第4章非接触测温ppt课件

1、第第4 4章章 非接触式温度检测仪表非接触式温度检测仪表 敏感元件不需要与被测介质接触，称非接触测温方敏感元件不需要与被测介质接触，称非接触测温方法。法。 高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、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铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。过程中。 任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长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。利用物体的辐射能量随其温度而

2、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，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，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。它没有上限，可以测量高温。优点：优点：仪表不破坏被测介质的温度场。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。敏感元件不必和被测介质达到平衡，仪表滞后小。

3、理论上仪表测温上限不受限制。敏感元件不必与被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测介质达到同样温度值，因此测温部件不被高温破坏。破坏。输出信号大，灵敏度高，准确度高输出信号大，灵敏度高，准确度高主要内容主要内容 4.1 辐射测温的基本原理辐射测温的基本原理4.2 单色辐射高温计单色辐射高温计4.3 辐射温度计辐射温度计4.4 比色高温计比色高温计4.5 红外温度计红外温度计辐射波长范围：见教材辐射波长范围：见教材p82p82电磁波谱电磁波谱 在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线。随着温度的升高

4、，辐射能量急剧增加，辐射外线。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，在光谱也向短的方向移动，在50005000左右时。辐射光左右时。辐射光谱包括了部分可见光；到谱包括了部分可见光；到80008000时可见光大大增加时可见光大大增加，即呈现，即呈现“红热红热”；如果到；如果到3000030000时，辐射光谱包时，辐射光谱包括更多的短波成分，使得物体呈现括更多的短波成分，使得物体呈现“白热白热”。 辐射测温的基本原理：观察灼热物体表面的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。颜色来大致判断物体的温度。辐射能的分配辐射能的分配 当物体接受到辐射能量以后

5、，根据物体本身的性质，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、透射和反射会发生部分能量吸收、透射和反射 RDAQQQQQQQQQQRDA1吸收率； 透射率； 反射率。 物体分类：物体分类： 黑体绝对黑体）：黑体绝对黑体）：照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射。也无透射。 透明体：透明体：照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。收又无反射。镜体、白体：镜体、白体：照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物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

6、规律，则该物体表现平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为称之为“镜体镜体”；若反射无一定规律，则该物；若反射无一定规律，则该物体称为体称为“绝对白体或者简称为绝对白体或者简称为“白体白体”。 4.1 4.1 辐射测温基本原理辐射测温基本原理一、热辐射测温的基本定律一、热辐射测温的基本定律1、普朗克定律单色辐射强度定律）、普朗克定律单色辐射强度定律） 辐射出射度辐射出射度M：离开辐射源表面一点处的面单元上：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，单位为瓦射度，单位为瓦/米米2(W/m2)。 全幅射体的光谱辐射出射

7、度全幅射体的光谱辐射出射度M0单位：单位：w/m3与波长与波长和温度和温度T关系关系 为波长；为波长；c1= 3.7413*10-16(w.m2)第一辐射常数第一辐射常数为普朗克第为普朗克第c2=1.4388*10-2(m.K)，第二辐射常数，第二辐射常数2、使用条件：温度低于使用条件：温度低于3000K，波长较短的可见光范围，波长较短的可见光范围内，用维恩公式代替普朗克定律，误差不超过内，用维恩公式代替普朗克定律，误差不超过1%151012)e(cMTcTcecM2510维恩公式维恩公式3 3、斯忒藩波尔兹曼定律全辐射强度定律，也、斯忒藩波尔兹曼定律全辐射强度定律，也称为四次方定律）称为四次

8、方定律）1 1） M0M0与与M0M0的关系的关系M0M0是波长是波长 从从0 0 之间全部光谱辐射出射度的之间全部光谱辐射出射度的总和总和2 2 ）M0M0的公式斯忒潘的公式斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律:):) 物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比 斯忒藩波尔兹曼常数斯忒藩波尔兹曼常数,5.67032,5.67032* *10-8 10-8 W/(m2.K4)W/(m2.K4) dMM00041051012Td)e(cMTc上式就是辐射式温度计测温的理论根据。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

9、。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M普朗克定律）： 2维恩公式3斯忒潘玻耳兹曼定律发射率：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：光谱发射率和发射率，其值在0-1之间,都不是常数, 用实验的方法测定。 与温度、该物体的特性和表面情况有关， 则按基尔霍夫定律还与有关。15112)e(cMTc4TMTcecM251二、辐射测温的常用方法二、辐射测温的常用方法 1、亮度测温、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。使用滤光片体的

10、温度。使用滤光片 优点：结构简单、使用方便、灵敏度高、抗干扰。优点：结构简单、使用方便、灵敏度高、抗干扰。 缺点：有一定偏差缺点：有一定偏差 2、全辐射测温、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。斯忒潘测物体的辐射温度。斯忒潘玻耳兹曼定律四次方定玻耳兹曼定律四次方定律）律） 优点：灵敏度低优点：灵敏度低 缺点：容易受环境干扰，偏差较大。缺点：容易受环境干扰，偏差较大。 3、比色测温、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

11、比色温度。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，抗干扰能力优点：灵敏度较高，偏差小，中高温测量，抗干扰能力强。强。 缺点：结构复杂，价格昂贵。缺点：结构复杂，价格昂贵。4.2 单色辐射高温计单色辐射高温计光学高温计光学高温计光电高温计光电高温计 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射高温计的灵敏度高精密光学高温计用

12、于科学实验中的精密测试；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。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光学高温计可用来测量80032000C的高温。的高温。由于采用用肉眼进行色度比较，所以测量误差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。与人的经验有关。光学高温计测量的温度称为亮度温度光学高温计测量的温度称为亮度温度(Ts)，被，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。体的真实温度。一、光学高

13、温计一、光学高温计 由普朗克定律知道，物体的光谱辐射出射由普朗克定律知道，物体的光谱辐射出射率率M与温度有关，而物体在高温下会发与温度有关，而物体在高温下会发光，称亮度，因亮度光，称亮度，因亮度L与光谱辐射出射与光谱辐射出射率率M成正比，故通过测物体亮度成正比，故通过测物体亮度L可可求物体的温度。求物体的温度。 L=cM=c M0 c-比例常数。比例常数。2 由亮度标注温度时需解决的问题：亮度温由亮度标注温度时需解决的问题：亮度温度度1问题提出：同样亮度问题提出：同样亮度L，由于物体，由于物体不不同，所以物体对应的温度是不同。因此某同，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

14、温度？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解决办法：仪表标注的是黑体对应的温度度Ts ，即亮度温度，实际物体的真实温度，即亮度温度，实际物体的真实温度要进行修正。要进行修正。1 1 基本工作原理：基本工作原理：亮度温度亮度温度 定义：当被测物体为非黑体，在同一波长下的定义：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，则黑体的温度称为被测物体在波长为时时的亮度温度。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左边为非

15、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。比真实温度偏低的偏差。3)亮度温度亮度温度Ts ：当物体在辐射波长为：当物体在辐射波长为 ，温度为时温度为时T，其光谱辐射亮度，其光谱辐射亮度L和黑体和黑体在辐射波长为在辐射波长为 ，温度为，温度为Ts时的光谱辐时的光谱辐射亮度射亮度L0相等，则把相等，则把Ts称为这个物体在称为这个物体在波长波长下的亮度温度。下的亮度温度。4)由亮度温度由亮度温度Ts如何求物体的真实温度如何求物体的真实温度T 已知物体的辐射发射率已知物体的辐射发射率和亮度温度和亮度温度Ts ，

16、代入：代入：22lncTTcTSS注：注：0 10，在充分受热后，从管，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口看进去管子的底部就可近似认为是全辐射体。射体。5、使用光学高温计时的注意事项、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，一般应在要距离被测物体太远，一般应在12m之之内比较合适。内比较合适。 光学高温计和被测物体之间的灰尘、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，烟雾、二氧化碳等对辐射都有吸收作用，造成误差。造成误差。（3光学高温计不宜测反射光很强的物体，光学高温计不宜

17、测反射光很强的物体，容易造成大容易造成大 误差误差（4） 光学高温计的测量准确度比热电偶、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。热电阻低，并不能测物体内部温度。二、光电高温计二、光电高温计1 光学高温计的问题：测量时要手动平衡亮光学高温计的问题：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，应用受限易；故它不是连续性测量仪表，应用受限制。制。2 其工作原理：光电器件代替人眼，作为仪其工作原理：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，并转表的感受件感受辐射源的亮度变化，并转换成与亮度

18、成比例的电信号。此信号经电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物体的温度。光电高温计时自动连续测温仪表。仪表。WDL-31WDL-31型光电高温计的工作原理型光电高温计的工作原理 1物镜；物镜；2同步信号发生器；同步信号发生器；3调制镜；调制镜；4微电机；微电机；5反光镜；反光镜；6聚光镜；聚光镜；7参比灯；参比灯；8探测元件探测元件3 缺点：光学元件互换性很差，更换元件时，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。整个仪表要进行重新调整和分度。4 优点优点 （

19、l无无 700的下限。因光电器件可感受的下限。因光电器件可感受可见光，红外光波长可见光，红外光波长 （2分辨率高，光学高温计最高为分辨率高，光学高温计最高为0.5，而光电高温计可达而光电高温计可达0.010.05； （3精确度高，由于采用性能良好的单色精确度高，由于采用性能良好的单色器器 （4可连续自动测量，响应快。可连续自动测量，响应快。4.3 辐射温度计辐射温度计根据全辐射强度定理，即物体的总辐射强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度与物体温度的四次方成正比的关系来进行测量的。行测量的。组成：辐射感温器和显示仪表两部分组成：辐射感温器和显示仪表两部分可

20、用于测量可用于测量40020000C的高温，多为现的高温，多为现场安装式结构。场安装式结构。为适应现场高温环境的要求，可在辐射感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，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。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，即全部波根据全辐射定律制成的温度计，即全部波长的辐射能长的辐射能M0, 温度温度T 。被测物体的辐射被测物体的辐射能经物镜聚焦在能经物镜聚焦在铂箔上，使铂箔铂箔上，使铂箔温度升高，由热温

21、度升高，由热电堆测其温度输电堆测其温度输出热电势信号。出热电势信号。热电堆由几支同热电堆由几支同样的热电偶同向样的热电偶同向串联，其目的是串联，其目的是增加输出的热电增加输出的热电势，提高灵敏度势，提高灵敏度。一、基本工作原理一、基本工作原理二、辐射温度计的结构和原理二、辐射温度计的结构和原理热热电电堆堆的的作作用用？热电堆结构和补偿光阑热电堆结构和补偿光阑 (a):1云母基片；云母基片；2受热靶面；受热靶面；3热电耦丝；热电耦丝；4引出线引出线(b):1-补偿片；补偿片；2-双金属片双金属片WFT-202WFT-202型辐射感温器结构型辐射感温器结构1物镜；物镜；2外壳；外壳；3补偿光阑；补

22、偿光阑；4座架；座架；5热电堆；热电堆；6接线柱；接线柱；7穿线套；穿线套；8盖；盖；9目镜；目镜；10校正片；校正片；11小齿轴小齿轴1问题：由于物体的问题：由于物体的的不同，同一辐射出射度的不同，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，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）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辐射温度：被测物体真实温度为T，其对应的，其对应的辐射出射度辐射出射度M，绝对黑体在温度，绝对黑体在温度Tp 时的辐射出时的辐射出射度射度M 0，M=M0, 温度温度Tp称为称为“辐射温度辐射温度” 3

23、)辐射温度低于被测物体的实际温度。辐射温度低于被测物体的实际温度。 为被测物体发射率为被测物体发射率44pTT14pTT 三三 辐射温度辐射温度四、四、 辐射温度计使用时的注意事项：辐射温度计使用时的注意事项： （1） 影响。尽量创造全辐射体的辐射条件影响。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。热电偶冷端温度影响。（4按规定按规定D/L被测物体的直径，被测物体与温被测物体的直径，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度计之间的距离的范围，否则会引起较大的误差。差。L太大，被测物体在热电堆上成像太小，不

24、能全部太大，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。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。偏低，且中间介质影响大，也造成指示偏低。4.4 比色高温计比色高温计原理：通过测量热辐射体在两个或两个以原理：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。上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度。特点：准确度高

25、，响应快，可观察小目标特点：准确度高，响应快，可观察小目标(最小可到最小可到2mm)。因为实际物体的单色黑度系数和全辐因为实际物体的单色黑度系数和全辐射黑度系数的数值相差很大，但是对同一射黑度系数的数值相差很大，但是对同一物体的不同波长的单色黑度系数和来说，物体的不同波长的单色黑度系数和来说，其比值的变化却很小。所以用比色温度计其比值的变化却很小。所以用比色温度计测得的温度称为比色温度，它与物体的真测得的温度称为比色温度，它与物体的真实温度很接近，一般可以不进行校正。实温度很接近，一般可以不进行校正。一一 原理：根据维恩偏移定律工作的温度计。原理：根据维恩偏移定律工作的温度计。通过测物体两个不

26、同波长下的光谱辐射出射通过测物体两个不同波长下的光谱辐射出射度的比值推得温度。度的比值推得温度。1 1 推导过程黑体）推导过程黑体）通过测波长通过测波长11，22下的光谱辐射亮度下的光谱辐射亮度两式相除后取对数，整理后：两式相除后取对数，整理后：ccTcTeccL1215110ccTcTeccL22252101200122ln5ln)11(21ccTTcLLcT比色比色温度温度2 实际物体的温度实际物体的温度（1比色温度：比色温度：实际物体温度实际物体温度T在两个波长在两个波长 1和和2的相应亮度的相应亮度比值等于绝对黑体比值等于绝对黑体Tc在两个波长在两个波长 1和和2的的亮度比，绝对黑体的

27、温度亮度比，绝对黑体的温度Tc就称为实际物体的比就称为实际物体的比色温度。色温度。（2实际物体的温度公式：实际物体的温度公式： 根据定义，用维恩公式，可导出：根据定义，用维恩公式，可导出： 1 2为实际物体的在波长为实际物体的在波长 1，和，和2时的光谱发时的光谱发射率射率)11(ln1121221cTTc二二 比色高温计的特点：比色高温计的特点：1对于绝对黑体对于绝对黑体T=Tc，因为，因为 1= 2=1 ； 一一般物体般物体T不等于不等于Tc，由于，由于 1不等于不等于 2 对于金属物体，一般是短波对于金属物体，一般是短波1的的 1，大于长波，大于长波2的的 2 ， 1 2则则 0， TT

28、c比色温度比色温度高于物体实际温度。高于物体实际温度。对于其它物体，视对于其它物体，视 1 和和 2 的大小而定。的大小而定。21ln2 ）比色高温计和单色辐射高温计、辐射温度）比色高温计和单色辐射高温计、辐射温度计相比较，测量准确度更高。计相比较，测量准确度更高。因为实际物体一般因为实际物体一般 1和和 2的比值变化相对的比值变化相对要比要比 和和 的单位变化小得多，的单位变化小得多，3比色高温计可在周围环境较恶劣下测温比色高温计可在周围环境较恶劣下测温 中间介质加水蒸汽，二氧化碳、灰尘等对波中间介质加水蒸汽，二氧化碳、灰尘等对波长长1 和和2 的单色辐射强度均有吸收，尽管的单色辐射强度均有吸收，尽管吸收律不一定相同，但对单色辐射强度比值吸收律不一定相同，但对单色辐射强度比值的影响比较小的影响比较小国产国产WDS-II双通道光电比色高温计双通道光电比色高温计1一物镜一物镜 2一平行平面玻璃一平行平面玻璃 3一回零通孔硅一回零通孔硅光电池光电池 4一透镜一透镜 5一分光镜一分光镜 6一红外滤光一红外滤光片片7一硅光电池一硅光电池E2 8一硅光电池一硅光电池El 9一可一可见光滤光片见光滤光片 10一反射镜一