第七章-非接觸測溫方法和儀表課件

第七章非接觸測溫方法和儀表第七章1第七章非接觸式溫度檢測儀表敏感元件不需要與被測介質(zhì)接觸，稱非接觸測溫方法。

高溫測量中應(yīng)用最廣泛，主要應(yīng)用行業(yè)為冶金、鑄造、熱處理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中。 任何物體處于絕對零度以上時，都會以一定波長電磁波的形式向外輻射能量。非接觸式溫度儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。 測量時，只需把溫度計光學(xué)接收系統(tǒng)對準(zhǔn)被測物體，而不必與物體接觸，因此可以測量運動物體的溫度并不會破壞物體的溫度場。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達(dá)到被測物體的實際溫度，從理論上講，它沒有上限，可以測量高溫。第七章非接觸式溫度檢測儀表敏感元件不需要2優(yōu)點：儀表不破壞被測介質(zhì)的溫度場。敏感元件不必和被測介質(zhì)達(dá)到平衡，儀表滯后小。理論上儀表測溫上限不受限制。敏感元件不必與被測介質(zhì)達(dá)到同樣溫度值，因此測溫部件不被高溫破壞。輸出信號大，靈敏度高，準(zhǔn)確度高第七章-非接觸測溫方法和儀表ppt課件3第一節(jié)輻射測溫基本原理

在低溫時，物體輻射能量很小，主要發(fā)射的是紅外線。隨著溫度的升高，輻射能量急劇增加，輻射光譜也向短的方向移動，在5000℃左右時。輻射光譜包括了部分可見光；到8000℃時可見光大大增加，即呈現(xiàn)“紅熱”；如果到30000℃時，輻射光譜包括更多的短波成分，使得物體呈現(xiàn)“白熱”。

輻射測溫的基本原理：觀察灼熱物體表面的“顏色”來大致判斷物體的溫度。第七章-非接觸測溫方法和儀表ppt課件4輻射能的分配當(dāng)物體接受到輻射能量以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會發(fā)生部分能量吸收、透射和反射α―吸收率；τ―透射率；ρ―反射率。輻射能的分配當(dāng)物體接受到輻射能量以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會5物體分類：

黑體（絕對黑體）： 照射到物體上的輻射能全部被吸收，既無反射也無透射。

透明體： 照射到物體上的輻射能全部透射過去，既無吸收又無反射。

鏡體、白體： 照射到物體上的輻射能全部反射出去。若物體表現(xiàn)平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱之為“鏡體”；若反射無一定規(guī)律，則該物體稱為“絕對白體”或者簡稱為“白體”。物體分類： 黑體（絕對黑體）：6第一節(jié)輻射測溫基本原理

一、熱輻射測溫的基本定律1、普朗克定律（單色輻射強(qiáng)度定律）輻射出射度M：離開輻射源表面一點處的面單元上的輻射能量除以該單元面積，稱為該點的輻射出射度，單位為瓦/米2(W/m2)。全幅射體的光譜輻射出射度M0λ（單位：w/m3）與波長λ和溫度T關(guān)系為波長；c1=3.7413*10-16(w.m2)第一輻射常數(shù)為普朗克第c2=1.4388*10-2(m.K)，第二輻射常數(shù)2、使用條件：溫度低于3000K，波長較短的可見光范圍內(nèi)，用維恩公式代替普朗克定律，誤差不超過1%維恩公式第一節(jié)輻射測溫基本原理

一、熱輻射測溫的基本定律維恩公式73、斯忒藩－波爾茲曼定律（全輻射強(qiáng)度定律，也稱為四次方定律）1）M0與M0λ的關(guān)系M0是波長從0∞之間全部光譜輻射出射度的總和2）M0的公式（斯忒潘—玻耳茲曼定律:)

物體的總的輻射出射度與溫度的四次方成正比

σ斯忒藩－波爾茲曼常數(shù),5.67032*10-8W/(m2.K4)

上式就是輻射式溫度計測溫的理論根據(jù)。全輻射強(qiáng)度定律是單色輻射強(qiáng)度定律在全波長內(nèi)積分的結(jié)果。3、斯忒藩－波爾茲曼定律（全輻射強(qiáng)度定律，也稱為四次方定律）8由于實際物體不是全輻射體，所以需修正：1）光譜輻射出射度Mλ（普朗克定律）：

2）維恩公式3）斯忒潘—玻耳茲曼定律發(fā)射率ε：實際物體輻射出射度和同一溫度下全輻射體的輻射出射度之比，注意：光譜發(fā)射率ελ和發(fā)射率ε，其值在0-1之間,都不是常數(shù),用實驗的方法測定。ε與溫度、該物體的特性和表面情況有關(guān)，ελ則按基爾霍夫定律還與有關(guān)。由于實際物體不是全輻射體，所以需修正：9二、輻射測溫的常用方法1、亮度測溫定義：測出物體在某一波段上的輻射亮度，確定被測物體的溫度。使用濾光片優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、靈敏度高、抗干擾。缺點：有一定偏差2、全輻射測溫定義：測出物體在整個波長范圍內(nèi)的輻射能量，確定被測物體的輻射溫度。斯忒潘—玻耳茲曼定律（四次方定律）優(yōu)點：靈敏度低缺點：容易受環(huán)境干擾，偏差較大。3、比色測溫定義：測出物體在兩個特定相近波長范圍上的輻射能量之比，確定被測物體的比色溫度。優(yōu)點：靈敏度較高，偏差小，中高溫測量，抗干擾能力強(qiáng)。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。二、輻射測溫的常用方法1、亮度測溫10第二節(jié)單色輻射高溫計

光學(xué)高溫計光電高溫計

1）應(yīng)用普朗克定律制作的單色輻射高溫計2）應(yīng)用輻射定律制作的輻射高溫計3）當(dāng)溫度變化時，光譜輻射出射度的增長要比輻射出射度的增長要快得多。單色輻射高溫計的靈敏度高第二節(jié)單色輻射高溫計

光學(xué)高溫計11

精密光學(xué)高溫計用于科學(xué)實驗中的精密測試；

標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計用于量值的傳遞，例如，在物質(zhì)熔點、熱容量和相變點的測定中使用。 光學(xué)高溫計可用來測量800～32000C的高溫。 由于采用用肉眼進(jìn)行色度比較，所以測量誤差與人的經(jīng)驗有關(guān)。 光學(xué)高溫計測量的溫度稱為亮度溫度(Ts)，被測對象為非黑體時，要通過修正才能得到非黑體的真實溫度。一、光學(xué)高溫計

精密光學(xué)高溫計用于科學(xué)實驗中的精密測試；一、光學(xué)高溫計

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由普朗克定律知道，物體的光譜輻射出射率M與溫度有關(guān)，而物體在高溫下會發(fā)光，稱亮度，因亮度L與光譜輻射出射率M成正比，故通過測物體亮度L可求物體的溫度。L=cM=cελM0

c-比例常數(shù)。2由亮度標(biāo)注溫度時需解決的問題：亮度溫度1）問題提出：同樣亮度L，由于物體ελ不同，所以物體對應(yīng)的溫度是不同。因此某一亮度下儀表應(yīng)對應(yīng)標(biāo)注何種溫度？2）解決辦法：儀表標(biāo)注的是黑體對應(yīng)的溫度Ts，即亮度溫度，實際物體的真實溫度要進(jìn)行修正。1基本工作原理：由普朗克定律知道，物體的光譜輻射出射率M與溫度有關(guān)，而13亮度溫度

定義：當(dāng)被測物體為非黑體，在同一波長下的光譜輻射亮度同絕對黑體的光譜輻射亮度相等時，則黑體的溫度稱為被測物體在波長為時的亮度溫度。左邊為非黑體光譜輻射亮度，右邊為黑體的光譜輻射亮度為了校正光學(xué)高溫計測量非黑體的溫度比真實溫度偏低的偏差。亮度溫度 定義：當(dāng)被測物體為非黑體，在同一波長下的光譜輻射143)亮度溫度Ts：當(dāng)物體在輻射波長為，溫度為時T，其光譜輻射亮度L和黑體在輻射波長為，溫度為Ts時的光譜輻射亮度L0相等，則把Ts稱為這個物體在波長下的亮度溫度。4)由亮度溫度Ts如何求物體的真實溫度T已知物體的輻射發(fā)射率ελ和亮度溫度Ts

，代入：注：0<ελ<1,測得的亮度溫度總是低于真實溫度，ελ越小，亮度溫度與真實溫度的差別越大。3)亮度溫度Ts：當(dāng)物體在輻射波長為，溫度為時T，其光15工業(yè)用光學(xué)高溫計分類隱絲式 利用調(diào)節(jié)電阻來改變高溫?zé)襞莸墓ぷ麟娏鳎?dāng)燈絲的亮度與被測物體的亮度一致時，燈泡的亮度就代表了被測物體的亮度溫度。恒定亮度式 利用減光楔來改變被測物體的亮度，使它與恒定亮度溫度的高溫?zé)襞菹啾容^，當(dāng)兩者亮度相等時，根據(jù)減光楔旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測物體的亮度溫度。由于隱絲式光學(xué)高溫計的結(jié)構(gòu)和使用方法都優(yōu)于恒定亮度式，所以應(yīng)用廣泛。工業(yè)用光學(xué)高溫計分類隱絲式16WGG2-201型光學(xué)高溫計1－物鏡；2－灰色吸收玻璃；3－燈泡；4－目鏡；5－紅色濾波片；6－指示儀器；7－滑線電阻；E－電源；K－開關(guān)；R1－刻線調(diào)整電阻光學(xué)系統(tǒng)和電測系統(tǒng)WGG2-201型光學(xué)高溫計1－物鏡；2－灰色吸收玻璃；317隱絲式光學(xué)高溫計由光學(xué)系統(tǒng)和電測系統(tǒng)兩部分組成光學(xué)系統(tǒng)：目鏡、物鏡、燈泡、紅色濾波片和灰色吸收玻璃 紅色濾波片，造成一個較窄的有效波長 吸收玻璃，目的是擴(kuò)展量程（1400℃） 目鏡和物鏡是一套光學(xué)系統(tǒng)電測系統(tǒng)包括指示儀表、燈泡、電源和調(diào)節(jié)電阻四部分。光學(xué)高溫?zé)襞荩簶?biāo)準(zhǔn)輻射源 電源、調(diào)節(jié)電阻和指示儀表組成測量電路原理一般有電壓表式，電流表式以及不平衡電橋和平衡電橋式四種。隱絲式光學(xué)高溫計由光學(xué)系統(tǒng)和電測系統(tǒng)兩部分組成光學(xué)系統(tǒng)：目鏡18第七章-非接觸測溫方法和儀表ppt課件191）測量時，如燈絲亮度比輻射熱源（被測物體）亮度低，則燈絲就在這個背景下呈現(xiàn)出暗的弧線2）如如燈絲亮度比輻射熱源（被測物體）亮度高，則燈絲就在較暗的背景下呈現(xiàn)出亮的弧線3）如兩者亮度一樣，則燈絲就隱滅在發(fā)光背景里4）由毫安計的讀數(shù)就是被測物體的亮度溫度這種光學(xué)高溫計叫“隱絲式光學(xué)高溫計”。2工作原理1）測量時，如燈絲亮度比輻射熱源（被測物體）亮度低，則燈絲就20(1)問題：由于亮度超過14000C時，鎢絲易發(fā)生升華，（電阻值改變，且在燈泡玻璃上形成薄膜，改變了燈絲的溫度－亮度特性），造成測量誤差。(2)灰色吸收玻璃的作用：加入吸收玻璃，在14000C以上時，可減弱熱源進(jìn)入儀表的亮度后，再和燈絲比較，加大光學(xué)高溫計的測量范圍。3一些元器件的作用1)灰色吸收玻璃(1)問題：由于亮度超過14000C時，鎢絲易發(fā)生升212)紅色濾光片的作用：

造成窄的光譜段，使其在波長范圍0.6-0.7μm內(nèi)進(jìn)行亮度比較。好處:在于當(dāng)被測溫度變化時，對于一般的工業(yè)用光學(xué)高溫計，可認(rèn)為波長λ變化被忽略，一般λ＝0.66μm4光學(xué)高溫計的測溫下限由于人眼是感受件，只能看到可見光，這限制了被測物體的溫度不能低于700℃2)紅色濾光片的作用：22（1）減少ελ的影響：光譜發(fā)射率ελ不是常數(shù)，給測量帶來誤差。盡量創(chuàng)造全輻射體的輻射條件。

例如測量爐膛溫度，可插入一根細(xì)長而有底的陶瓷管l/d>10，在充分受熱后，從管口看進(jìn)去管子的底部就可近似認(rèn)為是全輻射體。5、使用光學(xué)高溫計時的注意事項（1）減少ελ的影響：5、使用光學(xué)高溫計時的注意事項23（2）由于中間介質(zhì)的影響：光學(xué)高溫計不要距離被測物體太遠(yuǎn)，一般應(yīng)在1—2m之內(nèi)比較合適。光學(xué)高溫計和被測物體之間的灰塵、煙霧、二氧化碳等對輻射都有吸收作用，造成誤差。（3）光學(xué)高溫計不宜測反射光很強(qiáng)的物體，容易造成大誤差（4）光學(xué)高溫計的測量準(zhǔn)確度比熱電偶、熱電阻低，并不能測物體內(nèi)部溫度。（2）由于中間介質(zhì)的影響：光學(xué)高溫計不要距離被測物體太遠(yuǎn)，一24第七章-非接觸測溫方法和儀表ppt課件25二、光電高溫計1光學(xué)高溫計的問題：測量時要手動平衡亮度；人判定平衡點，平衡點還可能因人而易；故它不是連續(xù)性測量儀表，應(yīng)用受限制。2其工作原理：光電器件代替人眼，作為儀表的感受件感受輻射源的亮度變化，并轉(zhuǎn)換成與亮度成比例的電信號。此信號經(jīng)電子放大器放大后被測量，其大小對應(yīng)被測物體的溫度。光電高溫計時自動連續(xù)測溫儀表。二、光電高溫計1光學(xué)高溫計的問題：測量時要手動平衡亮度；26WDL-31型光電高溫計的工作原理1－物鏡；2－同步信號發(fā)生器；3－調(diào)制鏡；4－微電機(jī)；5－反光鏡；6－聚光鏡；7－參比燈；8－探測元件WDL-31型光電高溫計的工作原理1－物鏡；2－同步信號發(fā)273缺點：光學(xué)元件互換性很差，更換元件時，整個儀表要進(jìn)行重新調(diào)整和分度。4優(yōu)點（l）無700℃的下限。因光電器件可感受可見光，紅外光波長（2）分辨率高，光學(xué)高溫計最高為0.5℃，而光電高溫計可達(dá)0.01～0.05℃；（3）精確度高，由于采用性能良好的單色器（4）可連續(xù)自動測量，響應(yīng)快。3缺點：光學(xué)元件互換性很差，更換元件時，整個儀表要進(jìn)行重28第三節(jié)輻射溫度計根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，即物體的總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來進(jìn)行測量的。組成：輻射感溫器和顯示儀表兩部分可用于測量400～20000C的高溫，多為現(xiàn)場安裝式結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)現(xiàn)場高溫環(huán)境的要求，可在輻射感溫器外加裝水冷夾套。輻射高溫計測量的溫度稱為輻射溫度，被測對象為非黑體時，要通過修正才能得到非黑體的真實溫度。第三節(jié)輻射溫度計根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，即物體的總輻射強(qiáng)度29根據(jù)全輻射定律制成的溫度計，即全部波長的輻射能M0,溫度T。被測物體的輻射能經(jīng)物鏡聚焦在鉑箔上，使鉑箔溫度升高，由熱電堆測其溫度輸出熱電勢信號。熱電堆由幾支同樣的熱電偶同向串聯(lián)，其目的是增加輸出的熱電勢，提高靈敏度。一、基本工作原理二、輻射溫度計的結(jié)構(gòu)和原理根據(jù)全輻射定律制成的溫度計，即全部波長的輻射能M0,30熱電堆結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償光闌(a):1－云母基片；2－受熱靶面；3－熱電耦絲；4－引出線(b):1-補(bǔ)償片；2-雙金屬片熱電堆結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償光闌(a):1－云母基片；2－受熱靶面；331WFT-202型輻射感溫器結(jié)構(gòu)1－物鏡；2－外殼；3－補(bǔ)償光闌；4－座架；5－熱電堆；6－接線柱；7－穿線套；8－蓋；9－目鏡；10－校正片；11－小齒軸WFT-202型輻射感溫器結(jié)構(gòu)1－物鏡；2－外殼；3－補(bǔ)償光321）問題：由于物體的的不同，同一輻射出射度M，在不同物體對應(yīng)不同溫度，所以顯示儀表上標(biāo)注的是輻射溫度（絕對黑體對應(yīng)的溫度）2）輻射溫度：被測物體真實溫度為T，其對應(yīng)的輻射出射度M，絕對黑體在溫度Tp時的輻射出射度M0，M=M0,溫度Tp稱為“輻射溫度”3)輻射溫度低于被測物體的實際溫度。

為被測物體發(fā)射率三輻射溫度1）問題：由于物體的的不同，同一輻射出射度M，在不同物體對33四、輻射溫度計使用時的注意事項：（1）ε影響。盡量創(chuàng)造全輻射體的輻射條件（2）中間介質(zhì)的影響，測量距離不可太遠(yuǎn)（3）熱電偶冷端溫度影響。（4）按規(guī)定D/L（被測物體的直徑，被測物體與溫度計之間的距離）的范圍，否則會引起較大的誤差。L太大，被測物體在熱電堆上成像太小，不能全部覆蓋住熱電堆十字平面，使熱電堆接受的輻射能減小，指示偏低。L太小，物像照到光闌邊緣和接近熱電堆的其它零件上，使冷端溫度升高，造成熱電勢下降，指示偏低，且中間介質(zhì)影響大，也造成指示偏低。四、輻射溫度計使用時的注意事項：34第四節(jié)比色高溫計原理：通過測量熱輻射體在兩個或兩個以上波長的光譜輻射亮度之比來測量溫度。特點：準(zhǔn)確度高，響應(yīng)快，可觀察小目標(biāo)(最小可到2mm)。 因為實際物體的單色黑度系數(shù)和全輻射黑度系數(shù)的數(shù)值相差很大，但是對同一物體的不同波長的單色黑度系數(shù)和來說，其比值的變化卻很小。所以用比色溫度計測得的溫度稱為比色溫度，它與物體的真實溫度很接近，一般可以不進(jìn)行校正。第四節(jié)比色高溫計原理：通過測量熱輻射體在兩個或兩個以上35一原理：根據(jù)維恩偏移定律工作的溫度計。通過測物體兩個不同波長下的光譜輻射出射度的比值推得溫度。1推導(dǎo)過程（黑體）通過測波長λ1，λ2下的光譜輻射亮度兩式相除后取對數(shù)，整理后：比色溫度一原理：根據(jù)維恩偏移定律工作的溫度計。通過測物體兩個不同波362實際物體的溫度（1）比色溫度：實際物體（溫度T）在兩個波長λ1和λ2的相應(yīng)亮度比值等于絕對黑體（Tc）在兩個波長λ1和λ2的亮度比，絕對黑體的溫度Tc就稱為實際物體的比色溫度。（2）實際物體的溫度公式：根據(jù)定義，用維恩公式，可導(dǎo)出：ελ1ελ2為實際物體的在波長λ1，和λ2時的光譜發(fā)射率2實際物體的溫度37二比色高溫計的特點：1）對于絕對黑體T=Tc，因為ελ1=ελ2=1；一般物體T不等于Tc，由于ελ1不等于ελ2對于金屬物體，一般是短波λ1的ελ1，大于長波λ2的ελ2，ελ1>ελ2則>0，T<Tc比色溫度高于物體實際溫度。對于其它物體，視ελ1和ελ2的大小而定。二比色高溫計的特點：382）比色高溫計和單色輻射高溫計、輻射溫度計相比較，測量準(zhǔn)確度更高。因為實際物體一般ελ1和ελ2的比值變化相對要比ελ和ε的單位變化小得多，3）比色高溫計可在周圍環(huán)境較惡劣下測溫

中間介質(zhì)加水蒸汽，二氧化碳、灰塵等對波長λ1和λ2的單色輻射強(qiáng)度均有吸收，盡管吸收律不一定相同，但對單色輻射強(qiáng)度比值的影響比較?。?）比色高溫計和單色輻射高溫計、輻射溫度計相比較，測量準(zhǔn)確39國產(chǎn)WDS-II雙通道光電比色高溫計1一物鏡2一平行平面玻璃3一回零通孔硅光電池4一透鏡