光学高温计

1第七章非接触测温方法和仪表非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都特有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。而在温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。2第七章非接触测温方法和仪表辐射换热是三种基本的热交换形式之一波长范围10-3m～10-8m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5000C左右时,辐射光谱包括了部分可见光；到8000C时可见光大大增加，即呈现红热.如果到30000C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时，辐射光谱3第七章非接触测温方法和仪表辐射能Q以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，单位为焦耳(J)辐射能通量是辐射能随时间的变化率，又称辐射率：其单位是瓦特(W)辐射强度I在给定方向上的立体角单元内，离开点辐射源或辐射源面单元的辐射功率除以该立体角单元，称为该方向上的辐射强度，其单位为瓦/球面度(W/Sr)4第七章非接触测温方法和仪表黑体（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.5第七章非接触测温方法和仪表从传热学角度看，可以人为制造黑体6第七章非接触测温方法和仪表热辐射理论是辐射式测温仪表的理论依据。在温度测量中，主要涉及的波长范围是可见光与0.76～20μm的红外光区。辐射出射度是指物体单位表面积在单位时间内所发射的全部波长范围的辐射能量的总和，并以符号M表示。如物体单位表面积单位时间内在波长λ处的dλ波段内所辐射的能量为dM，则把称为物体在波长λ处的光谱辐射出射度（又称单色辐射出射度）。显然辐射出射度M与光谱辐射出射度Mλ之间存在如下关系：∫∞0dMM7第七章非接触测温方法和仪表物体的亮度与物体辐射出射度的大小是成正比关系的。8第七章非接触测温方法和仪表也可用亮度表示：式中，为波长；c1为普朗克第一辐射常数,c2为普朗克第二辐射常数，h为普朗克常数；c为光速；k为玻耳兹曼常数普朗克定律:9第七章非接触测温方法和仪表'(,)()()dTTd式中，为照射到物体单位面积上的辐通量(包括有不同波长的辐射)；为被物体吸收的辐通量。'(,)dT()d光谱吸收比()()()():MTfTTMT物体的光谱辐射出射度（光出射度）基尔霍夫定律10第七章非接触测温方法和仪表在热平衡时被分析物体向四周的辐射功率等于它吸收的功率，11第七章非接触测温方法和仪表同样温度下，普通物体与绝对黑体向外界辐射能量的能力是不一样的。为什么？12第七章非接触测温方法和仪表0()()()MTTMT()()TT假设物体温度不变，物体此时与外界热交换途径只有辐射方式，则物体吸收的辐射能将全部以辐射的方式传向外界。同样的能量辐射给绝对黑体和普通物体，绝对黑体吸收的多，辐射也就多。光谱发射率等于它的光谱吸收率。13第七章非接触测温方法和仪表斯忒潘—玻耳兹曼定律:斯式潘根据实验得出结论，物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比。0()MT04424()()TMTTMTTTTWmKT-3对于非黑体的一般物体：式中：为温度为时全波长范围的材料发射率，也称为黑度系数；为斯忒潘－玻耳兹曼常数；＝5.669610为物体的热力学温度14第七章非接触测温方法和仪表热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度T成以下关系2897()mTmkm维恩位移定律*15第七章非接触测温方法和仪表光学高温计测温原理：如果已知某物体亮度与其所处温度的对应关系，如果其他物体的亮度与之相等，他们的温度相等。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800-3200摄氏度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。16第七章非接触测温方法和仪表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。17第七章非接触测温方法和仪表隐丝式光学高温计隐丝式光学高温计光学系统红色滤波片，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。18第七章非接触测温方法和仪表19第七章非接触测温方法和仪表1－物镜；2－吸收玻璃；3－灯泡；4－红色滤波片；5－目镜；6－指示仪器；7－滑线电阻；E－电源；K－开关；R1－刻线调整电阻20第七章非接触测温方法和仪表亮度温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。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21第七章非接触测温方法和仪表根据维恩公式有LTCTCTee22对上式两边取对数，并加以整理，得TLCTT1ln112式中，―被测物体在温度为，波长为时的单色黑度系数；T―被测物体的真实温度；TL―被测物体的亮度温度。已知物体的单色黑度系数，就可以通过亮度温度求出物体的真实温度。22第七章非接触测温方法和仪表光电高温计光学高温计：是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能进行连续测量和记录，当被测温度低于800摄氏度时，光学高温计对亮度无法进行平衡。光电高温计是在光学高温计测量理论的基础上发展起来的一种新型测温仪表。它采用新型的光电器件，自动进行平衡，达到连续测量的目的。23第七章非接触测温方法和仪表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24第七章非接触测温方法和仪表特点：①采用光敏电阻或者光电池作为感受辐射源的敏感元件来代替人眼的观察；②采用一参考辐射源与被测物体进行亮度比较，由光敏元件和电子放大器组成鉴别和调整环节，使参考辐射源在选定的波长范围内的亮度自动跟踪被测物体的辐射亮度，当达到平衡时即可得到测量值；③在平衡式测量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特性如有变化，对测量结果影响较小，参考辐射源选用钨丝灯泡，能保持较高的稳定性，因此具有较高的精度和连续测量的特性；④设计了手动值修正环节，可显示物体的真实温度；⑤采用新型光敏元件，测量范围宽25第七章非接触测温方法和仪表（一）全辐射温度计全辐射温度计是利用物体的温度与总辐射出射度全光谱范围的积分辐射能量的关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：26第七章非接触测温方法和仪表只要采用敏感元件测量出这辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度。应该注意的是仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。我们一般把这个温度称为“辐射温度”。式中，T和TF分别为物体的真实温度和辐射温度；T为温度T时物体全辐射的黑度系数27第七章非接触测温方法和仪表28第七章非接触测温方法和仪表辐射温度对于辐射式温度计，它是以绝对黑体的辐射能为基准对仪器进行分度的，所以仪器测出的值称为辐射温度。辐射温度的定义：黑体的总辐射能等于非黑体的总辐射能时，此黑体的温度即为非黑体的辐射温度。根据全辐射强度定理，总辐射能相等，则有：44FTTT41TFTT用辐射温度计测出的温度要比物体的真实温度低。29第七章非接触测温方法和仪表颜色温度计就是通过两个光谱能量比的方法来测量温度的，所以也称为比色温度计。用这种方法测量非黑体温度时得到的“颜色温度”和真实温度有差异。我们将颜色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长和的亮度比等于非黑体的相应亮度变化时，绝对黑体的温度就称为这个非黑体的颜色温度。1230第七章非接触测温方法和仪表颜色温度计和光电亮度温度计相似，也包含有光路系统、调制系统、单色器、光敏元件、放大器、显示仪表等。它一般用一个开孔的旋转调制盘进行调制。在开孔上附有两种颜色的滤光片，多选用红色和蓝色。经调制后的单色红光、蓝光交替照在光敏元件上，使光敏元件输出相应的红光和蓝光的信号、再放大并经过运算后送到显示仪表。如图所示。31第七章非接触测温方法和仪表32第七章非接触测温方法和仪表比色温度它根据被测物体在两个不同波长下的光谱辐射出射度的相互比值与被测温度的关系，通过测二者的比值进而测知被测温度。根据光谱辐射的维思公式，同一物体在波长分别为λ1和λ2下的光谱辐射出射度的比值为TcTcececMM2212521151121233第七章非接触测温方法和仪表式中Mλ1、Mλ2——分别为在波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度；ελ1、ελ2——物体在波长λ1和λ2时的光谱发射率；T——物体的温度。经整理，可得比色温度的概念：温度为T的物体在波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度的比值，与温度为Tc的全辐射体在同样的波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度的比值如果相等，则把全辐射体的温度称为该物体的比色温度。根据该定义，经过推导可得出物体温度T与它的比色温度Tc的关系为121221122ln5ln)11(MMcT1212211)11(lncTcT34第七章非接触测温方法和仪表35第七章非接触测温方法和仪表辐射高温计的检定：检定目的：为了确定高温计亮度指示与温度的对应关系是否满足误差需求：根据测温过程，我们需要什么工具：定点法？示值法？哪些参数影响测量结果：选定波长、物体的发射率、物体的亮度稳定性需要：辐射源，固定温度点，黑体空腔，标准光学高温计灯。36第七章非接触测温方法和仪表辐射高温计的检定：标准温度灯：提供高稳定度的辐射源，复现800－2500℃范围内的亮度温度。由于其结构简单，稳定度高，是目前应用最广泛的标准辐射源。分为真空灯和充气灯。37第七章非接触测温方法和仪表标准温度灯：结构：钨带、支架、指针、引线、泡壳和灯座。钨带：发热部分，其结构主要考虑了适合瞄准、温度分布均匀性、灯泡电流上限要求。支架：支撑。泡壳：选用透明度很高的钼组玻璃或派勒克玻璃。指针：由于钨带上温度分布的不均匀性，为了精确测温，需要指示一个工作区域。灯座：螺纹座，焊接座水冷座。最好选用水冷座。保持温度恒定。38第七章非接触测温方法和仪表标准温度灯：影响其亮度与电流的对应关系因素有哪些？1、稳定性：对应关系保持不变的能力。（钨带的电阻稳定性，钨带表面的发射率，泡壳的透过率等。）2、环境温度：钨带与外界存在传导热交换会降低其温度，导致产生温度梯度。引起工作区域发生变化。在电流恒定情况下，工作区域会随着环境温度变化而变化。温度越高，辐射换热能力较强，传导换热能力下降，环境温度影响减小。灯温