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依據物體光譜輻出度或輻射亮度和其溫度T的關系，可以測出物體的溫度。工程上，直接測定物體光譜輻出度比較困難，而測定物體的輻射亮度，則相對容易得多。故目前國內外使用的光譜輻射溫度計都是根據被測物體的光譜輻射亮度來確定物體溫度的。我國目前生產的光譜輻射溫度計有光學高溫計、光電高溫計及硅輻射溫度計等。 1．光學高溫計 光學高溫計是發展最早、應用最廣的非接觸式溫度計。它結構較簡單，使用方便，適用于1 000K～3 500 K范圍的溫度測量，其精度通常為1.0級和1.5級，可滿足一般工業測量的精度要求。它被廣泛用于高溫熔體、高溫窯爐的溫度測量。 值得指出的是，由于各物體的光譜發射率ελ不同，即使它們的光譜輻射亮度相同，其實際溫度也不會相等；光譜發射率大的物體的溫度比光譜發射率小的物體的溫度低。因此物體的光譜發射率和光譜輻射亮度是確定物體溫度的兩個決定因素，如果同時考慮這兩個因素將給光學高溫計的溫度刻劃帶來很大困難。因此，現在光學高溫計均是統一按絕對黑體來進行溫度刻劃。用光學高溫計測量被測物體的溫度時，讀出的數值將不是該物體的實際溫度，而是這個物體此時相當于絕對黑體的溫度，即所謂的“亮度溫度”。 亮度溫度的定義是：在波長為λ、溫度為T時，某物體的輻射亮度L與溫度為TL的絕對黑體的亮度L0λ相等，則稱TL為這個物體在波長為λ時的亮度溫度。其數學表達式為
式中，ε（λ，T）為實際物體在溫度為T、波長為λ時的光譜發射率；T為實際物體的真實溫度，單位為K；TL為黑體溫度，也即實際物體的亮度溫度，單位為K。 在常用溫度和波長范圍內，通常用維恩公式來近似表示光譜輻射亮度，這時上式成為
兩邊取對數，整理后得
亮度溫度的定義，光學高溫計是在波長為A的單色波長下獲得的亮度。這樣，物體的真實溫度為
對于真實物體總是有ελ<1，故測得的亮度溫度總比物體的實際溫度為低，即TL<T。 目前，國內工業用光學高溫計都采用紅色單色光，有效波長為0.66±0.01／μm；與我國溫度量值傳遞系統規定的基準光學高溫計的有效波長一致�；鶞使鈱W高溫計是國際溫標（ITS-90）規定溫度在銀點（961.78℃）以上的標準儀器。 光學高溫計通常采用0.66±0.01μm的單一波長，將物體的光譜輻射亮度Ｌλ和標準光源的光譜輻射亮度進行比較，確定待測物體的溫度。光學高溫計有三種形式；燈絲隱滅式光學高溫計、恒定亮度式光學高溫計和光電亮度式光學高溫計。 燈絲隱滅式光學高溫計是由人眼對熱輻射體和高溫計燈泡在單一波長附近的光譜范圍的輻射亮度進行判斷，調節燈泡的亮度使其在背景中隱滅或消失而實現溫度測量的。此種隱絲式光學高溫計又稱目視光學高溫計或簡稱光學高溫計，國產WGGZ型光學高溫計就是此類高溫計。 WGGZ型光學高溫計的原理示意圖如圖1所示。
圖1 WGGZ型光學高溫計原理不意圖 物鏡1和目鏡4可前后移動，調節物鏡使物體的像落在燈泡3內的燈絲平面上，調節目鏡4，使燈絲和物體的像能清晰地看到，然后邊比較兩者的亮度，邊慢慢調節滑動電位器的觸點位置，改變流過燈絲的電流，使燈泡燈絲的亮度作相應的改變。當被測物體的亮度大于燈絲亮度時，燈絲在背景（對應于被測物體亮度）上呈現暗絲（背景比燈絲亮）；當被測物體的亮度小于燈絲的亮度時，則燈絲在背景中呈亮絲（背景比燈絲暗）；逐漸調節滑動電位器，使燈絲亮度和背景亮度達到一致，此時，燈絲便隱沒在背景中；表頭6這時指示出（由滑動電位器位置所決定）被測物體的亮度溫度。得到了被測物體的亮度溫度，再根據該物體的光譜發射率，便可獲得該物體的真實溫度。 圖1中的2是灰色吸收玻璃，其作用是擴大光學高溫計的量程。燈絲在其亮度溫度超過1 400℃時，將由于燈絲易過熱發生氧化進而使燈絲的電阻發生改變，致使電流與亮度溫度關系偏離原標定值；同時1 400℃以上的高溫，使燈泡的金屬絲要升華，將在玻璃泡上沉積形成灰暗的薄膜，改變原亮度特性而帶來測量誤差。因此，當測量高于1 400℃的亮度溫度時，在物鏡與燈泡之間安裝吸收率為常量的灰色吸收玻璃，以減弱被測熱源的輻射亮度。測量時，用已經減弱了的熱源亮度和燈絲亮度進行比較，就可以使原最高亮度溫度為1 400℃的鎢絲燈，用于測量更高的溫度。 光學高溫計通常有兩個刻度，一個是不加灰色吸收玻璃的刻度，其范圍為800～1 400℃；另一個是加灰色吸收玻璃的刻度。為能測量更高的溫度，有的光學高溫計在物鏡前再加一塊吸收玻璃，以進一步減弱被測物體輻射亮度；這樣可使光學高溫計測量亮度溫度高達3 200℃的物體溫度。無論采用何種形式，光學高溫計鎢絲本身最高溫度均不可超過1400℃。 圖1中的5通常采用紅色濾光片，它的作用是濾除人眼不敏感的光譜段，僅讓中心光譜波長為A＝0.66 ym的窄波段通過。此工作光譜段愈窄效果愈好。對于工業用光學高溫計，光譜范圍在0.62～0.7肚m范圍所造成的誤差可忽略不計。 2．光電高溫計 光學高溫計雖然有結構相對較簡單，靈敏度高，測量范圍廣，使用方便等優點，但是光學高溫計在測量物體的溫度時，由于要靠手動調節燈絲的亮度，由眼睛判別燈絲的“隱滅”，故觀察誤差較大，也無法實現自動檢測和記錄。由于科技不斷發展進步，依據光學高溫計原理制造出來的光電高溫計正在迅速替代光學高溫計而廣泛用于工業高溫測量中。 光電高溫計克服了光學高溫計的主要缺點，它采用硅光電池作為儀表的光敏元件，代替人眼睛感受被測物體輻射亮度的變化，并將此亮度信號按比例轉換成電信號，經濾波放大后送檢測系統進行后續轉換處理，最后顯示出被測物體的亮度溫度。圖2是國產WDL型光電高溫計的工作原理示意圖。
（a）構造原理圖 �。╞）調制器構造圖 圖2 光電高溫計工作原理示意圖 測量時，從被測物體17的表面發生的輻射能由物鏡l聚焦后。經光闌2和遮光板6上的孔3，透過裝于板6內的紅色濾光片，射到硅光電池4上，反饋燈15 發出的輻射能通過遮光板上的孔5和紅色濾光片也照射到硅光電池4上。在遮光板6的前面裝有每秒鐘振動50次的光調制器7，它交替地打開和遮住孔3和孔5，使被測物體的輻射能和反饋燈的輻射能交替地照射到硅光電池4上。當兩個能量不相等時，硅光電池將產生一個與兩個輻射亮度差成正比的脈沖光電流，經前置放大器l3放大后，再送由倒相器、差動相敏放大器和功率放大器組成的主放大器14作進一步放大后，輸出驅動反饋燈15；反饋燈l5的輻射能隨著驅動電流的改變而相應變化。以上過程一直持續到被測物體和反射燈照射到硅光電池上的輻射能相等為止。這時硅光電池4的脈沖光電流接近于零，而流經反饋燈電流數值的大小就代表了被測物體的亮度溫度。此電流值轉換成電壓后由電位差計l6自動指示和記錄被測物體的亮度溫度。圖2中的透鏡l0、反射鏡11和觀察孔l2組成了一個人工觀察瞄準系統，其作用是使光電高溫計得以對準被測物體。 光電高溫計與光學高溫計相比，主要優點有： �、凫`敏度高 光學高溫計在金點的靈敏度最佳值為0.5℃，而光電高溫計卻能達到0.005℃，較光學高溫計提高兩個數量級； �、诰_度高 采用干涉濾光片或單色儀后，使儀器的單色性能更好，因此，延伸點的不確定度明顯降低，在2 000 K為0.25℃，至少比光學高溫計提高一個數量級； �、凼褂貌ㄩL范圍不受限制 使用波長范圍不受人眼睛光譜敏感度的限制，可見光與紅外光范圍均可應用，其測溫下限可向低溫擴展； �、芄怆娞綔y器的響應時間短 光電倍增管可在10-6s內響應，響應時間很短； �、荼阌谧詣訙y量與控制 可自動記錄或遠距離傳送。 光電高溫計由于目前的硅光電池和反饋燈等光電器件的特性離散性大，故光電器件的互換性差，所以在使用、維修時若要更換硅光電池和反饋燈，就必須對整個儀表重新進行調整和標定（刻度）。工業用光電高溫計精度等級仍為1.0級和l.5級兩種。 3．輻射溫度計 輻射溫度計是根據全輻射定律，基于被測物體的輻射熱效應進行工作的。它通常由輻射敏感元件、光學系統、顯示儀表及輔助裝置等幾大部分組成。輻射溫度計是最古老、最簡單、較常用的非接觸式高溫檢測儀表，過去習慣稱之為全輻射溫度計。雖然此種儀器有能聚集被測物體輻射能于敏感元件的光學系統，但實際上任何實際的光學系統都不可能全部透過或全部反射所有波長范圍的全部輻射能，所以把它直接稱之為輻射溫度計，似乎更合理一些。 輻射溫度計與光學高溫計一樣是按絕對黑體進行溫度分度的，因此用它測量非絕對黑體的具體物體溫度時，儀表上的溫度指示值將不是該物體的真實溫度，我們稱該溫度為此被測物體的輻射溫度。由此，我們可以給輻射溫度定義為：黑體的總輻射能量等于被測非黑體的總輻射溫度。其數學表達式為
表1 一些材料在給定溫度范圍內的全發射率�。�點擊下圖）
亦即
式中，T為被測物體的真實溫度；TF被測物體的輻射溫度；εT為被測物體的全發射率。 由于0<εT<1，所以，輻射溫度εT總要低于物體的真實溫度，現將一些常用材料在給定溫度范圍內的全發射率列于表1中，供參考。 值得注意的是，εT與光譜發射率ελ一樣，涉及的因素很多，它隨物體的化學成分、表面狀態、溫度及輻射條件的不同而改變。例如金屬鎳，在1000～1 400℃范圍內，<εT＝0.056～0.069；在類似溫度范圍內氧化鎳的<εT卻為0．54～0.87，大致相差一個數量級。又如磨光的鉑在260～538℃范圍內，<εT＝0.06～0.10；而在完全相同的溫度范圍內，鉑黑的高達0.96～0.97。由此可見，被測物體的化學成分或表面狀態的差異，均可能造成<εT的很大變化。 輻射溫度計的敏感元件，分光電型與熱敏型兩大類 �。�1）光電型 常用的有光電倍增管、硅光電池、鍺光電二極管等。這類敏感元件的特點是響應速度極快，而同類元件光電特性曲線一致性不是很好，故互換性較差。 �。�2）熱敏型 常用的有熱敏電阻、熱電堆（由熱電偶串聯組成）等。這類敏感元件的特點是對響應波長無選擇性，靈敏度高，同類元件的熱電特性曲線一致性好，響應時間常數較大，通常為0.01～1S。 輻射高溫計光學系統的作用是聚集被測物體的輻射能。其形式有透射型和反射型兩大類。光學系統中的物鏡通常為平凸形透鏡。透鏡的材料選用取決于溫度計測溫范圍。測溫范圍為400～1 200℃時，應選石英玻璃材料（它可透過0.3～0.4μm的光譜段）；當測溫范圍為700～2 000℃時，透鏡材料應選用K-9 型光學玻璃（透過光譜段為0.3～2.7／μm）。所以測量范圍不同的輻射溫度計的物透鏡材料是不同的。圖3是采用熱電堆作敏感元件的輻射溫度計結構示意圖。 輻射高溫計的測量儀表按顯示方式可分為自動平衡式、動圈式和數字式三類。它們均包括測量電路、顯示驅動電路、指示器；數字式測量儀表還包括模擬／數字轉換電路。自動平衡式測量儀表需有平衡驅動的執行器，如小型步進電機。 輻射高溫計的輔助裝置主要包括水冷卻和煙塵防護裝置。與光學高溫計相比較，輻射高溫計的測量誤差要大一些。其原因是被測物體的光譜發射率e。比其全輻射發射率<εT，穩定、準確。另外在λ＝0.66μm時，光譜輻射能的增加量比全輻射能的增加量大得多，故光學高溫計的靈敏度高。鑒于以上原因，輻射高溫計在使用上遠不及光學高溫計普遍，并有進一步被淘汰的趨勢。
圖3 全輻射高溫計的構造不意圖 |
典型測控系統組成
標度變換
數字濾波方法
測量數據預處理技術
計算機控制系統組成
氣體流量標準裝置電工學習網 ( )
GMT+8, 2021-12-6 20:43
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