第七章-非接触测温方法和仪表

第七章非接触测温方法和仪表第七章非接触式温度检测仪表敏感元件不需要与被测介质接触，称非接触测温方法。高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量。非接触式温度仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上限，可以测量高温。•优点：–仪表不破坏被测介质的温度场。–敏感元件不必和被测介质达到平衡，仪表滞后小。–理论上仪表测温上限不受限制。敏感元件不必与被测介质达到同样温度值，因此测温部件不被高温破坏。–输出信号大，灵敏度高，准确度高第一节辐射测温基本原理在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线。随着温度的升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱也向短的方向移动，在5000℃左右时。辐射光谱包括了部分可见光；到8000℃时可见光大大增加，即呈现“红热”；如果到30000℃时，辐射光谱包括更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。辐射测温的基本原理：观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度。辐射能的分配•当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射RDAQQQQQQQQQQRDA1α―吸收率；τ―透射率；ρ―反射率。物体分类：黑体（绝对黑体）：照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射。透明体：照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。镜体、白体：照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为“镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体”或者简称为“白体”。第一节辐射测温基本原理一、热辐射测温的基本定律1、普朗克定律（单色辐射强度定律）辐射出射度M：离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，单位为瓦/米2(W/m2)。全幅射体的光谱辐射出射度M0λ（单位：w/m3）与波长λ和温度T关系为波长；c1=3.7413*10-16(w.m2)第一辐射常数为普朗克第c2=1.4388*10-2(m.K)，第二辐射常数2、使用条件：温度低于3000K，波长较短的可见光范围内，用维恩公式代替普朗克定律，误差不超过1%151012)e(cMTcTcecM2510维恩公式3、斯忒藩－波尔兹曼定律（全辐射强度定律，也称为四次方定律）1）M0与M0λ的关系M0是波长从0∞之间全部光谱辐射出射度的总和2）M0的公式（斯忒潘—玻耳兹曼定律:)物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比σ斯忒藩－波尔兹曼常数,5.67032*10-8W/(m2.K4)dMM00041051012Td)e(cMTc上式就是辐射式温度计测温的理论根据。全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果。由于实际物体不是全辐射体，所以需修正：1）光谱辐射出射度Mλ（普朗克定律）：2）维恩公式3）斯忒潘—玻耳兹曼定律发射率ε：实际物体辐射出射度和同一温度下全辐射体的辐射出射度之比，注意：光谱发射率ελ和发射率ε，其值在0-1之间,都不是常数,用实验的方法测定。ε与温度、该物体的特性和表面情况有关，ελ则按基尔霍夫定律还与有关。15112)e(cMTc4TMTcecM251二、辐射测温的常用方法•1、亮度测温定义：测出物体在某一波段上的辐射亮度，确定被测物体的温度。使用滤光片优点：结构简单、使用方便、灵敏度高、抗干扰。缺点：有一定偏差•2、全辐射测温定义：测出物体在整个波长范围内的辐射能量，确定被测物体的辐射温度。斯忒潘—玻耳兹曼定律（四次方定律）优点：灵敏度低缺点：容易受环境干扰，偏差较大。•3、比色测温定义：测出物体在两个特定相近波长范围上的辐射能量之比，确定被测物体的比色温度。优点：灵敏度较高，偏差小，中高温测量，抗干扰能力强。缺点：结构复杂，价格昂贵。第二节单色辐射高温计•光学高温计•光电高温计–1）应用普朗克定律制作的单色辐射高温计–2）应用辐射定律制作的辐射高温计–3）当温度变化时，光谱辐射出射度的增长要比辐射出射度的增长要快得多。单色辐射高温计的灵敏度高精密光学高温计用于科学实验中的精密测试；标准光学高温计用于量值的传递，例如，在物质熔点、热容量和相变点的测定中使用。光学高温计可用来测量800～32000C的高温。由于采用用肉眼进行色度比较，所以测量误差与人的经验有关。光学高温计测量的温度称为亮度温度(Ts)，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。一、光学高温计由普朗克定律知道，物体的光谱辐射出射率M与温度有关，而物体在高温下会发光，称亮度，因亮度L与光谱辐射出射率M成正比，故通过测物体亮度L可求物体的温度。L=cM=cελM0c-比例常数。2由亮度标注温度时需解决的问题：亮度温度1）问题提出：同样亮度L，由于物体ελ不同，所以物体对应的温度是不同。因此某一亮度下仪表应对应标注何种温度？2）解决办法：仪表标注的是黑体对应的温度Ts，即亮度温度，实际物体的真实温度要进行修正。1基本工作原理：亮度温度定义：当被测物体为非黑体，在同一波长下的光谱辐射亮度同绝对黑体的光谱辐射亮度相等时，则黑体的温度称为被测物体在波长为时的亮度温度。)(00LTTTTLL左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度为了校正光学高温计测量非黑体的温度比真实温度偏低的偏差。3)亮度温度Ts：当物体在辐射波长为，温度为时T，其光谱辐射亮度L和黑体在辐射波长为，温度为Ts时的光谱辐射亮度L0相等，则把Ts称为这个物体在波长下的亮度温度。4)由亮度温度Ts如何求物体的真实温度T已知物体的辐射发射率ελ和亮度温度Ts，代入：22lncTTcTSS注：0ελ1,测得的亮度温度总是低于真实温度，ελ越小，亮度温度与真实温度的差别越大。工业用光学高温计分类隐丝式利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。恒定亮度式利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。由于隐丝式光学高温计的结构和使用方法都优于恒定亮度式，所以应用广泛。WGG2-201型光学高温计1－物镜；2－灰色吸收玻璃；3－灯泡；4－目镜；5－红色滤波片；6－指示仪器；7－滑线电阻；E－电源；K－开关；R1－刻线调整电阻光学系统和电测系统隐丝式光学高温计由光学系统和电测系统两部分组成•光学系统：目镜、物镜、灯泡、红色滤波片和灰色吸收玻璃红色滤波片，造成一个较窄的有效波长吸收玻璃，目的是扩展量程（1400℃）目镜和物镜是一套光学系统•电测系统包括指示仪表、灯泡、电源和调节电阻四部分。光学高温灯泡：标准辐射源电源、调节电阻和指示仪表组成测量电路原理一般有电压表式，电流表式以及不平衡电桥和平衡电桥式四种。1）测量时，如灯丝亮度比辐射热源（被测物体）亮度低，则灯丝就在这个背景下呈现出暗的弧线2）如如灯丝亮度比辐射热源（被测物体）亮度高，则灯丝就在较暗的背景下呈现出亮的弧线3）如两者亮度一样，则灯丝就隐灭在发光背景里4）由毫安计的读数就是被测物体的亮度温度这种光学高温计叫“隐丝式光学高温计”。2工作原理(1)问题：由于亮度超过14000C时，钨丝易发生升华，（电阻值改变，且在灯泡玻璃上形成薄膜，改变了灯丝的温度－亮度特性），造成测量误差。(2)灰色吸收玻璃的作用：加入吸收玻璃，在14000C以上时，可减弱热源进入仪表的亮度后，再和灯丝比较，加大光学高温计的测量范围。3一些元器件的作用1)灰色吸收玻璃2)红色滤光片的作用：造成窄的光谱段，使其在波长范围0.6-0.7μm内进行亮度比较。好处:在于当被测温度变化时，对于一般的工业用光学高温计，可认为波长λ变化被忽略，一般λ＝0.66μm4光学高温计的测温下限由于人眼是感受件，只能看到可见光，这限制了被测物体的温度不能低于700℃（1）减少ελ的影响：光谱发射率ελ不是常数，给测量带来误差。尽量创造全辐射体的辐射条件。–例如测量炉膛温度，可插入一根细长而有底的陶瓷管l/d10，在充分受热后，从管口看进去管子的底部就可近似认为是全辐射体。5、使用光学高温计时的注意事项（2）由于中间介质的影响：光学高温计不要距离被测物体太远，一般应在1—2m之内比较合适。光学高温计和被测物体之间的灰尘、烟雾、二氧化碳等对辐射都有吸收作用，造成误差。（3）光学高温计不宜测反射光很强的物体，容易造成大误差（4）光学高温计的测量准确度比热电偶、热电阻低，并不能测物体内部温度。二、光电高温计1光学高温计的问题：测量时要手动平衡亮度；人判定平衡点，平衡点还可能因人而易；故它不是连续性测量仪表，应用受限制。2其工作原理：光电器件代替人眼，作为仪表的感受件感受辐射源的亮度变化，并转换成与亮度成比例的电信号。此信号经电子放大器放大后被测量，其大小对应被测物体的温度。光电高温计时自动连续测温仪表。WDL-31型光电高温计的工作原理1－物镜；2－同步信号发生器；3－调制镜；4－微电机；5－反光镜；6－聚光镜；7－参比灯；8－探测元件3缺点：光学元件互换性很差，更换元件时，整个仪表要进行重新调整和分度。4优点（l）无700℃的下限。因光电器件可感受可见光，红外光波长（2）分辨率高，光学高温计最高为0.5℃，而光电高温计可达0.01～0.05℃；（3）精确度高，由于采用性能良好的单色器（4）可连续自动测量，响应快。第三节辐射温度计•根据全辐射强度定理，即物体的总辐射强度与物体温度的四次方成正比的关系来进行测量的。•组成：辐射感温器和显示仪表两部分•可用于测量400～20000C的高温，多为现场安装式结构。•为适应现场高温环境的要求，可在辐射感温器外加装水冷夹套。辐射高温计测量的温度称为辐射温度，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。根据全辐射定律制成的温度计，即全部波长的辐射能M0,温度T。被测物体的辐射能经物镜聚焦在铂箔上，使铂箔温度升高，由热电堆测其温度输出热电势信号。热电堆由几支同样的热电偶同向串联，其目的是增加输出的热电势，提高灵敏度。一、基本工作原理二、辐射温度计的结构和原理热电堆结构和补偿光阑(a):1－云母基片；2－受热靶面；3－热电耦丝；4－引出线(b):1-补偿片；2-双金属片WFT-202型辐射感温器结构1－物镜；2－外壳；3－补偿光阑；4－座架；5－热电堆；6－接线柱；7－穿线套；8－盖；9－目镜；10－校正片；11－小齿轴1）问题：由于物体的的不同，同一辐射出射度M，在不同物体对应不同温度，所以显示仪表上标注的是辐射温度（绝对黑体对应的温度）2）辐射温度：被测物体真实温度为T，其对应的辐射出射度M，绝对黑体在温度Tp时的辐射出射度M0，M=M0,温度Tp称为“辐射温度”3)辐射温度低于被测物体的实际温度。为被测物体发射率44pTT14pTT三辐射温度四、辐射温度计使用时的注意事项：（1）ε影响。尽量创造全辐射体的辐射条件（2）中间介质的影响，测量距离不可太远（3）热电偶冷端温度影响。（4）按规定D/L（被测物体的直径，被测物体与温度计之间的距离）的范围，否则会引起较大的误差。–L太大，被测物体在热电堆上成像太小，不能全部覆盖住热电堆十字平面，使热电堆接受的辐射能减小，指示偏低。–L太小，物像照到光阑边缘和接近热电堆的其它零件上，使冷端温度升高，造成热电势下降，指示偏低，且中间介质影响大，也造成指示偏低。第四节比色高温计•原理：通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度。•特点：