光学高温计【行业优选】

1、第七章 非接触测温方法和仪表,非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都特有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。而在温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。,1,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,辐射换热是三种基本的热交换形式之一,波长范围,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,左右时,辐射光谱包括了部分

2、可见光；到,时可见,光大大增加，即呈现红热.如果到,包括更多的短波成分，使得物体呈现白热. 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,时，辐射光谱,2,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,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，单位为焦耳(J) 辐射能通量 是辐射能随时间的变化率，又称辐射率： 其单位是瓦特(W) 辐射强度I 在给定方向上的立体角单元内，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 为瓦/球面度(W/Sr),3,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,黑体（绝对黑体）：照射到物体上的辐射能全

3、部被吸收， 既无反射也无透射。 透明体：照射到物体上的辐射能全部透射过去， 既无吸收又无反射。 镜体、白体：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，反射具有一定规律，则该物体 称之为镜体若反射无一定规律，则该物体称为 绝对白体或者简称为白体.,4,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,从传热学角度看，可以人为制造黑体,5,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,热辐射理论是辐射式测温仪表的理论依据。在温度测量中，主要涉及的波长范围是可见光与0.7620m的红外光区。 辐射出射度是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。如物体单位表面积

4、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）。显然辐射出射度M与光谱辐射出射度M之间存在如下关系：,6,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,物体的亮度与物体辐射出射度的大小是成正比关系的。,7,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,也可用亮度表示：,式中，为波长；c1为普朗克第一辐射常数, c2为普朗克第二辐射常数，h为普朗克常数；c为光速；k为玻耳兹曼常数,普朗克定律:,8,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,式中， 为照射到物体单位面积上的辐通量(包括有不同波长 的辐射)； 为被物体吸收的辐通量。,光谱吸收比,基尔霍夫

5、定律,9,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,在热平衡时被分析物体向四周的辐射功率等于它吸收的功率，,10,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,同样温度下，普通物体与绝对黑体向外界辐射能量的能力是不一样的。为什么？,11,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,假设物体温度不变，物体此时与外界热交换途径只有辐射方式，则物体吸收的辐射能将全部以辐射的方式传向外界。同样的能量辐射给绝对黑体和普通物体，绝对黑体吸收的多，辐射也就多。光谱发射率等于它的光谱吸收率。,12,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,斯忒潘玻耳兹曼定律:斯式潘根据实验得出结论，物体的总的辐射出射度 与温度的四次方成正

6、比。,13,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长 与物体自身的绝对温度T成以下关系,维恩位移定律,*,14,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,光学高温计测温原理： 如果已知某物体亮度与其所处温度的对应关系，如果其他物体的亮度与之相等，他们的温度相等。 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800-3200摄氏度的高温 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。光学高温计测量的温度称为亮度温度测对象为非黑体时，要通

7、过修正才能得到非黑体的真实温度。,15,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,隐丝式 利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。,恒定亮度式 利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。由于隐丝式光学高温计的结构和使用方法都优于恒定亮度式，所以应用广泛。,16,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,隐丝式光学高温计,隐丝式光学高温计,光学系统 红色滤波片，造成一个较窄的有效波长 吸收玻璃，目的是扩展量程 目镜和物镜是一套光学系统电测系

8、统包括指示仪表、灯泡、电源和调节电阻四部分。 光学高温灯泡：标准辐射源 电源、调节电阻和指示仪表组成测量电路 原理一般有电压表式，电流表式以及不平衡电桥和平衡电桥式四种。,17,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,18,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,1,物镜；,2,吸收玻璃；,3,灯泡；,4,红色滤波片；,5,目镜；,6,指示仪器；,7,滑线电阻；,E,电源；,K,开关；,R,1,刻线调整电阻,19,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,亮度温度,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。,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

9、度相等时，则黑体的温度称为被测物体在波长为时的亮度温度。,左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度,20,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,根据维恩公式有,对上式两边取对数，并加以整理，得,式中，,被测物体在温度为，波长为时的单色黑度系数；,T,被测物体的真实温度；,T,L,被测物体的亮度温度。,已知物体的单色黑度系数，就可以通过亮度温度求出物体的真实温度。,21,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,光电高温计,光学高温计：是由人工操作来完成亮度平衡工作 的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能 进行连续测量和记录，当被测温度低于800摄氏度 时，光学高温计对亮度无法进行

10、平衡。 光电高温计是在光学高温计测量理论的基础上 发展起来的一种新型测温仪表。它采用新型的 光电器件，自动进行平衡，达到连续测量的目的。,22,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,WDL31型光电高温计的工作原理,1,物镜；,2,同步信号发生器；,3,调制镜；,4,微电机；,5,反光镜；,6,聚光镜；,7,参比灯；,8,探测元件,23,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,特点： 采用光敏电阻或者光电池作为感受辐射源的敏感元件来代替人眼的观察； 采用一参考辐射源与被测物体进行亮度比较，由光敏元件和电子放大器组成鉴别和调整环节，使参考辐射源在 选定的波长范围内的亮度自动跟踪被测物体的辐射亮

11、度， 当达到平衡时即可得到测量值； 在平衡式测量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特 性如有变化，对测量结果影响较小，参考辐射源选用钨丝 灯泡，能保持较高的稳定性，因此具有较高的精度和连续测量的特性； 设计了手动值修正环节，可显示物体的真实温度； 采用新型光敏元件，测量范围宽,24,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,（一）全辐射温度计 全辐射温度计是利用物体的温度与总辐射出射度全光谱范围的积分辐射能量的关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：,25,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,只要采用敏感元件测量出这辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度。 应该注意的是

12、仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。我们一般把这个温度称为“辐射温度”。,式中，T和TF分别为物体的真实温度和辐射温度；T为温度T时物体全辐射的黑度系数,26,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,27,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,辐射温度,对于辐射式温度计，它是以绝对黑体的辐射能为基准对仪器进行分度的，所以仪器测出的值称为辐射温度。 辐射温度的定义：黑体的总辐射能等于非黑体的总辐射能时，此黑体的温度即为非黑体的辐射温度。根据全辐射强度定理，总辐射能相等，则有：,用辐射温度计测出的温度要比物体的

13、真实温度低。,28,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,颜色温度计就是通过两个光谱能量比的方法来测量温度的，所以也称为比色温度计。 用这种方法测量非黑体温度时得到的“颜色温度”和真实温度有差异。我们将颜色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长 和 的亮度比等于非黑体的相应亮度变化时，绝对黑体的温度就称为这个非黑体的颜色温度。,29,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,颜色温度计和光电亮度温度计相似，也包含有光路系统、调制系统、单色器、光敏元件、放大器、显示仪表等。它一般用一个开孔的旋转调制盘进行调制。在开孔上附有两种颜色的滤光片，多选用红色和蓝色。经调制后的单色红光、蓝光交替照在光敏元件上

14、，使光敏元件输出相应的红光和蓝光的信号、再放大并经过运算后送到显示仪表。如图所示。,30,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,31,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,比色温度,它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。 根据光谱辐射的维思公式，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,32,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,式中 M1、M2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 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

15、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,33,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,34,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,辐射高温计的检定： 检定目的：为了确定高温计亮度指示与温度的对应关系是否 满足误差需求： 根据测温过程，我们需要什么工具： 定点法？示值法？ 哪些参数影响测量结果： 选定波长、物体的发射率、物体的亮度稳定性 需要：辐射源，固定温度点，黑体空腔，标准光学高温计灯。,35,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,辐射

16、高温计的检定： 标准温度灯：提供高稳定度的辐射源，复现8002500 范围内的亮度温度。 由于其结构简单，稳定度高，是目前应用最广泛的标 准辐射源。 分为真空灯和充气灯。,36,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,标准温度灯： 结构：钨带、支架、指针、引线、泡壳和灯座。 钨带：发热部分，其结构主要考虑了适合瞄准、 温度分布均匀性、灯泡电流上限要求。 支架：支撑。 泡壳：选用透明度很高的钼组玻璃或派勒克玻璃。 指针：由于钨带上温度分布的不均匀性，为了精确测温， 需要指示一个工作区域。 灯座：螺纹座，焊接座水冷座。最好选用水冷座。 保持温度恒定。,37,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,

17、标准温度灯：影响其亮度与电流的对应关系因素有哪些？ 1、稳定性：对应关系保持不变的能力。 （钨带的电阻稳定性，钨带表面的发射率，泡壳的透过率等。） 2、环境温度：钨带与外界存在传导热交换会降低其温度，导致 产生温度梯度。引起工作区域发生变化。 在电流恒定情况下，工作区域会随着环境温度变化而变化。 温度越高，辐射换热能力较强，传导换热能力下降， 环境温度影响减小。 灯温度越高，环境温度影响越小。,38,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,标准温度灯：影响其亮度与电流的对应关系因素有哪些？ 3、电源极性改变： 直流电通过具有温度梯度的钨带时，将会发生吸热和 放热现象。 电流由高温向低温区运动时

18、，钨带吸收热量，反之放热。 如果工作区域温度没有梯度，电流极性改变，不会发生吸 热和放热现象。 但是工作区域很难保证没有梯度，需要确定工作电流 的极性。,39,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,标准温度灯：影响其亮度与电流的对应关系因素有哪些？ 4、瞄准误差： 我们需要选择温度没有梯度的工作区域，设置了指针 瞄准工作区域。如果位置选择由差异，可能造成误差。 这就是瞄准误差。 为了消除它： 温度灯架可以微调 指针应尽可能尖锐，并靠近钨带。,40,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,标准温度灯：影响其亮度与电流的对应关系因素有哪些？ 5、温度响应时间： 钨带具有较大的滞后效应，需要供电一

19、段时间后才能热 平衡，趋于稳定。 达到稳定时间叫预热时间或稳定时间。 一般来讲，由室温升温到指定温度，最少需要20min，以后 再改变100度温度也需要510min,41,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,标准温度灯：影响其亮度与电流的对应关系因素有哪些？ 6、温度偏离黑体的影响： 温度灯是非黑体辐射源，指示的温度是亮度温度。,42,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,如果对同一标准温度灯进行分度，如果两个高温计选择的有效 波长不一致， 那么，将会导致不同的测量结果。,43,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,如果对同一标准温度灯进行分度，如果两个高温计选择的有效 波长不一致，

20、那么，将会导致不同的测量结果。,当0.005微米波长偏差，在测量2000摄氏度温度时误差是 1.7摄氏度。 为了克服这种误差，在高精度的分度如基准级的分度时， 一般采用实用黑体作为标准辐射源。,44,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,几十年来辐射测温学取得了飞速的发展,随着红外探测器的应用,辐射测温学涉及的测温下限拓展到- 50 甚至更低;黑体辐射源的作用日益突出,黑体辐射源不仅是作为标定红外测温仪的标准器,还将迅速发展成为下一次辐射测温温区CIPM关键比对用仪器,进而成为温标保存仪器。 黑体辐射源的研究可以分为三个方面:黑体空腔设计与空腔有效发射率计算;辐射源设计与研究;实用黑体辐射源

21、的评估。,45,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,46,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,黑体空腔设计是以空腔有效发射率计算为仪据的。通常采用球型、柱型、柱锥型和锥、锥型的结构,在空腔底部为了提高发射率采用正锥、倒锥或沟槽结构。在空腔选材上多选用材料发射率较大的如石墨等材料。在使用温度不高的空腔,选用高反射率的材料做为腔壁材料及特殊形状以减 小空腔有效发射率对腔壁温度均匀性的依赖。,47,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,黑体辐射源的设计与研究是在不断进步。针对不同的用途和不同的温度范围,辐射源的形式各不相同。 辐射源从加热控温方式上可分为单段加热(或制冷) 控温和多段加热控

22、温两种方式。单段加热(或制冷) 控温方式即只有一个控温器,一个温度传感器,一组加热或制冷元件,控制器通过温度传感器测温来控制加热或制冷元件的功率达到控温的目的。,48,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,多段加热控温方式是采用多个控制器和多个温度传感器和多个加热元件来控制辐射源的温度。采用多段加热控温方式的目的通常是为了减小辐射源内部的温度梯度。多段加热控温方式要注意的是控制或减小各段之间的相互干扰,以不使得辐射源内部温度发生振荡。 为了达到减小辐射源内部温度梯度的目的可采用液体循环或热管均温器。复现固定点的辐射源对温度均匀性要求较高,因此多采用多段控温和热管均温器的方案,其中以德国PTB

23、 的设计12 最为突出(见图2) ,它采用外层8 段控温和内置银胆及内层3 段控温及金属均热块的方式达到尽可能减小辐射源内部温度梯度的目的。,49,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,50,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,51,二类精制,第七章 非接触测温方法和仪表,52,二类精制,53,二类精制,54,二类精制,标准光学温度计与普通光学温度计的结构和原理类似， 只是在光学系统，灯泡组件，配套的电阻电流灯电子设备的 精度，稳定性方面有比较严格的要求。 灯泡一般为3组。 p91,55,二类精制,检定方法：亮度比较法：使用标准温度灯。 1、标准光学高温计和标准温度灯的安装： a 使用稳

24、定的直流电源，注意电源的极性。 b标准光学高温计与标准温度灯在同一水平线上。 c 从目镜观察，调节光学高温计光轴，使得高温计的灯丝， 与标准温度灯的指针重合。 d 为了在同一水平线上，需要将灯带前后的指针在目镜中是 重合的。 e 为了得到精确的瞄准位置，需要将后面的指针位置刚好 接触灯带边缘。 f 调节红色率光片，得到指定的测量波长。 g 调节灰色吸收玻璃，得到需要的亮度。,56,二类精制,检定方法：亮度比较法：使用标准温度灯。 1、标准光学高温计和标准温度灯的安装： a 使用稳定的直流电源，注意电源的极性。需要使用电位差 计使得二者电势电流相等。 b标准光学高温计与标准温度灯在同一水平线上。 c 从目镜观察，调节光学高温计光轴，使得高温计的灯丝， 与标准温度灯的指针重合。 d 为了在同一水平线上，需要将灯带前后的指针在目镜中是 重合的。 e 为了得到精确的瞄准位置，需要将后面的指针位置刚好 接触灯带边缘。 f 调节红色率光片，得到指定的测量波长。 g 调节灰色吸收玻璃，得到需要的亮度。,57,二类精制,检定方法：亮度比较法：使用标准温度灯。 2、标准光学高温计和标准温度灯的灯泡温度时间： 检定测量时，需要两者灯泡的亮度稳定。需要一定的时间。 一般到平衡状态需要20min，以后每变100度需要5min以上。,58,二类精制,检定方法：亮度比较法：使用标准温度灯。 2、偏离指