射溫度,第三節(jié) 輻射溫度計(jì),四 輻射溫度計(jì)使用時(shí)的注意事項(xiàng)： （1） 影響。盡量創(chuàng)造全輻射體的輻射條件 （2）中間介質(zhì)的影響，測(cè)量距離不可太遠(yuǎn) （3）熱電偶冷端溫度影響。 （4）按規(guī)定D/L（被測(cè)物體的直徑，被測(cè)物體與溫度計(jì)之間的距離）的范圍，否則會(huì)引起較大的誤差。 L太大，被測(cè)物體在熱電堆上成像太小，不能全部覆蓋住熱電堆十字平面，使熱電堆接受的輻射能減小，指示偏低。 L太小，物像照到光闌邊緣和接近熱電堆的其它零件上，使冷端溫度升高，造成熱電勢(shì)下降，指示偏低，且中間介質(zhì)影響大，也造成指示偏低。,第四節(jié) 比色高

13、溫計(jì),一、比色高溫計(jì)的原理 二、雙色比色高溫計(jì)實(shí)例 三、三色比色高溫計(jì),第四節(jié) 比色高溫計(jì),一 原理：根據(jù)維恩偏移定律工作的溫度計(jì)。通過測(cè)物體兩個(gè)不同波長(zhǎng)下的光譜輻射出射度的比值推得溫度。 1 推導(dǎo)過程（黑體） 通過測(cè)波長(zhǎng)1，2下的光譜輻射亮度 兩式相除后取對(duì)數(shù)，整理后：,比色溫度,第四節(jié) 比色高溫計(jì),2 實(shí)際物體的溫度 （1）比色溫度： 實(shí)際物體（溫度T）在兩個(gè)波長(zhǎng) 1，和2的相應(yīng)亮度比值等于絕對(duì)黑體（Ts）在兩個(gè)波長(zhǎng) 1，和2的亮度比，絕對(duì)黑體的溫度Ts就稱為實(shí)際物體的比色溫度。 （2）實(shí)際物體的溫度公式： 根據(jù)定義，用維恩公式，可導(dǎo)出： 1 2為實(shí)際物體的在波長(zhǎng) 1，和2時(shí)的光譜發(fā)射率,第四節(jié) 比色高溫計(jì),二 比色高溫計(jì)的特點(diǎn)： 1）對(duì)于絕對(duì)黑體T=Ts，因?yàn)?1= 2=1 ；灰體同樣T=Ts，由于 1= 2 1 ； 一般物體TTs由于 1 2 對(duì)于金屬物體，一般是短波1的 1，大于長(zhǎng)波2的 2 ， 1 2則 0， TTs比色溫度高于物體實(shí)際溫度。 對(duì)于其它物體，視 1 和 2 的大小而定。,2 ）比色高溫計(jì)和單色輻射高溫計(jì)、輻射溫度計(jì)相比較，測(cè)量準(zhǔn)確度更高。 因?yàn)閷?shí)際物體一般 1和 2的比值變化相對(duì)要比 和 的單位變化小得多， 3）比色高溫計(jì)可在周圍環(huán)境較惡劣下測(cè)溫 中