3.5

輻射式溫度計(jì)

在生產(chǎn)和生活實(shí)際僅僅靠接觸式測溫儀表進(jìn)行溫度檢測有時(shí)往往滿足不了需求，比如：

a.對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體的溫度測量；

b.要求不破壞被測對(duì)象溫度場的溫度測量。這些都是接觸式測溫儀表難以解決的，為此又出現(xiàn)了一類非接觸式測溫儀表：輻射式溫度計(jì)。

輻射式溫度計(jì)—非接觸式測溫儀表。

輻射式溫度計(jì)定義：利用物體的輻射能隨其溫度的變化而變化的原理而制成的一類測溫儀表。特點(diǎn)：（1）它只須把溫度計(jì)對(duì)準(zhǔn)被測物體，而不必與被測物體相接觸；（2）可以測量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，并且不破壞被測對(duì)象的溫度場；（3）由于感溫元件所接收的是輻射能，所以感溫元件的溫度就不必達(dá)到被測溫度，所以從理論上講輻射式溫度計(jì)的測溫上限幾乎是沒有什么限制的。3.5.1

輻射溫度計(jì)的理論基礎(chǔ)一、熱輻射熱輻射就是從一個(gè)熱源體不經(jīng)過任何媒介物，又不直接接觸就能把熱能傳遞給另一物體。這種傳熱方式我們稱為輻射換熱。熱輻射實(shí)際就是一種電磁波，我們知道，物體的電磁頻譜包括各種波長，如γ-射線，X-射線，紫外光，可見光，紅外輻射，微波，無線電波等。1.電磁頻譜：2.熱輻射的波長范圍：0.4μm～40μm（包括可見光0.4μm～0.7μm，近、中、遠(yuǎn)三個(gè)紅外區(qū)）3.熱輻射能力：用于衡量物體熱輻射本領(lǐng)的物理量稱為熱輻射能力。定義式：

Q：表示單位時(shí)間內(nèi)物體發(fā)射的波長從0～∞的全部輻射能（即總輻射能量），單位：千卡/小時(shí)；

A：表示物體的輻射面積，單位：米；

M：表示熱輻射能力，單位：千卡/米·小時(shí).E=4.單色輻射強(qiáng)度

定義式：單位：Kcal/m·h·μm

如果在波長為λ+dλ之間的輻射能力是dM，那么dM與dλ之比即為單色輻射強(qiáng)度。是波長和溫度的函數(shù)，它與全輻射能力之間的關(guān)系是：

二、黑體和灰體物體能連續(xù)向外發(fā)射輻射能，同時(shí)對(duì)投射到其上的熱輻射能有吸收、透射和反射現(xiàn)象。設(shè)外界透射到物體表面的總輻射能量為，吸收的能量為、透射的能量為、反射的能量為，根據(jù)能量守恒定律則有：當(dāng)＝1（＝＝0）時(shí)，說明輻射到物體上的能量全部被吸收，稱該物體為絕對(duì)黑體，簡稱黑體。當(dāng)＝1（＝＝0）時(shí)，說明輻射到物體上的能量全部被透射出去，稱該物體為透明體。當(dāng)＝1（＝＝0）時(shí)，說明輻射到物體上的能量全部被反射出去，若物體表面平整光滑、反射有一定規(guī)律，稱該物體為鏡體；若物體反射無規(guī)律，稱該物體為白體。自然界中黑體、透明體、白體都不存在，一般固體或液體的很小或?yàn)榱悖鴼怏w很大。對(duì)于一般工程材料，＝0而＋＝1，稱為灰體。二.黑體輻射定律

物體受熱向外輻射能量的大小與波長和溫度有關(guān)，它們之間的關(guān)系由一系列輻射基本定律所描述。（1）普朗克定律：

揭示了絕對(duì)黑體（絕對(duì)黑體是指射到該物體上的輻射能量能全部被該物體吸收，既無反射，也不透過）的輻射強(qiáng)度與溫度的內(nèi)在聯(lián)系。黑體的單色輻射強(qiáng)度是隨波長和溫度的變化而變化，也就是說普朗克定律指出，黑體的單色輻射強(qiáng)度是波長和溫度的函數(shù)，其定量關(guān)系為：普朗克定律又稱為單色輻射強(qiáng)度定律或單色輻射定律.（2）維恩公式：應(yīng)用：維恩公式一般只能用于溫度T為3000K以下的可見光范圍內(nèi)，而超出這個(gè)條件，維恩公式就不太準(zhǔn)了，因?yàn)椋寒?dāng)T>3000K且λ又較大時(shí)，必然較大，這樣已不能使，所以忽略減1運(yùn)算已不能容許了。維恩公式是在可見光(0.4～0.75um波長)范圍內(nèi)，測3000K以下溫度的重要理論依據(jù)，是制作光學(xué)高溫計(jì)的理論基礎(chǔ)。

（3）斯蒂芬—波爾茲曼定律稱為全輻射定律，它是將普朗克公式按波長從0～∞進(jìn)行積分，進(jìn)而得到物體的全輻射能力，于是給出了物體的全輻射能力與溫度的關(guān)系，它的定律表達(dá)式是：

斯蒂芬-波爾茲曼公式給出了絕對(duì)黑體的全輻射能力與絕對(duì)溫度T的4次方成正比，這一重要的定量關(guān)系，從而為全輻射高溫計(jì)的研制奠定了重要的理論依據(jù)。

三、基爾霍夫定律

1.基爾霍夫定律：

在任一溫度下，任何物體的輻射能力和其吸收率α之比都是一個(gè)常數(shù)，并且該常數(shù)恒等于該溫度下黑體的輻射能力?；鶢柣舴蚨山⒘私^對(duì)黑體與實(shí)際物體之間的關(guān)系。

基爾霍夫定律指出，各物體的單色輻射出射度與單色吸收率的比值均相同，與物體的性質(zhì)無關(guān)且是溫度和波長的函數(shù)，即：若a0為黑體，那么＝1，則：任何物體的單色輻射出射度與單色吸收率之比等于絕對(duì)黑體在同樣溫度和相同波長下的單色輻射出射度，這是基爾霍夫定律的另一表達(dá)方式。2.發(fā)射率：對(duì)于絕對(duì)黑體，表征其輻射本領(lǐng)高低的物理量是輻射能力M，它表示絕對(duì)黑體在單位時(shí)間內(nèi)每單位面積上釋放的輻射能量.

但是對(duì)于非黑體的輻射就需要引入一個(gè)新的因子來表征它的輻射能力，這個(gè)因子就是我們要講的發(fā)射率ε。單色（）輻射發(fā)射率設(shè)為物體A在波長、溫度T時(shí)的單色輻射出射度，稱為物體A的單色（）輻射發(fā)射率或單色（）黑度系數(shù)。表明物體的單色輻射發(fā)射率等于同溫度、同波長下物體的單色輻射出射度與黑體的單色輻射出射度之比。一般物體的＜1，越接近1則它的輻射能力越接近黑體。該式還表明，物體的輻射能力與吸收能力相同，即，物體的輻射能力越強(qiáng)則吸收能力也越強(qiáng)。全輻射發(fā)射率全波長范圍內(nèi)，任何物體A的全輻射出射度等于單色輻射出射度對(duì)波長的積分物體A在溫度T時(shí)的全吸收率黑體在同溫度下的全輻射出射度基爾霍夫定律的積分形式為：表明物體的全輻射發(fā)射率等于同溫度下物體的全輻射出射度與黑體同溫度下全輻射出射度之比.對(duì)于黑體＝1；對(duì)于一般物體＜1，越接近1則它的全輻射能力越接近黑體。全輻射發(fā)射率的大小反映了物體接近黑體的程度。稱為物體A的全輻射發(fā)射率或全輻射黑度系數(shù)光學(xué)高溫計(jì)3.5.2光學(xué)高溫計(jì)與光電溫度計(jì)

光電高溫計(jì)3.5.2光學(xué)高溫計(jì)與光電溫度計(jì)

單色輻射溫度計(jì):是以測量單色波長的輻射能來實(shí)現(xiàn)溫度測量的一種輻射溫度計(jì)，這種輻射溫度計(jì)是以普郎克定律為理論基礎(chǔ)的，也就是說它是在確定了波長的條件下，利用黑體的輻射強(qiáng)度與溫度的內(nèi)在關(guān)系來進(jìn)行測溫的。光學(xué)高溫計(jì)工作原理:光學(xué)高溫計(jì)是基于亮度平衡原理來實(shí)現(xiàn)測溫的儀表?；诹炼绕胶庠?一般物體在高溫狀態(tài)下是會(huì)發(fā)光的，也就是說對(duì)應(yīng)一定的高溫，物體具有一定的亮度，而物體的亮度又總是與物體的輻射強(qiáng)度成正比的，物理學(xué)給出了物體在溫度T下，波長為的單色輻射的亮度公式：

光學(xué)高溫計(jì)的工作原理是：當(dāng)光學(xué)高溫計(jì)對(duì)準(zhǔn)被測物體時(shí)，發(fā)亮的物體即由物鏡1成像于高溫計(jì)內(nèi)的小燈泡3的燈絲平面上，這時(shí)如果將電源按鈕S按下，燈絲就有一定的電流通過，燈絲也就隨之發(fā)光了，測溫者通過目鏡4和紅色濾光片5比較燈絲和被測對(duì)象兩者的亮度。如果燈絲比背景（即被測物體元像）亮?xí)r，則表示燈絲溫度高，即電流過大，于是用手調(diào)整滑線電阻7使電流減小，燈絲溫度下降，亮度隨之減弱，當(dāng)兩者的亮度在視覺中分不出來時(shí)，則表示兩者的亮度已一致了，即達(dá)到亮度平衡了，測試燈泡中的電流即代表被測物體的溫度。1—物鏡；2—吸收玻璃；3—溫度燈泡；4—目鏡；5—紅色濾光片；6—mV表；7—可調(diào)電阻圖3-37燈絲亮度對(duì)比

使用中應(yīng)注意的問題：1.測量灰體時(shí)的溫度修正：一般光學(xué)高溫計(jì)的溫度標(biāo)尺都是按照黑體的輻射強(qiáng)度與亮度的關(guān)系進(jìn)行刻度的，但用這種刻度好的儀表來測量灰體的溫度時(shí)，所測出的結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)誤差。

原因：即使在同一溫度同一波長條件下，黑體的發(fā)射率與灰體的發(fā)射率也不同，因此它們的輻射強(qiáng)度就不同，所以其亮度也就不同，這就是說在同一溫度，同一波長下由于黑體的亮度與灰體的亮度不同，所以用一種按黑體亮度標(biāo)定的溫度標(biāo)尺來測定灰體溫度就必然產(chǎn)生差異，所以按這種方法測出的結(jié)果將不是灰體的真正溫度，而是被測物體的亮度溫度。亮度溫度：當(dāng)物體在溫度T時(shí)的亮度與黑體在時(shí)的亮度相等時(shí)，則黑體的溫度就稱為該物體在波長為λ下的亮度溫度。確切知道被測物體的真實(shí)溫度就必須要對(duì)測量結(jié)果加以修正，物體的亮度溫度與真實(shí)溫度的關(guān)系可由下式求得。修正公式：式中：=0.65μm（有效波長）：亮度溫度（即儀表示值），K。：黑度系數(shù)（物體在波長下的發(fā)射率）：普朗克第二輻射常數(shù)=1.4388X10-2(m.k):被測物體的真實(shí)溫度。

2.中間介質(zhì)的影響：在實(shí)際使用中，如果光學(xué)高溫計(jì)和被測物體之間有灰塵、煙霧或二氧化碳等氣體時(shí)，則這些中間介質(zhì)對(duì)熱輻射會(huì)有吸收作用，從而給測量結(jié)果帶來誤差。灰塵、煙霧、二氧化碳等氣體，對(duì)熱輻射有吸收作用，測距應(yīng)在1～2m之內(nèi)。

3.對(duì)表面狀況易變的物體測量：在實(shí)際應(yīng)用中，常常會(huì)遇到一些表面狀況經(jīng)常變化的被測對(duì)象，至使它們的黑度系數(shù)會(huì)在測量過程中是不穩(wěn)定的，測量誤差會(huì)很大。4.光學(xué)高溫計(jì)不易在反射光很強(qiáng)的場合使用。光學(xué)高溫計(jì)的特點(diǎn)光學(xué)高溫計(jì)可以測量800～3200℃的高溫，基準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)在所有輻射溫度計(jì)中精度最高，在1000～1400℃測量不超過±1℃，用作國家基準(zhǔn)溫度計(jì)，復(fù)現(xiàn)黃金凝固點(diǎn)溫度；標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)用于溫度量值的傳遞，精密光學(xué)高溫計(jì)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精密測試；工業(yè)光學(xué)高溫計(jì)精度較低，在800～2000℃范圍內(nèi)測量誤差一般為±（14～20）℃。

光電溫度計(jì)圖3-38光電溫度計(jì)工作原理1—物鏡；2—同步信號(hào)發(fā)生器；3—調(diào)制鏡；4—微電機(jī)；5—反光鏡；6—聚光燈；7—參比燈；8—光電檢測元件自動(dòng)調(diào)整平衡亮度并能連續(xù)測溫的光電溫度計(jì)光電溫度計(jì)與光學(xué)高溫計(jì)相比，避免了人工誤差、靈敏度高、響應(yīng)快（一般1.5s～5s）；設(shè)計(jì)了手動(dòng)值修正，可以檢測物體的實(shí)際溫度；改變光電檢測元件的種類，可以改變使用的波長或波段，以適用于可見光或紅外光；測溫范圍一般為200～1600℃，有的可達(dá)200～3200℃（分段檢測），測溫誤差一般在±1%～1.5%。3.5.3全輻射溫度計(jì)及比色溫度計(jì)1.全輻射溫度計(jì)全輻射溫度計(jì)根據(jù)全輻射強(qiáng)度定律，可以通過檢測物體（輻射源）的全輻射出射度，依據(jù)黑體全輻射出射度與溫度四次方成正比的關(guān)系，測得物體的輻射溫度，通過物體全輻射發(fā)射率（即全輻射黑度系數(shù)）進(jìn)行修正，得到物體的實(shí)際溫度。全輻射溫度計(jì)由全輻射溫度傳感器和顯示儀表組成。圖3-39全輻射溫度傳感器1—透鏡；2—補(bǔ)償光圈；3—銅殼；4—玻璃泡；5—熱電堆；6—靶心；7—吸收玻璃；8—目鏡；9—小孔圖3-40星形熱電偶堆1—云母環(huán)；2—靶心；3—熱電偶；4—引出線全輻射高溫計(jì)的使用及需注意的問題

①使用輻射高溫計(jì)在使用中一般都是將高溫計(jì)安裝在現(xiàn)場，一般為了避免現(xiàn)場的灰塵、煙氣以及水汽進(jìn)入儀表，大都在儀表的透鏡前加裝保護(hù)窗，窗口材料大都采用石英玻璃，但應(yīng)注意，加上保護(hù)窗后會(huì)使輻射能透過受一定影響，從而給測量結(jié)果帶來誤差，為了減小誤差，一般校驗(yàn)分度時(shí)應(yīng)帶上窗口。為了使儀表在一定溫度范圍內(nèi)具有統(tǒng)一的分度值，也就是說，為了提高儀表的復(fù)制性，一般在儀表透鏡和熱電堆之間的光欄都是可調(diào)的。儀表在出廠前校驗(yàn)分度值時(shí)，大都通過調(diào)整光欄的位置來調(diào)整照射到熱電堆上的輻射能量，從而達(dá)到使產(chǎn)品具有統(tǒng)一分度數(shù)值的目的。當(dāng)然在實(shí)際使用中，在校驗(yàn)刻度分度時(shí)，用戶也常?？捎寐莸墩{(diào)整光檢，以消除儀表的系統(tǒng)誤差。②注意：?。﹥x表的環(huán)境溫度不宜超過100℃。在儀表使用中還有一個(gè)必須注意的問題是：全輻射高溫計(jì)的儀表刻度都是按被測物體是絕對(duì)黑體來標(biāo)定的。也就是說儀表都是以黑體為標(biāo)準(zhǔn)體，并按黑體的溫度來分度儀表，但在實(shí)際中被測體大都不是黑體，而是灰體或選擇體，所以它們的全波長發(fā)射率均小于1。ⅱ）因?yàn)閷?shí)際被測物體的全波長發(fā)射率

因此在用輻射高溫計(jì)測量實(shí)際物體時(shí)，溫度計(jì)所指示的實(shí)際是黑體在該輻射能量下的溫度Tp,而不是真正的被測物體的溫度T,這一點(diǎn)是我們使用者必須要注意的，我們稱Tp為輻射溫度。因?yàn)閷?shí)測中總有：

,

即

在實(shí)際應(yīng)用中，我們可根據(jù)具體情況對(duì)儀表示值進(jìn)行校正。當(dāng)然為了避免經(jīng)常校正讀數(shù)這一麻煩，在使用中應(yīng)最好用高溫計(jì)測量接近黑體性質(zhì)的物體，或者盡量創(chuàng)造近似黑體的環(huán)境，例如在測量熔爐或鍋爐燃燒室內(nèi)部的溫度時(shí)，為了使被測環(huán)境具有足夠的黑度，一般全輻射高溫計(jì)通常都是緊對(duì)著爐膛內(nèi)壁，或用耐熱不銹鋼管將爐膛內(nèi)的輻射能引出來，而將輻射高溫計(jì)緊貼不銹鋼管的底部安裝，當(dāng)然管子插入爐膛被測介質(zhì)的深度和它的內(nèi)徑之比，一般不應(yīng)小于10才能保證足夠的黑度。全輻射溫度計(jì)的特點(diǎn)全輻射溫度計(jì)接受的輻射能量大，利于提高靈敏度；儀表的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單，使用方便；易受環(huán)境干擾，測溫距離一般在1～1.5m（反射式）和1～2m（透鏡式）；測溫范圍在400～2000℃，為了適應(yīng)高溫環(huán)境要求可在傳感器外部加裝水冷夾套；不宜精確測量，多用于中小型爐窯的溫度監(jiān)測，時(shí)間常數(shù)在4～20s之間。輻射高溫計(jì)紅外線輻射溫度計(jì)外形

激光僅用于瞄準(zhǔn)紅外線輻射溫度計(jì)外形紅外線輻射溫度計(jì)用于食品溫度測量紅外線輻射溫度計(jì)

在非接觸體溫測量中的應(yīng)用耳溫儀紅外線輻射溫度計(jì)用于人體額溫測量紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測量中的應(yīng)用集成IC溫度測量紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（冷藏牛奶和面食）紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（電