（机械电子工程专业论文）光纤高温测量研究.pdf

摘要 在炼钢、炼铁过程中，钢水、铁液温度是其中最重要的参数之一，目 前，世界上广泛采用消耗型热电偶来测量该温度，可是，采用消耗型热电 偶存在如下问题：( 1 ) 测温探头为一次性，测温费用较高；( 2 ) 每次测量 后必须更换探头，难以自动化；( 3 ) 不能连续或高频率测温。 现在，- 丌发的消耗型光纤辐射温度计是一种全新的测量熔融金属温度 的方法。它的测温精度与消耗型热电偶相同，完全可以取代消耗型热电偶。 本文中详细地叙述了辐射测温原理，包括其中的基础理论以及黑体辐 射定律。这里面维恩公式是最重要的理论公式。 本文详细地叙述了消耗型光纤辐射温度计的理论及应用。这里结合了 比色测温法。比色测温法能大大降低发射率对测温结果的影响，在最佳条 件下，该影响可降至零。文中还分类详细介绍了光电比色温度计。 消耗型光纤辐射温度计的设计方案共分为三大部分：光纤测温系统、 比色系统、单片机( 数据处理) 。具体步骤是先用消耗型光纤从钢水内部 提出光信号，经过一比色系统转化为一系列数据，然后进行数据处理，最 后得出钢水内部真实温度。 设计方案中的前两大部分分别是消耗型光纤和比色测温法的应用。第 三大部分的数据处理是先用最小二乘法，然后进行傅立叶变换，可建立波 长与功率谱( 或能量谱) 的关系，求出测温公式中最难测定的东西：b ( 两 选定波长处的光谱辐射亮度一即能量之比) 。最后求出钢水的温度。 鉴于目前普遍用热电偶测量钢水温度，在技术上比较成熟。有很大的 参考作用，故本文举了一种用消耗型热电偶测温的例子，其测温结果与消 耗型光纤辐射温度计的对比放在了总结一章中。 总之，消耗型光纤辐射温度计可以克服许多测温方法上的缺点，其测 温精度与消耗型热电偶相同，测温费用又可大幅度降低，具有良好的性能 价格比。它今后不仅在钢铁工业中，而且可向铸造及汽车领域扩展。 关键词：消耗型光纤辐射温度计；最小二乘法；光电比色法；傅立叶变换 a b s t r a c t d u r i n gs m e l t i n gs t e e l a n di r o n ，t h et e m p e r a t u r ef o rm o l t e ns t e e la n d l i q u i di r o ni so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r a tp r e s e n t ，i t st e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ti se x t e n s i v e l ya d o p t e dc o n s u m p t i v et h e r m o c o u p l ei nt h ew o r l d ， b u ta d o p t i n gc o n s u m p t i v et h e r m o c o u p l eh a st h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ：( 1 ) t h e s t r e t c hf o rm e a s u r i n gt e m p e r a t u r ef o r w a r df o rat i m e ，s ot h ee x p e n s e si sh i g h e r ( 2 ) a f t e re v e r yt i m em e a s u r e m e n t ，t h es t r e t c hm u s t b er e p l a c e d ，s oi ti sd i f f i c u l t t or e a l i z ea u t o m a t i o n ( 3 ) i tc a l ln o tc o n t i n u a l l yo ri nh i g hf r e q u e n c ym e a s u r e t h et e m p e r a t u r e n o w , t h ec o n s u m p t i v eo p t i c a lf i b e rr a d i a t i o nt h e r m o m e t e rd e v e l o p i n gi s an e wm e t h o do ft h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tf o rm e l t e dm e t a l i t sa c c u r a c y o ft h e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ti si d e n t i c a l w i t ht h a to f c o n s u m p t i v e t h e r m o c o u p l e i tc r nt o t a l l yt a k e t h ep l a c eo f c o n s u m p t i v et h e r m o c o u p l e i nt h i st e x tt h ep r i n c i p l eo fr a d i a t i o nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti sr e l a t e d i nd e t a i l t h e r ei si n c l u d e ds o n i cb a s i ct h e o r i e sa n dt h el a wo nt h eb l a c ko b j e c t r a d i a t i o n t h i st e x tr e l a t e st h ec o l o r i m e t r yi n d e t a i la n ds p e c i a l l ym e n t i o n e di t s a d v a n t a g e t h ec o l o r i m e t r yc a l l 1 a r g e l y l o w e rt h eb l a s t - o f fr a t ew h i c h i n f l u e n c et h er e s u l to f t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t u n d e rt h eb e s tt e r m ，t h e i n f l u e n e ec a nd e c l i n et ot h ez e r o t h i st e x ti sd e t a i l e dt oi n t r o d u c es o m ep h o t o - e l e c t r i c i t y c o l o r i m e t r y t h e r m o m e t e r a f t e rt h e s ei n t r o d u c t i o ni so v e ra b o v et h ea r t i c l ej u s te n t e r m y s e l f d e s i g n e ds c h e m e ：u s e ac o n s u m p t i v e o p t i c a lf i b e rt ot a k et h el i g h ts i g n a lf r o m t h em o l t e ns t e e l ，a n dc o n v e r tt oas e r i e so fd a t ab yat h e r m o m e t e r s y s t e m ，t h e n u s et h es o f t w a r em e t h o d ，a n df i n a l l yw o r ko u tt h et r u et e m p e r a t u r eo ft h e m o l t e ns t e e l h e r et h es o f t w a r em e t h o du s e f i r s t l y t h el e a s t s q u a r e sm e t h o d ，t h e n p r o c e e d f o u r i e rt r a n s f o r mw h i c hc o n v e r th o u rf i e l dt o f r e q u e n c yf i e l d ， e s t a b l i s ht h er e l a t i o no f w a v e l e n g t ha n dp o w e rs p e c m l m ( o re n e r g ys p e c t r u m ) a c c o r d i n gt o t h er e l a t i o ne s t a b l i s h e d ，i tc a nw o r ko u tt h em o s td i f f i c u l t n l e a s u r e n l e n tt h i n gi nm e a s u r i n gt e m p e r a t u r ef o r m u l a ：b ( t h er a t i ob e t w e e n t h el i g h ts p e c t r u mr a d i a t i o nb r i g h tb o t hs e l e c t e d w a v e l e n g t h ，n a m e l yt h e r a t i ob e t w e e ne n e r g y ) f i n a l l yt h et e m p e r a t u r eo ft h em o l t e ns t e e li sb e g g e d o u t n o wt h a ti ti sw i d e s p r e a dt om e a s u r et h et e m p e r a t u r eo f t h em o l t e ns t e e l w i t hc o n s u m p t i v et h e r r n o c o u p l e t h i si st h ec o m p a r a t i v em a t u r i t y o nt h e t e c h n i q u e u s i n gt h e r m o c o u p l e t om e a s u r et h e t e m p e r a t u r eh a sv e r yh i g h r e f e r e n c ev a l u e 。s ot h i st e x t e x p l a i n s a n e x a m p l e i nc o n t r a s tw i t ht h e c o n s u m p t i v eo p t i c a lf i b e rr a d i a t i o nt h e r m o m e t e r c o n s u m p t i v eo p t i c a l f i b e rr a d i a t i o nt h e r m o m e t e rc a r lo v e r c o m et h e d e f e c t si nm a n ym e t h o do ft h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i t sa c c u r a c yo ft h e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i si d e n t i c a lw i t ht h a to f c o n s u m p t i v et h e r m o c o u p l e i tc a nr e d u c el o t so fc o s t so ft h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i th a sv e r yg o o d r a t i oo fp e r f o r m a n c et o p r i c e i tw i l ls p r e a dn o to n l yi nt h es t e e la n di r o n i n d u s t l yb u ta l s oi nn l ef i e l do f f o u n d r y a n da u t o m o b i l e k e yw o r d s ：c o n s u m p t i v eo p t i c a lf i b e rr a d i a t i o nt h e r m o m e t e r ； l e a s t s q u a r e sm e t h o d ；p h o t o - e l e c t r i c i t yc o l o r i m e t r y f o u r i e rt r a r t s f o n n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 本研究是湖北三环集团的项目：光纤高温辐射温度计的一部分内容。 1 1炼钢、炼铁过程中温度测量的重要性 从精炼到浇铸、从产品质量管理、节能降耗等观点出发，炼钢过程 中有关钢水温度的测量与管理，是极其重要的。在钢的冶炼过程中，钢水 的温度直接影响生产的进行，钢水温度过高，将造成脱氧剂的浇损大，脱 氧能力减小，对炉衬浸蚀严重，而氧化镁大量进入炉渣还使炉渣变稠。温 度过高炉渣变化快，炭粉、硅铁粉加入量增多，钢水容易增碳、增硅，使 钢的化学成份波动，操作因难。温度高，炉渣变稀、变黄，不但丧失了脱 氧能力，反而更易吸氧，使钢产生气泡、白点等缺陷，并且浇注温度过高， 使钢晶粒粗大；并容易产生裂纹、缩管。皮下气泡等缺陷；对浇注系统耐 火材料浸蚀也j j n , n ；使钢锭内部杂物增多。温度过高，还会造成大量能源 浪费；成本增高。而温度过低，又将造成钢水和炉渣的流动性变坏不利于 脱氧和脱硫，钢液内非金属夹杂物不易上滔，低温浇注还会使钢锭出现短 尺、重皮。因此严格控制钢水还原期温度，成为保证钢的质量，尤其是成 份质量和浇注质量的关键。 即使在炼铁过程中，铁液温度也是对高炉进行热管理的最重要参数 之一。 - 1 2 有关的国内外研究现状的分析 为了实现更快速地测量钢水、铁液温度，研究人员利用远红外光学 技术以及黑体、灰体的有关性能，研制出了多种光学测温仪。依据测量探 关是否与钢水、铁液接触，测温仪表可分为接触式和非接触式两种。光学 式测温仪一般为非接触式。接触式测温是感温元件直接与被测钢水铁液接 触，感受熔融金属的温度。如热电偶测温仪，优点是检测温度可靠，但由 于是消耗性的，所以长期的监测费用高。非接触式测温利用被测物体的热 辐射、电涡流气体的热对流或热传导等，优点是响应快、寿命高、非消耗 性的，易实现连续测量，但受被测物体的发射率和测量环境等因素的影响 大，抗干扰性差。 远红外线非接触测温仪能够连续监测浇注温度，它可以自动定位在 某处无须工人手执，具有温度显示、曲线输出和越限报警等功能。而手执 式红外测温仪需工人手执，劳动强度大，不能长时间靠近热源；受干扰大， 当物体目标温度的变化速度快时，由于操作的特点人和人为的因素易引起 误差，而且邻近点的热反射也对测量精度有干扰。 目前设计的一种新的远红外仪采用双色光测量温度原理，克服了上面 仪表的缺点。它有两个传感器，测量两个不同波长的辐射密度，而不象普 红外测温仪只接受一个波长的辐射密度。这两个信号的比例代表温度的比 例，由于中间介质如烟气、灰尘等引起的测量波动可以排除，可以过滤掉 固有噪声的干扰，信号经后期处理，转换为温度值。现有两种类型：一种 是采有现场微处理器与仪表安装在一起，另一种是采用远端信号传输，利 用p c 机处理信号。对于电炉、感应炉等铸造熔炼炉，通过连续监测浇注 温度可以克服一些由于浇注温度不合适导致的缺陷，工人操作简单，劳动 强度很小。而普通的手持式远红处仪必须克服以下因难；目标太小无法进 入视区，灰尘烟气及熔渣干扰测量精度，目镜和物镜常被污染，被测物体 热辐射系数波动大。这种仪表和前面介绍的远红外测温仪测量时探头都不 与熔融金属接触，它们与插入式仪表相比的缺点是：由于测量依赖被测物 2 体的发射率及温度梯度值，而对于流动的金属液这些值常发生变动，所以 导致其测量误差大。因此，有的智能红外测温仪采用先以热电偶插入测温 来校难依表，然后再进行测量，这样可以减少测量误差。这类仪表还有一 个缺点是：在环境反射热大于被测物体反射热的情况下，就会产生很大误 差，此时就无法进行测量，选择不同的测量区时会出现不同的测量结果。 一般双色光测温仪固定于液流上方的l 3 m 处，该仪表受干扰的因素主要 是铸型的气孔的燃烧现象，会干扰精度，使显示值偏高。 随着光纤技术的出现，为实现接触式光学测温提供了条件。光纤测 温即采用一根长的石英光纤作为测温探头与传输系统，使仪器仪表远离环 境恶劣的现场，同时光纤光路又不受环境气氛的影响，大大提高测温系统 的环境适应能力。但由于探头采用一般的辐射接收原理，仍难以解决发射 率困扰问题。为克服一难题。近年来提出了灰体测温原理，采用比色法测 温，能大大降低发射率对测温结果的影响，在最佳条件下，该影响可降至 零。这样测温的好处是测温响应速度快，响应速度为1 0 s 左右。光纤测量 系统响应速度快，精度高，寿命价格比高。光纤为石英所制，耐高温，直 径又小可以弯曲，可制成以光纤为传输介质的测温探头。 为实现接触测温，在光纤测温探头的最前端设置一段耐高温导管，这 样既保护了物镜等监测系统，又能够保证探头可以插入到金属液中，消除 了烟气和熔渣的干扰。一般耐高温导管可用的耐火料有：刚玉、石墨、金 属陶瓷、碳化硅、三氧化二铝等。仪表响应速度在1 5 s 以内，明显快于热 电偶。将光纤测温技术和灰体测温原理两者结合到一起应用于钢水、铁液 连续测温，精度高，响应速度快，为实现钢水、铁液连续测温提供了一种 新的、有效实用的方法。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 消耗型光纤辐射温度计的开发价值 有关铁液、钢水温度的测量，世界上广泛采用消耗型热电偶，可是， 采用消耗型热电偶测温存在如下问题： ( 1 ) 测温探头为一次性，测温费用较高： ( 2 ) 每次测量后必须更换探头，难以自动化； ( 3 ) 不能连续或高频率测温。 针对上述情况，各国专家、学者及工程技术人员都在努力开发熔融 金属温度测量的新方法。例如，曾用b n 、z r b 2 及金属陶瓷作为热电偶保 护管插入熔融金属或用辐射温度计连续测量。可是，接触法测量虽然准确， 但寿命短、成本高难以实用化；而辐射温度计只能测量熔融金属的表面温 度，却不能测得内部真实温度，另外，还必须已知被测对象的发射率，并 受环境、气氛等影响，也未能实用。 现在，开发的消耗型光纤辐射温度计可以克服上述缺点，是种全 新的测量熔融金属温度的方法。它的测温精度与消耗型热电偶相同，测温 费用又可大幅度降低，有着巨大的经济效益，完全可以取代消耗型热电偶。 由上所述，测量钢水、铁液温度的仪表，依据测量探头是否与熔融 金属接触可分为接触式和非接触式两类。 接触式测温仪的实际例子有：消耗型热电偶；消耗型光纤辐射温度 计； 非接触式测温仪的实际例子有：辐射温度计；远红外仪； 本课题研究的是属于接触式测温仪中的消耗型光纤辐射温度计。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章辐射测温原理研究 物体在各种温度下都或多或少发射红外区、可见光区、紫外区的电 磁波，这就是热辐射。物体在向周围放出辐射能时，同时也吸收周围物体 所放出的辐射能。 2 1 理论基础 热辐射电磁波具有以光速传播、反射、折射、散射、干涉和吸收等 特性。它是由波长相差很远的红外线、可见光及紫外线所组成的，它们的 波长范围从1 0 。m 到1 0 一m 。可见光只是其中很小一部分，约为 o 3 8 0 7 8 ，册，比o 3 8 a n 更短的称为紫外线，比o 7 8 ，删更长的称为红外 线。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5 0 0 1 2 左右时， 辐射光谱包括部分可见光；到8 0 0 时可见光大大增加，即呈现“红热”； 如果到3 0 0 0 时，辐射光谱则包含更多的短波成分。使得物体呈现“白 热”。有经验的人员从观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温 度，这就是辐射测温的基本原理。但这种判断是相当粗糙的，精确地判定 物体的热辐射及其温度之间的定量关系是辐射测温的重要研究内容。 2 1 1 热辐射的重要参数 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。单位是焦耳 j 。 辐射能通量中 c d 是辐射能随时间的变化率，又称辐射率，为 中；搴( 2 - 1 ) 讲 壅圣堡三垄鲎堡主兰堡垒墨 其单位是瓦特( w ) 。 辐射强度i 在给定方向的立体角单元内，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，其单位是瓦球面 度( w s r ) 。 辐射出射度m 离丌辐射源表面一点处的面单元上的辐射能通量除以该单元面积， 称为该点的辐射出射度，即 m ：丝( 2 2 ) 删 辐射出射度的单位是瓦米2 ( w m t ) 。 辐射亮度和光辐射亮度t 表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直于 给定方向平面上的正投影面积，称为该方向的辐射亮度三。辐射亮度实际 上是包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱中某一波长的辐射能量则 称为在此波长下的光谱辐射亮度丘。 2 1 2 辐射能的分配 当物体接受到辐射能以后，根据物体本 身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反 射的现象，如图2 1 所示。 。 珍黝 壅圣堡兰查兰堡主兰堡堕查一 _ _ _ 一 设落在物体上的总辐射能量为q ，被吸收的部分为吼，透射的部分 为q 。，反射的部分为q r ，则有 q = q + q d + q n 或 ，= 鲁+ 告+ 窘剐竹+ p 剐 qqq 式中a 吸收率，表示吸收的能量所占的比率； f 透射率，表示透射的能量所占的比率： p 反射率，表示反射的能量所占的比率粼 当告= a = l b 寸，则f = 。，p - - oo 这说明照射到物体上的辐射能全 部被吸收，既无反射也无透射，具有这种性质的物体称为“绝对黑体”或 简称为“黑体”。 当害= f = 1 时，说明照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸 收又无反射。具有这种性质的物体称为透明体。 当害- - p - - 1 时，说明照射到物体上的辐射能全部被反射出去。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，则该物体称之为“绝对白体”或简称为“白体”。 在自然界中实际上黑体、白体和透明体都是不存在的。物体的口、r 和p 值主要取决于物体本身的性质，物体表面的状况、波长和物体的温度 等条件。 查圣堡兰查兰翌主鲎堡笙墨 一般固体和液体的r 值很小或等于零，而气体的f 值较大。对于一般 工程材料来讲，r = 0 而口+ p = 1 ，称为灰体。 在自然界中黑体是不存在的，从传热学的角度看，可以人为制造黑 体，如图2 - 2 、2 - 3 所示。图2 - 2 是一个黑体的近似模型，在空腔的壁上开 有一个小孔，它的尺寸比空腔的尺寸小很多，当入射能量进入空腔后，经 过多次折射和吸收，最后只有很小一部分出射，这样就可认为入射的能量 全部被吸收了，即口= l 。图2 - 3 是工业黑体模型，它为一细长管，管长， 与管直径d 之比为孚 而1 ，也可认为它的口= k ( 臻) 图2 - 2 图2 - 3 2 。1 3 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律是物体热辐射的基本定律，它建立了理想黑体和实际 物体辐射之间的关系。基尔霍夫定律表明，各物体的辐射出射度和吸收率 的比值都相同，它和物体的性质无关，是物体的温度丁和发射波长 的函 数。即： 查圣堡三垄兰塑主兰堡丝圭一 嬲=嬲=描删s(xt t t xt ) ( 2 - a ) 口o ，)口l 姐，) 口2 ，j 式中m 。以，r ) ，m 以，r ) ，m ：以，r ) ，- - 物体a o ，a - ，a 2 ， 的单色q ) 辐射出射度： 口。0 ，t ) ，a f i 以，t ) ，t ；f 2 以，r ) ，- - 物* a 。，a ，a z ，的单色以) 吸收率。 若物体凡是绝对黑体，那么0 ，r ) = 1 ，根据基氏定律有： 掣楔：掣绍：峨以，r ) ( 2 - 5 ) 一= = h j 以，t )a ：q ，t ) ” 从上式可知，物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同样 的温度下，相同波长时的辐射出射度。这是基氏定律的另一种说法。 设m ( a ，r ) 为物体a 在波长为a ，温度为丁下的辐射出射度a 根据上 式则有 黜剐k ) ( 2 - 6 ) 式中，s 0 ，r ) 称为物体a 的单色以) 发射率或称为单色0 ) 黑度系数。 它表明了在一定的温度，和波长旯下，物体a 的辐射出射度与相同温度和 波长下黑体的辐射出射度之比。一般占q ，r ) 1 。占0 ，r ) 越接近1 ，表明 它与黑体的辐射能力越接近。 基尔霍夫定律说明，物体的辐射能力与它的吸收能力是相同的，即 口以，t ) = 占以，t ) 。所以辐射能力越强的物体，它的吸收能力也越强。 在全波长内，任何物体的全辐射出射度等于单波长的辐射出射度在 全波长内的积分： 肘仃) = r m 以，r 协= f 0 口以，r ) m 。以，r ) 以 一叁圣墨墨叁主堡主堂垡笙查一 = 4 p ) f 肼。q ，r ) 抛= 4 p ) m 。仃) ( 2 - 7 ) 这墨戆盖留) 农m 。冬) 分翳怒绥矮盖夜滚瘦f 下熬金啜救率，鞋及罴 休在温度t 下的全辐射出射度。 因此基民定咎豹积分澎式为： 器刊陆刺 ( 2 8 ) 式中的s p ) 称为物体蠢的龛发射率，戏称为全藕射黑度系数它表 明了在一定的温度丁下，物体4 的辐射出射度与相同濑度下黑体的辐射出 蔚发之沈。般裙体莳艿p ) 1 ，f 留) 越接近1 ，表翳它与黑体的辐射艇 力越接近。 2 2 黑体辐辩定律 能够全部暇收入射能量豹物体稼为黑髂。黑体燕釉理想化豹辐射 体，在自然猝中并不存在。 2 0 1 酱朗兔定律( 单镪辐射强度定律) 普朗克定律指出；溢度为r 弱单位西移 元的绝对熊体，搬半球面方 向所辐射的波长为五的辐射出射度惦积，r ) 为： 坻。一。z 瘢c 2 e 砷皤 一t 。q e 嘉) 一t 】- l g 嘞 式中e 真空中戆必速绉，9 9 7 9 2 4 5 8 x 1 0 3 m s ) 。 7 1 绝对温度； a 罄甥夷霉数，为6 。6 2 6 1 7 6 x o 州j s ； t 玻耳兹曼常数，为1 3 8 0 6 6 2 4 4 1 0 。3 j k ： c ；一第一辐射常数，为2 n h c 2 = 3 。7 4 1 8 x 1 0 啪w 。盯： 武汉理工大学硕士学位论文 c ，一第二辐射常数，为_ h c = 1 4 3 8 8 1 0 m k ： 尤 光谱辐射亮度的普朗克公式，只需把肘。以，r ) 改为l 0 0 ，t ) 即可。 黑体的辐射特性曲线如图2 - 4 所示。 重 “ e 掣 至 “【u m 图2 4 黑体辐射特性曲线( 也就是黑体光谱辐射亮度与波长、温度的关系) 如图2 - 4 所示。 黑体辐射光谱分布特性曲线是利用普朗克公式计算出来的。从图中 曲线可以看出黑体辐射的几个特性： 总的辐射出射度是随温度的升高而迅速增加的，温度越高则光谱 辐射出射度越大。 当温度一定时，光谱辐射出射度随波长的不同按一定的规律变化， 曲线有一个极大值，其波长定义为九，当波长小于丸时，辐射出射度随 波长增加而增加，当波长大于 。时，变化规律相反。 当温度增加时，光谱辐射出射度的峰值波长会向短波方向移动。 武汉理工大学硕士学位论文 物体的辐剁亮度增加，发光颜色也改变。 普朗克公式虽然结构较复杂，但它对于低温与高温段都是适用的。 2 2 2 维恩位移定律 随着温度升高， 曲线的峰值波长 。向短波方向移动。黑体光谱辐射 亮度为最大时，波长旯。与此时物体温度丁的积为一定值。这可由普朗克 公式导出，即维恩位移定律： 旯。t = 2 8 9 7 8 x 1 0 m k( 2 1 0 ) 这表明辐射黑体的温度与其辐射光谱的峰值波长 ，之间存在着简单 的反比关系。在图2 - 4 上，式( 2 1 0 ) 表示为一条倾斜的直线。从此式中 可看出，只要测知某辐射黑体的峰值波长旯。，即可算得温度r 。但是， 要确定其峰值波长，需要在九附近的多个波长处比较其亮度，才能确定 亮度的最大值所在。这不仅使测试工作量增加，而且也延长了测试周期， j 5 1 时又费力。 这里我们利用黑体辐射的普朗克公式，通过在两个波长处测量其亮 度比，从而求出该黑体的温度，这种测温法称为比色法。如果对亮度的测 试采用光电转换技术，则称为光电比色法。对瞬态高温的测试多采用此法。 2 2 3 维恩公式 维恩公式从理论上说明了黑体在各种温度下能量波长分布的规律。 式( 2 - 9 ) 中，当i t t r o t 时( 此时也可看作a t “1 ) ，式( 2 9 ) 可近似 为： m o ) = c i a - s e x p ( 一嘉) 陋 还可以得到光谱辐射亮度的维恩表达式为： 壅圣堡三垄芏璺主芏垡堕墨 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 柏，r ) = c i e x p ( 一嘉 陋切 维恩公式比普朗克公式简单，但仅适用于不超过3 0 0 0 k 的温度范围， 所利用的辐射波长在0 4 0 7 5 p m 之间。当温度超过3 0 0 0 k 时，实验结果 与理论计算就产生偏差，而且温度越高，偏差越大。 从式( 2 1 1 ) 可以看出，黑体的辐射本领是波长和温度的函数，当波 长a 一定时，黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，即 m 。0 ，r ) = s ( r ) 上式就是光学高温计和比色高温计测温的理论根据。 2 2 4 斯蒂芬一玻尔兹曼定律( 全辐射强度定律，也称为四次方定律) 图2 - 4 中每一温度下曲线与横坐标轴所围成的面积表示该温度下 黑体的全辐射亮度。斯蒂芬一玻尔兹曼定律指出：温度为r 的绝对黑体， 单位面积元在半球方向所发射的全部波长的辐射出射度与温度丁的四次 方成正比。 肿) = f 础，丁蚴= 胁5 唧( 嘉 一卜= 器儿刃4 ( 2 - 1 3 ) 式中的常数盯= 5 6 6 9 6 x 1 0 3 w ( m 2 k 4 ) ，称为斯蒂芬一玻尔兹曼常 数。 上式是辐射温度计测温的理论根据。全辐射强度定理是单色辐射强 度定理在全波长内积分的结果。式( 2 1 3 ) 与式( 2 9 ) 从波长o 到的积 分值成比例。从波长为0 到辐射出射度为最大时的波长对式( 2 9 ) 积分， 积分值与波长从o e - o o 的积分值比约为1 ：3 。因此以3 0 0 k 作为地球温度 来计算，9 7 p m 以上红外线范围中的能量约占先7 5 ，此关系可作为选择 武汉理工大学硕士学位论文 波k 鲍依搬，以保证辐射能得到有效的利用。 绝对黑体的热辐射能磊与温度之间的关系表示为： 磊= 耐 ( 2 1 4 ) 泼式中瓦为黑体的表蕊温度，也就是实际物体的辐射温度。 但通常物体都不魑理想的黑体，而是灰体。此时热辐射能e 与物体 温液r 之间的关系可由下式表示： e = e d t 4 f 2 1 5 ) 式中f 被测物体的黑度系数，或称为全发射率。 对于灰体，s 1 ，因而健测出的温度( 辐射温度) 低于实际温度， 仪褒擐承绲低，绘测鏊造成误差。物体在瀵度r 瞧爨辐射的总能量斑与 黑体在温度瓦时所辐射的总能最相等，即 耐= e o - f 4 剐f 。逸 “占 2 16 ) 这羹的r 怒实际物体的真实温庹。 魏栗已知挟溅黠象瓣全发射率，裂霹摄豢上式逶避测蠢实簌凌体戆 辐射温度计算出它的真实温度来，可根据黑度值来修正仪表指示温度。 垒圣堡兰垄堂堡主堂堡垒查 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - 材料温度( ) s 仃) 材料温度( )s 仃) 术) j i l ：k 的铸铁9 2 5 1 1 1 50 8 0 9 5镍铬台金 1 2 5 1 0 3 406 4 o 7 5 抛光的铁4 2 5 1 0 2 001 4 0 3 8 铂丝2 2 5 1 3 7 50 0 7 3 01 3 2 铁1 0 0 0 1 4 0 00 8 0 1 3 铬1 0 0 1 0 0 00 0 8 02 6 抛光的钢铸件3 7 0 1 0 4 00 5 2 o 5 6钼 6 0 01 0 0 00 0 8 0 1 3 磨光的钢板9 4 0 1 1 0 00 5 5 o 6 1钼1 5 0 0 2 2 0 0 0 1 9 0 2 6 氧化的钢 2 0 6 0 00 8镁0 8 6 氧化铁5 0 0 1 2 0 00 8 5 o 9 5钽1 3 0 0 2 5 0 00 1 9 0 3 0 黄铜2 0 0o 0 3钨6 0 0 1 0 0 0 0 1 o 1 6 熔化的铜l 1 0 0 1 3 0 00 1 5 0 1 3钨1 5 0 0 3 0 0 00 2 4 0 3 4 钒化制2 0 0 6 0 00 5 9 0 6 l生铁1 3 0 00 2 9 钒化铜 8 0 0 l 1 0 00 6 6 0 5 4锚2 0 0 6 0 00 1 1 0 1 9 铡渣6 0 0 1 2 0 00 7 6 o 7 0 抛光的铝 5 0 5 0 00 0 4 0 0 6 俐渣1 4 0 0 1 8 0 00 6 9 0 6 7 氧化铝5 0 5 0 00 2 0 3 镍1 0 0 0 1 4 0 00 0 5 6 0 0 6 9 煤1 1 0 0 1 5 0 00 5 2 镍2 0 0 4 0 0 0 0 7 o 0 9硅砖1 0 0 0 1 1 0 00 8 0 o 8 5 氧化镍6 0 0 1 3 0 00 5 4 o 8 7 耐火粘土砖l 0 0 0 l l o o0 7 5 氰化镍2 0 0 6 0 0 0 3 8 0 5 4玻璃2 5 0 1 0 0 00 8 7 0 7 2 金1 3 0 0 0 1 8 玻璃1 1 0 0 1 5 0 7 0 o 6 7 俐1 0 0 0 0 0 3 5 普朗克公式和维恩公式在目前国内很不统一，其中的专用名词叫法 更为混乱。而日本在这方面则比较统一，也比较规范。如普朗克公式的左 边，有的写为l ，有的写为m ，有的写为e ，在叫法上更是各有一套， 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 有的嘲傲黑体光谱辐射亮度，有的n q 做辐射出射发，有的皤傲分光辐射辉 发，有的# q 皴赣割强瘦，枣的叫皴光谱辐射通量嬷度，有的目q 傲辐射必发， 等等。 例如普朗克公式在很多书上也如下所述： 地啦：c i h 跏 - i地啦2 卜叹制。j 式中，c ，、c ：分别为普朗克第一、第二辐射常数，由下式表示 c ；一# 2 矗一5 9 5 5 2 x 1 0 扩m 2 c ，= 堕：0 0 1 4 3 8 8 聊k 实际物体的吸收率总是小于l 。并非黑体。1 司一波长、同一温腹下， 稚黑体翁辐鸯雩蕊是弱予黑体。同一波长、闲一滠发下，静熹体帮黑体貔竞 谶辐射嶷度之比，稼为 # 黑体的光谱发射率舌轨t ) 。 如咖嬲 融1 7 ) ：罄黑体的全发魅率占) 定义为楣嬲温度下非黑体与黑体的全辐刳爽度之 比。 啦) ；巢 、7 厶妒) ( 2 - 1 8 ) 显见，熙体的f ，r ) 。f 仃) ；1 。非黑体的光谱发射率匈全发射率总 愁小于l 一般来说，非黑体的占o ，r ) 与波长有关。占瓴r ) 不随波长改变 媳菲黑体称为灰传，其辐射缝耋分东夔线与弱滠发下黑传辐射能量分毒麴 线相似。工程上一些实际物体在某个波长区段上有与此相近的辐射特性， i i j 以当作灰体照理，便得问题简化。 1 6 对于非黑体来说，式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 3 ) n t 重写如下 三= 占m c 。2 - s e x p ( 一岳 上仃) = d r ) a t 4 这两式分别是亮度测温法和全辐射测温法的基本公式。所测得的分 别是实际物体的亮度温度和辐射温度l 。 当实际物体在同一波长下的光谱发射亮度，同黑体的光谱发射亮度 相等时，将此黑体的温度定义为实际物体的亮度温度。 当实际物体的全辐射亮度与黑体的全辐射亮度相等时，将此黑体的 温度定义为实际物体的辐射温度。 对于任何实际物体来说，占以，r ) 或占p ) 总是介于0 到1 之间，因此， e 或瓦总是低于实际物体的真实温度r 。只有确切知道了占以，r ) 与占p ) 的值，才能由t 、l 求出t 来。 2 3 用辐射温度计测量温度 用辐射温度计测量温度时，基本上是测出光谱辐射亮度的大小再换 算成温度。此时选择什么样的波长成为关键。光探测器对不同的波长有不 同的灵敏度，因此探测器的选择也很重要。 测量高温物体的温度时，因光谱辐射亮度大，用短波长探测器就够 了，故常用硅光电二极管( s i l i c o n p h o t o d i o d e ) 。硅光探测( s i l i c o n c e l l ) 输出电流和光强度之间的线性非常好，而且长期稳定性好。其特性几乎不 受周围温度改变的影响。随着所测温度的降低，需使用敏感长波长的探测 器，如g e ，i n a s ，p b s t i n s b ，h g c d t e 等半导体检测器、热电元件、热 武汉理工大学硕士学位论文 敏电阻和辐射热测量计等热电型探涮器。其有代袭性的探测器对波长的依 羧关系如图2 ，5 所示。半导体搽测器鲍灵敏度对波长的依赣关系强，褥热 电型探测器对波长的依赖性较弱。 静 嚣 黧 篁 。j 睦溉电= 擞枣 1 孙s 兜 4 挣器件”x 阜姆体- 1 h 1 l 燮嚣，j - 。爱墨： m m ，_ 热赣电黻辐射缡潮量计 i 涟羲r l f m l 溜2 - 5 利用黑体校正辐射温度计的校正装鬻其机构如图2 - 6 所泳。在光电二极 管前放麓干涉滤光器，这是测量单一波长的辐射温度计的标准形式。输出特 燃严格遵守式( 2 9 ) 孛黪磐瓣尧定德。若馊用豹波长燕0 。6 5 a n ，廷娥灸i 0 0 0 以上的国际标准测温计，迭神标准辐射温度计首先由日本抛出，艏来报据 大量的实验数据经不断改进而成为国际标准温度计。 1 8 壅圣墨三垄芏堡主堂堡垒圭 一一 减光游色键 图2 - 6 实际测量温度时，由于黑体条件不成立，应该考虑由此带来的误差，当 温度为r 时，被测物体的辐射亮度比黑体的要小，由下式表示 l ( i ，丁) = 占厶0 ，丁) ( 2 1 9 ) 发射率或黑度系数s 的值由形成物体的物质特性表面状态及形状等决定 ( 0 占 r 。 对于多数非金属材料来说，随波长的增长，光谱发射率增大，比色 温度低于其真实温度，即( 3 - 1 1 ) 嬲砘= 瓮j 据此，把已知标准光源的温度当作一并代入式( 3 - 3 ) 中，即可求得待 测温度。为了使测试精度得到保证，要求标准光源的温度尽量与待测温度 相近。在已知待测温度大致范围的情况下，可以通过在标准光源前加装相 应滤色片的方法来实现。这种滤色片称为色温转换片。因为在上述光谱强 度对比法中，所用的底片和冲洗条件完全相同，底片在光谱响应上的差别 对测量结果的影响被抵消了。由于两次拍摄都使用同一个光学系统，因而 该系统光谱透过率的差别也不会影响测量结果。 武汉理工大学硕士学位论文 34 应用 3 4 1 连铸中间包钢水温度测量 连铸中问包具有如下功能，在依此更换钢包的同时，为了能连铸进 行浇铸，而在钢包与结晶器间配备缓冲装置，出它向各流分配钢水，并使 锏中央杂物分离上浮。 连铸中间包内的钢水温度，对确定以浇铸速度为主的操作条件而言， 是重要的管理参数之一。由于钢水温度对铸的质量影响很大，因此，对其 测量精度要求十分严格( 3 c ) 。以前，多采用消耗型热电偶。为了降低 测温费用，探讨消耗型光纤辐射温度计的适用性，在日本京浜钢铁厂3 。连 铸机上安装了检测装鼍，其规格如表3 - 2 所示。 表3 2 测量装置的规格 项目规格 聚乙烯包复f i m t ( 西4 3 0 0 0 0 0m m )