輻射測溫儀表

1、輻射測溫儀表1001石化 傅紹鵬 1001320112輻射式測溫是一種非接觸式溫度測量，通過光的輻射來測量物體的溫度。物體在受熱后有一部分的能量轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，溫度越高，則輻射到周圍空間的能量就越多。輻射能以波動(dòng)的形式表現(xiàn)出來，其波長的范圍極廣，從短波、X光、紫外光、可見光、紅外光一直到電磁波。在溫度測量中常用的是可見光和紅外光。輻射式測溫度時(shí)感溫元件與被測物質(zhì)互不接觸，不會(huì)破壞北側(cè)的溫度場，可實(shí)現(xiàn)遙測；測溫元件可以和被測對(duì)象具有不同的溫度，因此可以測量高溫物體的溫度。輻射式溫度測量儀表的溫度范圍極廣，可達(dá)到-506000。但是，這種方法的精度較低，應(yīng)用技術(shù)較復(fù)雜。輻射測溫儀表主要由光學(xué)系統(tǒng)、檢

2、測元件、轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)處理電路等部分組成，光學(xué)系統(tǒng)包括瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、透鏡和濾光片等，它把物體的輻射能通過透鏡聚焦到檢測元件上，再通過轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)處理電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、輻射率修正和標(biāo)度變換等，輸出被測溫度對(duì)應(yīng)的信號(hào)。輻射式測溫的常用方法有亮度法、全輻射法、比色法和多色法等。輻射測溫儀表有全輻射高溫計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)、光電高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、紅外探測器、紅外測溫儀、紅外熱像儀等。全輻射溫度計(jì)的工作原理如圖它是由輻射感溫器、顯示裝置及輔助裝置組成，被測物體熱輻射的能量，由物鏡集中到電熱堆上，并由它轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)輸出，其值與被測物體的表面溫度成正比，在顯示裝置上進(jìn)行指示記錄。圖2-13中補(bǔ)償光欄4由雙金

3、屬片控制，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)送變化時(shí)，光欄相應(yīng)調(diào)節(jié)照射在熱電堆上的熱輻射能量，以補(bǔ)償因溫度變化影響熱電勢(shì)數(shù)值而引起的誤差。熱電堆由一組微細(xì)的熱電偶串聯(lián)而成。絕對(duì)黑體的熱輻射能量與溫度之間的關(guān)系為E0=T4（W/m）但所有物體的全發(fā)射率T均小于1，則其輻射能量與溫度的關(guān)系表示為E0=T4（W/m）全輻射溫度計(jì)選擇黑體作為標(biāo)準(zhǔn)體來分度儀表，此時(shí)所測的是物體的輻射溫度，即相當(dāng)于黑體的某一溫度TP。在輻射感溫器的工作頻譜內(nèi)，當(dāng)表面溫度為TP的黑體的積分輻射能量和表面溫度為T的物體之積分輻射能量相等時(shí)，即T4=T4則物體的真實(shí)溫度為 T=TP因此，當(dāng)已知物體的全發(fā)射能量T和輻射溫度計(jì)指示的輻射溫度TP時(shí)，就可

4、計(jì)算出被測物體的真實(shí)溫度。介質(zhì)吸收將造成測量誤差，因此，要求傳感器與被測物體距離不宜太大，以不超過1m為宜。為減小物體黑度對(duì)測量造成的誤差，在實(shí)際測量中常加裝黑度系數(shù)較高的窺視管。由此可見全輻射溫度計(jì)不宜進(jìn)行精確測量，多用于中小型爐窯的溫度監(jiān)視。該溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、使用方便，時(shí)間常數(shù)約為420s。光學(xué)輻射式溫度計(jì)的工作原理如圖單色輻射光學(xué)溫度計(jì)的一種典型結(jié)構(gòu)是隱形式光學(xué)溫度計(jì)。溫度計(jì)的核心是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度燈，利用被測對(duì)象單色輻射亮度與這個(gè)可調(diào)電流的溫度燈的亮度進(jìn)行比較。溫度計(jì)鎢絲燈作為亮度比較的標(biāo)準(zhǔn)，其燈絲亮度，加熱電流與溫度的關(guān)系已知，因此，可以用電流表示亮度進(jìn)而表示溫度。如圖

5、所示兩者亮度對(duì)比的三種情況，當(dāng)兩者的亮度相同時(shí)，燈絲的輪廓就隱沒于被測物體的影像中。此時(shí)電表所測的電流值就是被測物體亮度溫度的讀數(shù)。物體在高溫狀態(tài)下會(huì)發(fā)光，當(dāng)溫度高于700度時(shí)就會(huì)明顯發(fā)出可見光。物體在波長下的亮度L下和它的輻射出射度M成正比。即 L=CM 式中C是比例常數(shù)根據(jù)維恩公式，絕對(duì)黑體在波長的亮度Lb與溫度Ts的關(guān)系為 Lb=CC1-5e-C2/(Ts)實(shí)際物體在波長的亮度L與溫度的關(guān)系為 L=CC1-5e-C2/(T)對(duì)這類溫度計(jì)做了如下規(guī)定：單色輻射光學(xué)溫度計(jì)的刻度按絕對(duì)黑體（=1）進(jìn)行。用這種刻度的溫度計(jì)去測實(shí)際物體（1）的溫度，所得的溫度示值稱為被測物體的亮度溫度。亮度溫度的

6、定義是：在波長為的單色輻射中，若物體在溫度T時(shí)的亮度L和絕對(duì)黑體在溫度Ts時(shí)亮度Lb相等，則把絕對(duì)黑體溫度Ts稱為被測物體在波長時(shí)的亮度溫度。就此定義根據(jù)以上兩個(gè)公式，可推導(dǎo)出被測物體實(shí)際溫度T和亮度溫度Ts之間的關(guān)系式為由上面的式子看出，因?yàn)榭偸切∮?，所以測得的亮度溫度總是低于實(shí)際溫度。比色溫度計(jì)光學(xué)溫度計(jì)和全輻射溫度計(jì)是目前廣泛應(yīng)用的非接觸測溫儀表，它們的共同缺點(diǎn)是受實(shí)際物體黑度影響和輻射途徑上各種介質(zhì)的選擇性吸收輻射能影響，比色溫度計(jì)較好的解決這個(gè)問題。它也是利用物體的單色輻射現(xiàn)象來測溫的，不過它是利用同一被測體的兩個(gè)輻射波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化的特性作為測溫原理的。原理如圖

7、所示這是一種自動(dòng)光電比色溫度計(jì)，采用透鏡聚集輻射的單通道光路系統(tǒng)。光電檢測器交替接受經(jīng)由調(diào)制盤來的波長1和2的單色輻射，向比值運(yùn)算器輸入信號(hào)，經(jīng)比較運(yùn)算后輸至顯示儀表。目鏡通過反射鏡接受平行平面玻璃反射來的一小部分輻射，以便瞄準(zhǔn)目標(biāo)和調(diào)整成像的大小。這種系統(tǒng)由于采用一個(gè)光電元件，所以光電變化比較穩(wěn)定。這類單通道比色溫度計(jì)的測溫范圍為9001200，儀表基本誤差為±1%，如果采用硫化鉛光電池代替硅光電池作為檢測器，則測溫下限可到400。以上的是高溫，但是在700以下時(shí)，就不是可見光了，而是紅外輻射了，需要紅外探測儀來檢測。紅外測溫儀同樣分為全輻射、單色型和比色型等。這類儀表的典型系統(tǒng)框

8、圖如下：1、 光學(xué)接收器。它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器，相當(dāng)于雷達(dá)顯示信號(hào)處理紅外探測器輻射調(diào)制器光學(xué)接收器目標(biāo)2、 天線，常用的是物鏡。3、 輻射調(diào)制器。對(duì)來自目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)的方位信息，并可過濾掉大面積的背景干擾信息。4、 紅外探測器。它是利用紅外輻射與物質(zhì)互相作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)的電學(xué)效應(yīng)，因此，探測器輸出一般為電信號(hào)。5、 信號(hào)處理系統(tǒng)。接收探測器輸出的低電平信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號(hào)中提取所需信息。然后將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成所要求的形式，最后輸出到顯示器。6、 顯示裝置。是紅外檢測系統(tǒng)的終端設(shè)備

9、。常用的顯示器有指示儀表和記錄儀等。下面主要介紹紅光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器。（1） 紅外光學(xué)系統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng)包括物鏡和一些輔助光學(xué)元件。此系統(tǒng)既收集并接收紅外目標(biāo)的能量，同時(shí)因紅外探測器的光敏面積小，直接接收紅外輻射的立體角很小，所以需要設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)來最大限度地提高紅外測溫儀的探測靈敏度。 透鏡可以是透射式的，也可以是反射式的。透射式光學(xué)部件透鏡在700以上主要波段在0.763m的近紅外區(qū)時(shí)，可用一般光學(xué)玻璃和石英等材料；100700主要波段在35m的紅外區(qū)，多采用氟化鎂、氧化鎂等熱壓光學(xué)材料；測量低于100的波段主要在514m的中、遠(yuǎn)紅外波段，多采用鍺、硅、熱壓氧化鋅等材料。一般鏡片表面要蒸鍍紅

10、外增透層，一方面濾掉不需要的波段；另一方面增大有用波段的透射率。反射式光學(xué)系統(tǒng)多用凹面玻璃反射鏡，表面鍍金、鋁、鎳等對(duì)紅外輻射率很高的材料。（2） 紅外探測器這是紅外測溫系統(tǒng)的核心，按探測機(jī)理不同，分熱探測器和光子探測器兩大類。熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探測器某一性能依賴于溫度而變化，監(jiān)測這個(gè)性能變化便可探測出輻射能，多數(shù)情況下是通過熱電變換來探測輻射的。按器件工作溫度，熱探測器可分為室溫探測器和低溫探測器。主要室溫探測器有釋電探測器、熱敏電阻紅外探測器、熱電堆紅外探測器等。其中，以熱釋電探測器最為突出。其響應(yīng)時(shí)間短、探測率最高、頻率響應(yīng)最寬等優(yōu)點(diǎn)。但

11、是，與光子探測器相比，探測率比光子探測器的峰值探測率低，響應(yīng)速度也慢得多。光子探測器是利用入射光的光子流與探測器材料中電子相互作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起的各種電學(xué)現(xiàn)象稱為光子效應(yīng)。對(duì)探測器的基本要求：響應(yīng)率高、噪聲低和響應(yīng)速度快。目前紅外光子探測器類型有：光電導(dǎo)探測器、光伏探測器、光電磁探探測器和紅外場效應(yīng)探測器等，以上器件均為半導(dǎo)體材料。目前使用最廣泛的是本征光電導(dǎo)探測器、PN結(jié)光伏探測器。近年來，不僅新型紅外材料和新型器件發(fā)展很快，而且紅外探測陣列也發(fā)展很快。隨著制造工藝的改進(jìn)，集成度越來越高，現(xiàn)已研制出數(shù)千單元的陣列探測器。如紅外CCD及掃描式器件也受到普遍的重視，并迅速發(fā)展。紅

12、外熱像儀是按普朗克定律以黑體為參考，利用紅外成像原理來測量物體表面的溫度分布。也就是說，它攝取來自被測物體各部分射向儀器的紅外輻射通量的分布，由紅外探測器直接測量物體各部分發(fā)射出的紅外輻射，綜合起來就得到物體發(fā)射紅外輻射通量的分布圖像，稱為熱象圖。熱像儀系統(tǒng)的基本構(gòu)成如下圖參考黑體視頻處理視頻前置放大探測器光學(xué)匯聚、濾光目標(biāo)視頻監(jiān)視和記錄目標(biāo)的輻射圖形經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚和濾光，聚焦在焦平面上，焦平面上安置有紅外探測器件，入射紅外輻射使探測器產(chǎn)生響應(yīng)，一般來說，探測器會(huì)輸出與紅外輻射能量成正比的電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大、出爐后，由視頻顯示器實(shí)現(xiàn)熱像顯示和溫度測量。熱像儀光學(xué)系統(tǒng)的透鏡視場角可按照被測目

13、標(biāo)源的大小和距離做不同的選擇。而透鏡尺寸直接影響熱像儀的系統(tǒng)靈敏度。孔徑增加，靈敏度也增加；如再把視場也加大，就能獲得更多的的像素，可給出較高的溫度分辨率。對(duì)于目標(biāo)物來講，很重要的是在限定光譜范圍內(nèi)進(jìn)行紅外輻射測量。此時(shí)，只能通過濾光片實(shí)現(xiàn)，如高溫頻譜濾片可以測量的溫度達(dá)2000；太陽光頻譜濾片可濾除陽光輻射干擾；CO2頻譜濾片則可用來測量CO2頻譜吸收帶內(nèi)溫度等。熱像儀的焦面成像系統(tǒng)是它的重要構(gòu)成部件。由于在焦面平面上采取了不同 形式的探測器件，現(xiàn)常采用光學(xué)掃描成像方式和凝視焦平面成像兩類方式。1、 光學(xué)掃描成像方式。基本原理如圖所示參考黑體掃描同步制冷器視頻監(jiān)視與記錄視頻前置放大探測器光學(xué)機(jī)械掃描裝置光學(xué)匯聚與濾光系統(tǒng)目標(biāo)該系統(tǒng)中在物鏡成像的聚焦點(diǎn)上安置了單個(gè)探測器，它可以直接接收目標(biāo)的一堆紅外輻射能量，而不能直接把二維圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)輸出。所以，就在光學(xué)會(huì)聚系統(tǒng)和這個(gè)探測器之間加上一套光學(xué)機(jī)械掃描裝置。這個(gè)掃描裝置有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)掃描反射鏡組成，一個(gè)垂直掃描，另一個(gè)作水平掃描。如圖所示2、 凝視焦平面成像方式。主要采用焦平面陣列技術(shù)。在物鏡成像焦平面上具有上千個(gè)單元紅外探測器一個(gè)單