检测技术及仪表 第2版 课件3.5 辐射式测温

3.5

辐射式温度计

在生产和生活实际仅仅靠接触式测温仪表进行温度检测有时往往满足不了需求，比如：

a.对运动的物体的温度测量；

b.要求不破坏被测对象温度场的温度测量。这些都是接触式测温仪表难以解决的，为此又出现了一类非接触式测温仪表：辐射式温度计。

辐射式温度计—非接触式测温仪表。

辐射式温度计定义：利用物体的辐射能随其温度的变化而变化的原理而制成的一类测温仪表。特点：（1）它只须把温度计对准被测物体，而不必与被测物体相接触；（2）可以测量运动物体的温度，并且不破坏被测对象的温度场；（3）由于感温元件所接收的是辐射能，所以感温元件的温度就不必达到被测温度，所以从理论上讲辐射式温度计的测温上限几乎是没有什么限制的。3.5.1

辐射温度计的理论基础一、热辐射热辐射就是从一个热源体不经过任何媒介物，又不直接接触就能把热能传递给另一物体。这种传热方式我们称为辐射换热。热辐射实际就是一种电磁波，我们知道，物体的电磁频谱包括各种波长，如γ-射线，X-射线，紫外光，可见光，红外辐射，微波，无线电波等。1.电磁频谱：2.热辐射的波长范围：0.4μm～40μm（包括可见光0.4μm～0.7μm，近、中、远三个红外区）3.热辐射能力：用于衡量物体热辐射本领的物理量称为热辐射能力。定义式：

Q：表示单位时间内物体发射的波长从0～∞的全部辐射能（即总辐射能量），单位：千卡/小时；

A：表示物体的辐射面积，单位：米；

M：表示热辐射能力，单位：千卡/米·小时.E=4.单色辐射强度

定义式：单位：Kcal/m·h·μm

如果在波长为λ+dλ之间的辐射能力是dM，那么dM与dλ之比即为单色辐射强度。是波长和温度的函数，它与全辐射能力之间的关系是：

二、黑体和灰体物体能连续向外发射辐射能，同时对投射到其上的热辐射能有吸收、透射和反射现象。设外界透射到物体表面的总辐射能量为，吸收的能量为、透射的能量为、反射的能量为，根据能量守恒定律则有：当＝1（＝＝0）时，说明辐射到物体上的能量全部被吸收，称该物体为绝对黑体，简称黑体。当＝1（＝＝0）时，说明辐射到物体上的能量全部被透射出去，称该物体为透明体。当＝1（＝＝0）时，说明辐射到物体上的能量全部被反射出去，若物体表面平整光滑、反射有一定规律，称该物体为镜体；若物体反射无规律，称该物体为白体。自然界中黑体、透明体、白体都不存在，一般固体或液体的很小或为零，而气体很大。对于一般工程材料，＝0而＋＝1，称为灰体。二.黑体辐射定律

物体受热向外辐射能量的大小与波长和温度有关，它们之间的关系由一系列辐射基本定律所描述。（1）普朗克定律：

揭示了绝对黑体（绝对黑体是指射到该物体上的辐射能量能全部被该物体吸收，既无反射，也不透过）的辐射强度与温度的内在联系。黑体的单色辐射强度是随波长和温度的变化而变化，也就是说普朗克定律指出，黑体的单色辐射强度是波长和温度的函数，其定量关系为：普朗克定律又称为单色辐射强度定律或单色辐射定律.（2）维恩公式：应用：维恩公式一般只能用于温度T为3000K以下的可见光范围内，而超出这个条件，维恩公式就不太准了，因为：当T>3000K且λ又较大时，必然较大，这样已不能使，所以忽略减1运算已不能容许了。维恩公式是在可见光(0.4～0.75um波长)范围内，测3000K以下温度的重要理论依据，是制作光学高温计的理论基础。

（3）斯蒂芬—波尔兹曼定律称为全辐射定律，它是将普朗克公式按波长从0～∞进行积分，进而得到物体的全辐射能力，于是给出了物体的全辐射能力与温度的关系，它的定律表达式是：

斯蒂芬-波尔兹曼公式给出了绝对黑体的全辐射能力与绝对温度T的4次方成正比，这一重要的定量关系，从而为全辐射高温计的研制奠定了重要的理论依据。

三、基尔霍夫定律

1.基尔霍夫定律：

在任一温度下，任何物体的辐射能力和其吸收率α之比都是一个常数，并且该常数恒等于该温度下黑体的辐射能力。基尔霍夫定律建立了绝对黑体与实际物体之间的关系。

基尔霍夫定律指出，各物体的单色辐射出射度与单色吸收率的比值均相同，与物体的性质无关且是温度和波长的函数，即：若a0为黑体，那么＝1，则：任何物体的单色辐射出射度与单色吸收率之比等于绝对黑体在同样温度和相同波长下的单色辐射出射度，这是基尔霍夫定律的另一表达方式。2.发射率：对于绝对黑体，表征其辐射本领高低的物理量是辐射能力M，它表示绝对黑体在单位时间内每单位面积上释放的辐射能量.

但是对于非黑体的辐射就需要引入一个新的因子来表征它的辐射能力，这个因子就是我们要讲的发射率ε。单色（）辐射发射率设为物体A在波长、温度T时的单色辐射出射度，称为物体A的单色（）辐射发射率或单色（）黑度系数。表明物体的单色辐射发射率等于同温度、同波长下物体的单色辐射出射度与黑体的单色辐射出射度之比。一般物体的＜1，越接近1则它的辐射能力越接近黑体。该式还表明，物体的辐射能力与吸收能力相同，即，物体的辐射能力越强则吸收能力也越强。全辐射发射率全波长范围内，任何物体A的全辐射出射度等于单色辐射出射度对波长的积分物体A在温度T时的全吸收率黑体在同温度下的全辐射出射度基尔霍夫定律的积分形式为：表明物体的全辐射发射率等于同温度下物体的全辐射出射度与黑体同温度下全辐射出射度之比.对于黑体＝1；对于一般物体＜1，越接近1则它的全辐射能力越接近黑体。全辐射发射率的大小反映了物体接近黑体的程度。称为物体A的全辐射发射率或全辐射黑度系数光学高温计3.5.2光学高温计与光电温度计

光电高温计3.5.2光学高温计与光电温度计

单色辐射温度计:是以测量单色波长的辐射能来实现温度测量的一种辐射温度计，这种辐射温度计是以普郎克定律为理论基础的，也就是说它是在确定了波长的条件下，利用黑体的辐射强度与温度的内在关系来进行测温的。光学高温计工作原理:光学高温计是基于亮度平衡原理来实现测温的仪表。基于亮度平衡原理:一般物体在高温状态下是会发光的，也就是说对应一定的高温，物体具有一定的亮度，而物体的亮度又总是与物体的辐射强度成正比的，物理学给出了物体在温度T下，波长为的单色辐射的亮度公式：

光学高温计的工作原理是：当光学高温计对准被测物体时，发亮的物体即由物镜1成像于高温计内的小灯泡3的灯丝平面上，这时如果将电源按钮S按下，灯丝就有一定的电流通过，灯丝也就随之发光了，测温者通过目镜4和红色滤光片5比较灯丝和被测对象两者的亮度。如果灯丝比背景（即被测物体元像）亮时，则表示灯丝温度高，即电流过大，于是用手调整滑线电阻7使电流减小，灯丝温度下降，亮度随之减弱，当两者的亮度在视觉中分不出来时，则表示两者的亮度已一致了，即达到亮度平衡了，测试灯泡中的电流即代表被测物体的温度。1—物镜；2—吸收玻璃；3—温度灯泡；4—目镜；5—红色滤光片；6—mV表；7—可调电阻图3-37灯丝亮度对比

使用中应注意的问题：1.测量灰体时的温度修正：一般光学高温计的温度标尺都是按照黑体的辐射强度与亮度的关系进行刻度的，但用这种刻度好的仪表来测量灰体的温度时，所测出的结果就会出现误差。

原因：即使在同一温度同一波长条件下，黑体的发射率与灰体的发射率也不同，因此它们的辐射强度就不同，所以其亮度也就不同，这就是说在同一温度，同一波长下由于黑体的亮度与灰体的亮度不同，所以用一种按黑体亮度标定的温度标尺来测定灰体温度就必然产生差异，所以按这种方法测出的结果将不是灰体的真正温度，而是被测物体的亮度温度。亮度温度：当物体在温度T时的亮度与黑体在时的亮度相等时，则黑体的温度就称为该物体在波长为λ下的亮度温度。确切知道被测物体的真实温度就必须要对测量结果加以修正，物体的亮度温度与真实温度的关系可由下式求得。修正公式：式中：=0.65μm（有效波长）：亮度温度（即仪表示值），K。：黑度系数（物体在波长下的发射率）：普朗克第二辐射常数=1.4388X10-2(m.k):被测物体的真实温度。

2.中间介质的影响：在实际使用中，如果光学高温计和被测物体之间有灰尘、烟雾或二氧化碳等气体时，则这些中间介质对热辐射会有吸收作用，从而给测量结果带来误差。灰尘、烟雾、二氧化碳等气体，对热辐射有吸收作用，测距应在1～2m之内。

3.对表面状况易变的物体测量：在实际应用中，常常会遇到一些表面状况经常变化的被测对象，至使它们的黑度系数会在测量过程中是不稳定的，测量误差会很大。4.光学高温计不易在反射光很强的场合使用。光学高温计的特点光学高温计可以测量800～3200℃的高温，基准光学高温计在所有辐射温度计中精度最高，在1000～1400℃测量不超过±1℃，用作国家基准温度计，复现黄金凝固点温度；标准光学高温计用于温度量值的传递，精密光学高温计用于科学实验中的精密测试；工业光学高温计精度较低，在800～2000℃范围内测量误差一般为±（14～20）℃。

光电温度计图3-38光电温度计工作原理1—物镜；2—同步信号发生器；3—调制镜；4—微电机；5—反光镜；6—聚光灯；7—参比灯；8—光电检测元件自动调整平衡亮度并能连续测温的光电温度计光电温度计与光学高温计相比，避免了人工误差、灵敏度高、响应快（一般1.5s～5s）；设计了手动值修正，可以检测物体的实际温度；改变光电检测元件的种类，可以改变使用的波长或波段，以适用于可见光或红外光；测温范围一般为200～1600℃，有的可达200～3200℃（分段检测），测温误差一般在±1%～1.5%。3.5.3全辐射温度计及比色温度计1.全辐射温度计全辐射温度计根据全辐射强度定律，可以通过检测物体（辐射源）的全辐射出射度，依据黑体全辐射出射度与温度四次方成正比的关系，测得物体的辐射温度，通过物体全辐射发射率（即全辐射黑度系数）进行修正，得到物体的实际温度。全辐射温度计由全辐射温度传感器和显示仪表组成。图3-39全辐射温度传感器1—透镜；2—补偿光圈；3—铜壳；4—玻璃泡；5—热电堆；6—靶心；7—吸收玻璃；8—目镜；9—小孔图3-40星形热电偶堆1—云母环；2—靶心；3—热电偶；4—引出线全辐射高温计的使用及需注意的问题

①使用辐射高温计在使用中一般都是将高温计安装在现场，一般为了避免现场的灰尘、烟气以及水汽进入仪表，大都在仪表的透镜前加装保护窗，窗口材料大都采用石英玻璃，但应注意，加上保护窗后会使辐射能透过受一定影响，从而给测量结果带来误差，为了减小误差，一般校验分度时应带上窗口。为了使仪表在一定温度范围内具有统一的分度值，也就是说，为了提高仪表的复制性，一般在仪表透镜和热电堆之间的光栏都是可调的。仪表在出厂前校验分度值时，大都通过调整光栏的位置来调整照射到热电堆上的辐射能量，从而达到使产品具有统一分度数值的目的。当然在实际使用中，在校验刻度分度时，用户也常常可用螺刀调整光检，以消除仪表的系统误差。②注意：ⅰ）仪表的环境温度不宜超过100℃。在仪表使用中还有一个必须注意的问题是：全辐射高温计的仪表刻度都是按被测物体是绝对黑体来标定的。也就是说仪表都是以黑体为标准体，并按黑体的温度来分度仪表，但在实际中被测体大都不是黑体，而是灰体或选择体，所以它们的全波长发射率均小于1。ⅱ）因为实际被测物体的全波长发射率

因此在用辐射高温计测量实际物体时，温度计所指示的实际是黑体在该辐射能量下的温度Tp,而不是真正的被测物体的温度T,这一点是我们使用者必须要注意的，我们称Tp为辐射温度。因为实测中总有：

,

即

在实际应用中，我们可根据具体情况对仪表示值进行校正。当然为了避免经常校正读数这一麻烦，在使用中应最好用高温计测量接近黑体性质的物体，或者尽量创造近似黑体的环境，例如在测量熔炉或锅炉燃烧室内部的温度时，为了使被测环境具有足够的黑度，一般全辐射高温计通常都是紧对着炉膛内壁，或用耐热不锈钢管将炉膛内的辐射能引出来，而将辐射高温计紧贴不锈钢管的底部安装，当然管子插入炉膛被测介质的深度和它的内径之比，一般不应小于10才能保证足够的黑度。全辐射温度计的特点全辐射温度计接受的辐射能量大，利于提高灵敏度；仪表的结构相对比较简单，使用方便；易受环境干扰，测温距离一般在1～1.5m（反射式）和1～2m（透镜式）；测温范围在400～2000℃，为了适应高温环境要求可在传感器外部加装水冷夹套；不宜精确测量，多用于中小型炉窑的温度监测，时间常数在4～20s之间。辐射高温计红外线辐射温度计外形

激光仅用于瞄准红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计用于食品温度测量红外线辐射温度计

在非接触体温测量中的应用耳温仪红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用集成IC温度测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物（电