第四章-非接触式测温仪表.

第四章非接触式测温仪表非接触式测温仪表的任何部分都不与被测对象接触 它通过测量物体的辐射能或与辐射能有关的信号来实现温度测量 因此又称为辐射式测温仪表 特点 不存在因接触传热而产生的测温传热误差 理论上讲 测温上限不受测温传感器材料的限制 可高达2000 以上 动态性能好 反应快等 可测运动物体的温度 因低温下物体的辐射能力很弱 因此辐射式仪表多用来测700 以上的高温 但用红外测量仪表 也可测低达100 左右的温度 一 测温基本原理1 准备知识 辐射 热辐射 辐射出射度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 光谱辐射出射度物体单位表面积单位时间内在波长 处的d 波段内所辐射的能量为dM 则把称为物体在波长 处的光谱辐射出射度 又称单色辐射出射度 黑体 白体 透体 黑度 发射率 辐射温度探测器所能接收的热辐射波段约为0 3 40 m 属于可见光和红外线的波长范围 辐射出射度M与光谱辐射出射度M 之间存在如下关系 2 热辐射的基本定律 1 普朗克公式定律普朗克定律给出了全辐射体的光谱辐射出射度与温度的关系 这是光学高温计和光电高温计等的理论基础 在温度T 3000K和可见光波长 波长 较小 范围 该公式可以简化成维恩公式对实际物体式中M 实际物体的光谱辐射出射度 实际物体在波长 下的光谱发射率 光谱黑度 2 斯忒藩一玻尔兹曼定律可见 全辐射体的辐射出射度M0是温度的单值函数 二者一一对应 这是辐射高温计的理论依据 实际物体的全辐射出射度为M M0 T4式中M 实际物体的全辐射出射度 实际物体的全辐射发射率 发射率 实际物体的光谱发射率 和发射率 均小于1 各种物体的 和 值一般只能通过实测求得 3 辐射测温的常用方法辐射测温一般有下面三种方法 1 亮度测温它是通过测量目标在某一波段的辐射亮度来获得目标的温度 按这种方法工作的测温仪表称为亮度测温仪 它所测出的温度是目标的亮度温度 2 全辐射测温它是通过测量物体发出的全辐射能量 0 来测量物体的温度 按这种方法工作的测温仪表称为辐射测温仪 它所测出的是目标的辐射温度 在数值上它完全遵从斯忒藩 玻耳兹曼定律的四次方关系 3 比色测温所谓比色测温 就是利用两组 或多组 带宽很窄的不同单色滤光片 搜集两个 或多个 相近波段内的辐射能量 转换成电信号后在电路上进行比较 由此比值确定目标温度 按这种方法工作的测温仪表称为比色测温仪 它所测出的是目标的比色温度 二 光学高温计1 理论依据 普朗克定律 在可见光的波长范围 0 35 0 75 m 内 高温物体的热辐射以光的形式表现出来 辐射的强度与光的亮度之间有一定的关系 在某一波长下的光谱辐射亮度 又称单色亮度 与同一波长下的光谱辐射出射度成正比 对全辐射体其关系为对实际物体有 结论 在可见光波长范围内的某一波长下 对一个确定的物体 可近似认为已固定不变 其光谱辐射亮度 即单色亮度 与温度之间存在单值对应关系 利用这个性质即可测温 但直接测光谱辐射亮度较难实现 光学高温计采用了的亮度比较的方法 2 结构国产WGGZ型光学高温计是一种使用较广的隐丝式光学高温计 由光学系统与电气系统两部分组成 光学系统包括物镜 目镜 灯泡 红色滤光片 灰色吸收玻璃等 电气系统包括灯泡 电源 调整电阻及测量线路 l一物镜 2 灰色吸收玻璃 3一灯泡 4一目镜 5一红色滤光片 6一显示仪表思考 红色滤光片和灰色吸收玻璃的作用是什么 光学高温计必须在某一定的波长下进行单色亮度比较 光学高温计采用红色滤光片与人眼构成了 单色器 使人眼只能观察到波长为0 6 0 7 m范围的红色可见光 如图阴影部分 其平均波长约为0 66 m 人眼与红色滤光片配合的视见光谱范围1一人眼相对视见函数曲线 2一红色滤光片光谱透过率曲线 灰色吸收玻璃的作用 光学高温计采用的是钨丝灯泡 当温度高达1400 时 钨丝会发生升华使灯泡的性能改变 这就限制了光学高温计的测温上限 光学高温计附加了灰色吸收玻璃 单色光透过这种玻璃时其吸收作用会使亮度减弱 在结构上把灰色玻璃置于物镜与灯丝之间 这样人眼观察到的是灯丝的亮度和被灰色玻璃削弱了的被测物体的亮度 在灯丝温度不超过1400 的情况下能测量更高的温度 灯丝与物像亮度比 a 灯丝亮度低 b 灯丝亮度偏高 c 灯丝和物象亮度一致 灯丝隐灭 光学高温计的优点 结构简单 测温上限高 在辐射式温度计中精确度与灵敏度均最高等优点 缺点 亮度比较的判断及调整均要人工进行 不能连续自动进行测量 同时带来人员的主观误差 另外 由于人眼只能看到可见光 这限制了被测物体的温度不能低于700 3 光学高温计的几个有关问题 1 亮度温度与示值的修正 亮度温度 的概念 如全辐射体的单色亮度与温度为T的实际物体的单色亮度相等 则全辐射体的温度称为该实际物体的亮度温度 并以Ts表示 根据亮度温度的定义 可推导物体实际温度T与其亮度温度的关系 由于L L0 即经整理可得因为一般物体 1 所以T Ts 光学高温计的标尺是直接按温度刻度的 即可直接读出温度值 而且分度是按全辐射体 即 1 的条件进行的 因此仪表显示的温度值实际上是在对应亮度下全辐射体的温度 也即亮度温度Ts 在测实际物体温度时 光学高温计的温度示值必须修正 2 影响光学高温计测量精确度的因素影响光学高温计测量精确度的因素比较多 主要有以下几个 1 发射率 的影响2 中间介质的影响3 反射光的影响 光学高温计 三 光电高温计光电高温计由光学系统与测量 放大显示两大部分组成 这里介绍的国产WDL一31型光电高温计 其原理系统图如图所示 光电高温计具有以下优点 l 既可在可见光 又可在红外光波长下工作 有利于用辐射法测低温 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干涉滤光片 或单色器 提高了仪表的单色性 因而不确定度减小 例如 2000 时的不确定度可小到土0 25 4 可连续自动测量 响应快 光电高温计的工作原理1 物镜 2 孔径 3 5 孔 4 光电器件 6 遮光板 7 调制片 8 永久磁铁 9 激磁绕组 10 透镜 11 反射镜 12 观察孔 13 前置放大器 14 主放大器 15 反馈灯 16 电位差计 17 被测物体 四 辐射高温计1 原理 物体的辐射出射度与其温度的关系为M T4对确定的物体 可近似认为其发射率 为定值 那么M与T将呈单值对应关系 测出辐射出射度M与其发射率 即可知其温度 辐射高温计能连续自动测温 2 组成 辐射高温计由辐射传感器和显示仪表组成 辐射传感器又由光学系统与辐射变换器两部分构成 前者的作用是接收并聚集辐射能 后者把辐射能转换成相应的电信号以便由显示部分直接显示温度值 光学系统有透射式 反射式和混合式几类 辐射变换器主要有热电式和光电式两种 辐射感温器的工作原理图热电堆的结构1 透镜 2 可变光阑 3 固定光阑 1 云母片 2 受热靶 4 接收元件面 3 热电偶丝 4 引出线 3 辐射高温计的几个有关问题 1 辐射温度 的概念 若温度为T的物体的辐射出射度与全辐射体在温度Tp下的辐射出射度相等 则把全辐射体的温度Tp称为该物体的辐射温度 由此定义可求出被测温度T与辐射温度Tp之间的关系 因 T4 Tp4有 仪表的分度是把被测体作为全辐射体来实现的 仪表的示值就是被测物体的辐射温度 依据被测物体的发射率 利用上面的修正公式对示值进行修正得到被测物体的实际温度 2 影响辐射高温计测量精确度的主要因素如下 1 发射率 的影响2 热电堆冷端温度的影响3 距离系数L D的影响补偿光栏结构示意图1 光栏 2 双金属片 五 比色高温计1 原理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 根据光谱辐射的维恩公式 同一物体在波长分别为 1和 2下的光谱辐射出射度的比值为式中M 1 M 2 分别为在波长 1和 2下的光谱辐射出射度 1 2 物体在波长 1和 2时的光谱发射率 T 物体的温度 经整理 可得2 比色温度的概念温度为T的物体在波长 1和 2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 1和 2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 3 结构以WDS 型比色高温计为例 具体介绍比色高温计的工作原理 WDS 型光电比色高温计的光路系统1一物镜2一平行平面玻璃3一回零通孔硅光电池4一透镜5一分光镜6一红外滤光片7一硅光电池E28一硅光电池El9一可见光滤光片10一反射镜11一倒像镜12一目镜4 特点它的测量准确度高 中间介质的影响小 可在恶劣环境下工作 六 红外测温仪 红外测温仪是一种测温上限较低的仪表 可测0 400 范围的温度 而前面介绍的几种辐射式测温仪表适于测700 以上的高温 红外测温仪依据的是光谱辐射原理 当物体温度较低时 光谱辐射出射度最高点向波长较长的红外线波长区迁移 红外测温仪就工作在这个红外线波长区 它的原理和结构与辐射高温计 光电高温计相似 红外测温仪由光学系统 红外探测器 信号处理放大部分及显示仪表等部分组成 1 红外辐射及其特性红外辐射又称红外线 它是一种人眼看不见的光线 红外辐射是一种电磁波 它的波长范围大致在0 76 m到1000 m的频谱范围之内 相对应的频率大致在4 1014 3 1011Hz之间 2 红外辐射源和红外探测器 1 红外辐射源当物体温度高于绝对零度时 就有红外线向周围空间辐射出来 有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源 2 红外探测器红外探测器是能够把红外辐射能量的变化为电量变化的器件 分为红外热探测器和红外光子探测器 红外热探测器 热电偶型探测器 热敏电阻型探测器 热释电型探测器主要优点是响应波段宽 可以在室温下工作 使用方便 但是 它的响应时间长 灵敏度较低 一般用于红外辐射变化缓慢场合 红外