数字显示式光学高温计的原理及校验方法的探讨.docx

数字显示式光学高温计的原理及 校验方法的探讨 庄泰华( 上海自动化仪表股份有限公司，上海 200436)摘要: 文章在论述工业用非接触式光学高温计工作原理的基础上，探索了对工业用数字显示式光学高温计快速校验的一种新方法，并对方法的应用结果进行了验证; 同时与工业用指针式光学高温计在校验上作了比较，客观地反映了在许多方面所具有的优点。关键词: 亮度温度; 红色滤光片; 吸收玻璃; 高温计灯泡; 逐点校验中图分类号:文献标识码:文章编号:1006 2394( 2013) 08 0009 04th811adiscussion of principle and calibration method of digital optical pyrometerzhuang tai-hua( shanghai automation instrumentation co ，ltd，shanghai 200436，china)abstract: based on the principle of digital contactless optical pyrometer used in industry，this paper explores a new method which can quickly calibrate the digital optical pyrometer it verifies the application results at the same time，it is compared with the pointer optical pyrometer used in industrial and reflects advantages in many aspectskey words: brightness temperature; the red-ray filter; absorbing glass; the pyrometer bulbs; check by point亮度温度。0引言1光学高温计的结构及工作原理光学高温计作为非接触式的测温手段，在工业上得到广泛地应用，当测量温度高于热电偶使用上限以 及热电偶不适用或不可能安装的情况下，一般可用光 学高温计来测量。光学高温计是根据普朗克定律，利用热辐射体的 光谱辐射亮度随温度升高而增大的原理，采用亮度均 衡法实现温度测量的，光学高温计测得的为亮度温度。光学高温计工作原理框图如图 1 所示。 5c2 / t 1e0 ( ，t) = c1 ( e 1)( 1)式中: c1 为第一辐射常数，c2 为第二辐射常数， 是光谱辐射的波长，t 是绝对黑体的热力学温度。物体的亮度温度的测量是在一指定的波长下进行 的，光学高温计选用的波长为( 0 65 0 01) m，与国 家温度量值传递系统规定的基准光学高温计的有效波 长相一致。光学高温计中灯泡灯丝通过电流发光，灯丝电流 与亮度温度之间存在单值函 数 关 系。在 高 温 计 分 度 时，标准温度灯的亮度温度为已知，由此可以得出高温 计灯丝电流与其单色亮度温度之间的特性关系，高温 计测量中，就是利用这种特性关系来求得实际物体的图 1 光学高温计测量原理框图光学系统 由物镜和目镜组成望远系统。在目镜与观察孔之1 1间有红色滤光片，测量时移入视场，所使用的有效波长 为 0 65 m。从观察孔可同时看到被测物体与灯丝 的像，从而能清晰地观察到灯丝的隐灭过程，当灯丝的收稿日期: 2013 05作者简介: 庄泰华( 1962) ，男，工程师，主要从事红外测温仪器仪表设计及试验方面的技术工作。仪 表技 术2013 年第 8 期10轮廓隐灭于被测物体的影像中时，这时的被测物体与高温计灯泡灯丝具有相同的亮度温度。在物镜与灯泡 之间置有吸收玻璃，当使用仪表第二量程时，转动吸收 玻璃扭手，使吸收玻璃移入视场中，用以减弱被测物体 的亮度。1 1 1红色滤光片 在比较亮度时，采用红色滤光片作为单色器，来获得较窄的光谱段。红色滤光片的光谱透过系数 曲 线与人眼的光谱敏感度 曲线的关系如图 2 所示。a 称为光学高温计吸收玻璃的高温减弱值，也 称作 a 值。只要知道 a 值，就可求得被测物体的实际温 度。1 2灯泡电流与亮度温度之间的关系在光学高温计中，高温计灯泡是一个非常重要的核心部件，灯泡灯丝的亮度取 决于通过灯丝的电流。灯丝电流 i 和亮度温度 ts 之间的关系如下:42o ts = ri( 5)式中: o 为辐射常数，r 为灯丝电阻。灯丝电流是其亮度温度的单值函数，在实际应用中，一般用幂函数形式表，即:23i = a + bts + cts + dts + ( 6)式中: i 为光学高温计灯泡中灯丝电流，ts 为 i 所对应的灯丝亮度温度，a，b，c，d 为灯泡的特性常数。一般说来，上式取三项或四项就够了，重要的是高 温计灯泡要具有良好的稳定度和复现性，只有在这两点 得到保证的情况下，对高温计的分度才是有意义的。从 上式也可以看出电流与温度之间的关系是非线性的。本文实际测量了一组灯泡( 6 个) 的电流温度特性 值，取其平均值获得一条电流与温度相对应的平均曲 线，趋势是呈抛物线的，如图 3 所示。图 2 人眼光谱敏感度 和红色滤光片光谱透过系数 曲线从图中可以看出，透过滤光片后人眼所感觉到的 光谱 就剩相交的一小部 分，该 波 段 的 为 0 62 0 7 m，称作光 学高温计的工作光 谱 段，它 的 重 心 位 置为 0 65 m，称为光学高温计的有效波长。1 1 2 吸收玻璃光学高温计中的灯泡灯丝温度不可过高，如果超 过 1 400 ，灯丝会过热氧化而损坏或改变灯丝的阻 值，使灯丝的电流与温度关系发生变化，改变原有亮度 特性而造成测量误差。然而 1 400 的测量上限远远 满足不了实际的测量需要，为保证温度灯长期稳定地工作，需在物镜与温度灯泡之间使用吸收玻璃来减弱 被测物体的辐射 亮 度，这 样 1 400 以上辐射源在高 温计内成像的亮度温度都不会超过 1 400 。因此， 可用最高使用温度为 1 400 的灯泡来测量比 1 400 高得多的物体的温度。定义透射的与入射的光谱辐射亮度之比为光谱透 过系数 ，则:图 3 灯泡灯丝电流与温度特性曲线将高温计灯泡电流与温度之间整百度相对应的值预先存入数据库中，每整百度点之间的电流温度关系 采用直线方法取平均，这样高温计的初始状态有一组 完整的测量数据，以此就能够初步判断高温计是否能 正常工作，因为高温计灯泡电流与温度的特性曲线具 有一定的离散性，不能全部靠这一组数据来达到要求， 解决这一问题的方法是通过逐点测量来完成。在每个 整百度点上，读取相应的值，从 800 2 000 每 个 点 都进行相应地处理，针对每台光学高温计，采用这种方 法后，可以取得很好的测量读数。l( ，t0 )( 2) = l( ，t)式中: l( ，t0 ) 为通过吸收玻璃后的光谱辐射亮度，l( ，t) 为被测物体在温度为 t 时实际的光谱辐射亮度。在低温与短波下，即 c2 / t 1 时，普朗克公式 可简化为维恩公式: 5 c2 / tl( ，t) = c1 经推导整理可得:( 3)e1 3电测系统从图 1 测量原理框图中知道，光学高温计是通过1 1= in1( 4)= at0tc22013 年第 8 期仪 表 技 术11调节滑线电阻使灯丝亮度与被测物体的亮度相均衡，从取样电阻上获得灯丝在不同亮度时的电压降。这一 信号提供给 a / d 转换成相应的数字量，cpu 的工作是 将灯泡的电流信号与亮度温度之间的相应关系进行计 算处理，运算结果由液晶屏来显示，对所需要保存的测 量结果，可以由数据存储来保存，这样可以很容易地再 现曾经测量的结果，给测量记录带来很大的方便。下面来讨论灯丝电流与亮度温度之间对应的计算方法:假定 a，b 为任意二个相邻的整百度点，ia ，ib ，ta ，tb 分别代表 a，b 二点的电流值和温度值，当一个测量 点落在 a，b 区间中，ix ，tx 代表该点的电流和温度，那 么在该区域内，用直线来替代曲线，这样可以用公式算出区间内任意点的亮度温度与电流之间的对应关系。法分两个步骤 ( 为了使用的需要，实际仪表第一量程 上限定为 1 500 ) :( 1)把校验台的标准温度灯定在 1 500 点上，在标准温度灯与被检高温计之间放置一个可以旋转的转盘，转盘的外圈边缘开一圈圆孔，中间置入衰减用的 吸收玻璃，各小圆孔的中心位置处于整个校验台的主光轴上，经过反复多次实验挑选，使衰减后的温度定在1 400 点上。在另一圆孔中，再放入不同厚度的吸收玻 璃，用同样的方法来实现 1300 ，1 200 ，1 100 ，1 000 ，900 及 800 各 温 度 点，通 过 转动转盘，可以很快地得到各个所需的温度值。这极大 的方便了高温计的校验，明显地提高了生产力，在生产上具有积极的意义。( 2) 采用同样的方法，可以得到第二量程的各个 相应的温度点，把标准温度灯定在 2 000 点上，然后通过衰减来获得 1 900 ，1 800 ，1 700 ，1 600 各个温度点。tb tatx = ta + i( ix ia )( 7) iba灯丝电流 ix 是 在 亮 度 均 衡时由电测系统从取样 电阻上得到的，那么通过计算机的运算，就能知道相应 的温度值，实际上图中每相邻间隔的两个整百度点上 都有这样的一条直线，x 在哪个区间，就用相应区间的 计算公式来求得。至于 x 点落在哪个区间内，这完全 可以通过 ix 与各整百度点电流之间的大小来判断，这 部分工作由计算机自动完成。2 2校验结果的验证这样的装置和校验方法是否能真正控制光学高温计的精度，这还要把被校过的高温计用标准温度灯来验证，依据工业用隐丝式光学高温计检定规程，本文做 了实际测试，结果表明，误差完全可以控制在允许基本误差的一半以内，因此这样的校验方法是可行的。实验测试了三台仪表，测试数据如表 1、表 2 所示。表 1 第一量程测量值2光学高温计的校验以上已经论述了高温计的亮度温度与灯丝电流之间的处理方法，要实现这一过程，必须每整百度点都采 取校验，用通常的校验方法，就是通过调整标准温度灯 电流的大小来获得各整百度点，然后对高温计进行分度。但因为标准温度灯的每个整百度点的热平衡是要时间的，通过调整标准温度灯的电流来切换各温度点 这是很麻烦的，工作效率很低，不适应生产的需要。经 过多次 认 证，在 把 握 a 值理论的基础上，沿 袭 高 温 计 第二量程利用吸收玻璃以减弱被测物体的辐射亮度来 测量更高亮度温度的原理，采用亮度减弱装置吸收玻璃来快速获得所需的较低亮度温度，以此来实现各整百度点的快速校验。2 1 快速校验装置和方法从前面的分析中知道，辐射源的亮度温度 t 通过表 2 第二量程测量值2 3数字显示式光学高温计与指针式光学高温计在校验上的比较由于灯泡电流温度特性曲线的不一致性，指针式 光学高温计配备了多种表尺来适应仪表的分度，以达到所需的 1 5 级精度的要求，但是即使这样，在整百度上也不能一一对应，因为表尺是根据以往的经验加以 归纳分类而来的，种类毕竟有限，不可能全部涵盖所有的特性曲线的情况，所以经常造成高温计示值偏差过 大，甚至超出误差要求的情况，给校验工作带来很大困难。而在数字式光学高温计上，采用逐点校验的方法， 1 1 吸收玻璃可以变为 t0 ，t 与 t0 之间的关系是t t =0a，a 为吸收玻璃的 a 值，由此只要改变 a 值，就是通过改变吸收玻璃的厚度就可以得到不同的 t0 ，本文经过 大量的实验摸索，筛选出一组吸收玻璃，用来做减弱装 置，这种方法在校验设备上的应用是自创的，具体的方温度 / 1 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9002 000最大 误差1 号表1 1971 3081 4071 5071 5971 6941 8011 8922 003+ 82 号表1 2061 3051 4081 5081 6021 6961 7931 8931 999+ 83 号表1 2071 3051 4031 5071 6021 7021 7971 9052 004+ 7温度 / 8009001 0001 1001 2001 3001 4001 500最大 误差1 号表7999009971 1001 1981 2971 4001 496 42 号表7969021 0021 1061 1991 2991 4001 495+ 63 号表8038971 0011 1021 1951 2991 3981 500 5仪 表技术2013 年第 8 期12即对每一个校验点达到亮度平衡后，只要给出确认信号就能对灯泡的电流值直接记录下来，然后经过数据 运算处理，这一切都由微处理机自动完成，这样可以适 应所有的灯泡灯丝的电流温度特性曲线，而且精度也 能有相当的提高，操作十分简单方便。当然，因为数字 式光学高温计中原本就储存了一组平均值，假如某个 点的实际读数已经符合了高温计的精度要求，那么可 以跳过该点，对该点不做修改，这样可以提高校验速 度。另外在第二量程上，即物体亮度温度经吸收玻璃 衰减后的校验，指针式光学高温计的表尺，由于事先做 好，第二量程与第一量程的关系也已相对固定，所以在 第一量程校验完成后第二量程的衰减量也 就 相 应 确 定。只可以在保证精度的很小范围内允许变化，这样 对吸收玻璃的选用要求很高。而数字式光学高温计在 第二量程上仍然采取独立的逐点校验的方法，那么对 吸收玻璃选择的要求可以低得多，这点给生产也带来 很大的便利，这也是技术创新带来的成果。图 4 光学高温计读数修正曲线图长与内径比大于 10 的情况下，这个管子底部的辐射就近似于黑体辐射，用高温计测量管子底部，就可测得接 近真实的温度。3测量结果的修正光学高温计是按绝对黑体来进行温度分度的，但实际被测物体往往不是黑体，其单色辐射率 1，物 体的辐射率与其材质、表面状况、温度、光谱范围、发射 方面等因素有关。辐射率小于 1 的物体，其光谱辐射 的表述为 l0 ( ，t) = ( ，t) l( ，t) ，所以在同一 真实温度下的各种物体，由于它们的单色辐射率不同， 则由光学高温计测得的亮度温度也各不相同，并且所 测得的亮度温 度 ts 总 是 低 于物体的真实温度 t。例 如，钢的冶炼，其材料辐射率 为 0 8，用高温计测得 的亮度温度为 1 350 ，通过计算得到其真实温度为 1377 ，这与用热电偶所测得的温度相符，所以要得到 真实温度，必须经过修正。物体的真实温度 t 和亮度 温度 ts 及单色辐射率 的关系如下:4总结本文研发的 数 字 显示式光学高温计应用了 cpu技术，结合逐点校验方法，使得测温中被测温度与信号 之间的非线性关系得到了很好地解决，克服了指针式光学高温计使用表尺带来的校验困难，同时由数字显示来替代指针