《非接触式测温》PPT课件

6.4 非接触式测温 高温测量中应用最广泛 ， 主要应用行业为冶金 、 铸造 、 热处理以及玻璃 、 陶瓷和耐火材料等工业生产过程中 。 非接触测温仪表分类 ：光学高温计 、 辐射式温度计 任何物体处于绝对零度以上时 ， 都会以一定波长电磁波 的形式向外辐射能量 。 辐射式测温仪表就是利用物体的 辐射能量随其温度而变化的原理制成的 。 测量时 ， 只需 把温度计光学接收系统对准被测物体 ， 而不必与物体接 触 ， 因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温 度场 。 此外 ， 由于感温元件只接收辐射能 ， 不必达到被 测物体的实际温度 ， 从理论上讲 ， 它没有上限 ， 可以测 量高温 。 6.4 非接触式测温 6.4.1 热辐射基本定理 6.4.2 光学高温计 6.4.3 光电高温计 6.4.4 辐射温度计 6.4.5 比色温度计 6.4.1 热辐射基本定理 辐射换热 是热交换的三种基本形式之一 辐射 波长范围 ： 0.01um1000um 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 ， 辐射光谱也向短波方向移动 ， 在 5000C左右时 , 辐射光谱包括了部分可见光；到 8000C时可见光 大大增加 ， 即呈现 “ 红热 ” ；如果到 30000C时 ， 辐射光谱包括更多的短波成分 ， 使得物体呈现 “ 白热 ” 。 热辐射电磁波集中在可见光和红外线区域 辐射能的分配 当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，会 发生部分能量吸收、透射和反射 RDA QQQQ QQQQQQ RDA1 吸收率； 透射率； 反射率。 Q 辐射能 单位为焦耳 (J) 物体分类： 黑 体 （ 绝对黑体 ） ： 照射到物体上的辐射能全部被吸收 ， 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”。 在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。 一般固体和液体的 值很小或等于零，而气体的 值较大。对于一般工程材料来讲， 0而 + =1，称为 灰体 从传热学角度看，可以人为制造黑体 热辐射的重要参数 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 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)。 dt dQ 热辐射的重要参数 辐射出射度 M 离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除 以该单元面积 ， 称为该点的辐射出射度 ， 即 辐射出射度的单位为瓦 /米 2(W/m2)。 dS dM 热辐射的重要参数 辐射亮度 L和光谱辐射亮度 表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度 ， 除 以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面 积 ， 称为该方向的辐射亮度 L。 辐射亮度包括 所有波长的辐射能量 。 如果是辐射光谱中某一 波长的辐射能量则称为该波长下的光谱辐射亮 度 。 基尔霍夫定律 各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同， 和物体的性质无关，是物体的温度和发射波长 的函数 ),(. ),( ),( ),( ),( ),( ),( 2 2 1 1 0 0 Tf T TM T TM T TM 式中： M0(,T), M1(,T), M2(,T) 物体的单色 ()辐射出射度； 0(,T), 2(,T) , 2(,T) 物体的单色 ()吸收率。 若物体 A0绝对黑体，那么 0(,T) =1，根据基氏定律 ),(. . .),( ),(),( ),( 0 2 2 1 1 TM T TM T TM 也就是说 ,物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同 样的温度下，相同波长时的辐射出射度 。 设 M(,T)为物体 A在波长为 ，温度为 T下的辐射出射度。 ),(),(),( ),( 0 TTTM TM 式中， 称为物体 A的单色辐射率，或称为单色黑度系数。 它表明了在一定的温度和波长下，物体 A的辐射出射度与 相同温度和波长下黑体的辐射出射度之比。 在全波长内，任何物体的全辐射出射度等于单波长的辐射 出射度在全波长内的积分 )()(),()(),(),(),()( 00 0000 TMTAdTMTAdTMTdTMTM 式中， A(T) 物体 A在温度 T下的全吸收率， M0(T) 黑体在温度 T下的全辐射出射度。 基氏定律的积分形式为 TTATM TM )( )( )( 0 它表明了在一定的温度 T下，物体 A的全辐射出射度与相同温度下 黑体的辐射出射度之比。一般物体的 T1， T越接近 1, 表明它与黑体的辐射能力越接近。 关于基尔霍夫定律 基尔霍夫定律是平衡辐射定律，与物质本身的性质无关； 吸收和辐射的多少应在同一温度下比较； 强烈的吸收必伴有强烈的辐射。无论这种吸收是由物体表 面性质决定的，还是由系统的构造决定的； 基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关，而与人眼的视 觉特性和光度量无关； 基尔霍夫定律只适用于热辐射，对其它发光情况不成立。 黑体辐射定律 普朗克定律 (单色辐射强度定律 ) 维恩公式 斯蒂芬波尔兹曼定律 （ 全辐射强度定律 ， 也称为四次方定律 ） 普朗克定律 (单色辐射强度定律 ) 温度为 T的单位面积元的绝对黑体 ， 在半球面方向所辐射的 波长为 的辐射出射度为 15 1 152 0 )1()1(2),( 2 T C Tk hc eCehcTM 式中， c 光速； h 普朗克常数， 6.626176 10-34Js； k 波尔兹曼常数， 1.38066244 10-23J/K； C1 第一辐射常数， 3.7418 10-16Wm2； C2 第二辐射常数， 1.4388 10-12mK； T 绝对温度。 维恩公式 当 c2/（ T） 1时，即 hc/ KT，此时对应短波 或低温情形，普朗克公式中的指数项远大于 1，故可 以把分母中的 1忽略，得到 公式在理论上说明了黑体在各种温度下能量波长分布的规 律 ,公式简单，但是仅适用于不超过 3000K的温度范围 . 15 10 )(),( 2 T C eCTM 黑体的辐射本领是波长和温度的函数，当波长一定时， 黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，即 )(),(0 TfTM 上式就是光学高温计和比色高温计测温的 理论根据 黑体辐射峰值波长 令 x = c2/T X何值时 M最大，应 ).(11/51 2 TfecM Tcb 1 )( 5 5 2 5 1 x e x c TcxM 0 xM 2 54 5 2 5 1 1 )1(5 x xx e exex c Tc x M 若上式为零 须 解此方程 x = 4.9651142 即： c2/T = 4.9651142 mT = 2898 (mK) 这就是维恩位移定律，其中的 m即某温度 T时黑体 辐射出射度 Mb达到 峰值 的 波长 m，通常写为 0)1(5 54 xx exex T b m 斯蒂芬波尔兹曼定律 温度为 T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所 发射的全部波长的辐射出射度与温度 T的四次方成 正比。 0 4432 451510 00 152)1(),()( 2 TThc kdeCdTMTM T C 式中， 斯蒂芬波尔兹曼常数， 5.66961 10-3W/(m2K 4)。 这就是 辐射式温度计测温的理论根据 。 全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果。 例 已知人体的温度 T=310K（假定人体的皮肤是黑体 ），求其辐射特性 . 1.其峰值波长为 2.全辐射出射度为 mm 4.9 3 10 2 89 8 224840 /102.53101067.5)( mWTTM 6.4 非接触式测温 6.4.1 热辐射基本定理 6.4.2 光学高温计 6.4.3 光电高温计 6.4.4 辐射温度计 6.4.5 比色温度计 6.4.6 红外线测温仪 6.4.2 光学高温计 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 32000C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 (TL)， 被 测对象为非黑体时 ， 要通过修正才能得到非黑 体的真实温度 。 工业用光学高温计分类 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 。 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。 WGG2-201型光学高温计 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； R1刻线调整电阻 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 。 )(00 LTTT TLL 左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度 根据维恩公式有 LT C T C T ee 22 对上式两边取对数，并加以整理，得 TL CTT 1ln11 2 式中， T 被测物体在温度为 T，波长为 时的单色黑度系数； T 被测物体的真实温度； TL 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。 6.4 非接触式测温 6.4.1 热辐射基本定理 6.4.2 光学高温计 6.4.3 光电高温计 6.4.4 辐射温度计 6.4.5 比色温度计 6.4.3 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 8000C时，光学 高温计对亮度无法进行平衡。 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。 主要特点： 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； WDL-31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 (1)瞄准光路 由物镜对 0.5m 处被测物体调焦成像在分划板上。 通过目镜组可清晰地观察到被测物体的瞄准部位 1调制镜； 2微电机； 3反光镜； 4可变光阑； 5聚光镜组； 6参比灯； 7-目镜组 8、 9-保护窗； 10物镜； 11-入射光瞳； 12-衰减玻璃； 13探测元件； 14-滤光片； 15-保护 光阑； 16-分划板； 17透镜玻璃； 18-出射光阑； 19-保护玻璃 (2)检测光路 物镜将被测物体的辐射能量会聚 ， 经过衰减玻璃及 与物镜光轴成 450角的调制镜的反射 ， 进入视场光 阑孔中 ， 由探测元件接收 。 (3)参比光路 参比灯辐射的能量经聚光灯组会聚后 ， 通过可变光阑 ， 由反 射镜反射 ， 再穿过调制镜叶片的空间 ， 进入视场光阑孔中 ， 经滤波片也由探测元件接收 。 随电机高速转动的调制镜，对两路辐射通量作切换调制， 使其交替被探测元件接收。 在参比光路中的可变光阑用作黑度系数的手动修正。 仪器的工作光谱范围由光学系统和探测元件决定 。 量程范围在 400 8000C及以下各量程 ， 采用硫化铅 光敏电阻作探测元件 ， 并配合锗滤光片 。 量程 范围 600 10000C及以上各量程 ， 采用硅光电池作探 测元件 ， 并配合 HB850有色玻璃滤光片 。 仪器的量程范围用光学衰减的方式改变 。 各种量程都保持参比灯工作电流在某一固定范围内 变化 ， 即在量程上限时工作电流不超过 250mA。 6.4 非接触式测温 6.4.1 热辐射基本定理 6.4.2 光学高温计 6.4.3 光电高温计 6.4.4 辐射温度计 6.4.5 比色温度计 6.4.4 辐射温度计 根据全辐射强度定理，即物体的总辐射强度与物 体温度的四次方成正比的关系来进行测量的。 组成： 辐射感温器和显示仪表两部分 可用于测量 400 20000C的高温，多为现场安装 式结构。 为适应现场高温环境的要求，可在辐射感温器外 加装水冷夹套。辐射高温计测量的温度称为辐射 温度，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得 到非黑体的真实温度。 热电堆结构和补偿光阑 (a):1云母基片； 2受热靶面； 3热电耦丝； 4引出线 (b):1-补偿片； 2-双金属片 WFT-202型辐射感温器结构 1物镜； 2外壳； 3补偿光阑； 4座架； 5热电堆； 6接线柱； 7穿线套； 8盖； 9目镜； 10校正片； 11小齿轴 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： 44 FT TT 4 1 T FTT 因为非黑体 T 1，则 TFT 因此用辐射温度计测出的温度要比物体的真实温度低。 6.4 非接触式测温 6.4.1 热辐射基本定理 6.4.2 光学高温计 6.4.3 光电高温计 6.4.4 辐射温度计 6.4.5 比色温度计 6.4.5 比色温度计 原理： 通过测量热辐射体在两个或两个以上波长 的光谱辐射亮度之比来测量温度 。 特点： 准确度高 ， 响应快 ， 可观察小目标 (最小可 到 2mm)。 因为实际物体的单色黑度系数和全辐射黑度系数 的数值相差很大 ， 但是对同一物体的不同波长的 单色黑度系数和来说 ， 其比值的变化却很小 。 所 以用比色温度计测得的温度称为比色温度 ， 它与 物体的真实温度很接近 ， 一般可以不进行校正 。 比色温度计原理结构 比色温度 定义： 黑体辐射的两个波长 1和 2的光谱辐射亮度之比等 于非黑体的相应的光谱辐射亮度之比时 ， 则黑体的温度 即为这个非黑体的比色温度 TS。 对于温度为 T的黑体 ， 在波长为 1和 2时的光谱辐射亮度 之比为 )11( 5 1 2 0 0 12 2 2 1 )( TCe L L R 取对数后有 )11()l n (5lnln 12 2 1 2 0 0 2 1 T C L LR 可以简化为 1ln BTaR )(CB 12 2 11 )ln(A 1 25 根据式 (6.4.17)可以得到 1 2 12 2 ln5ln ) 11 ( R C T 可进一步求出物体的真实温度与比色温度的关系 )11( ln 11 21 2 2 1 CTT T T S 对于灰体来说，由于 1T 2T ，所以 T TS， 这就是比色温度计的最大优点 式中 红外测温与红外成像测温仪 红外成像原理： 热释电红外摄像管 ：将物体的 红外辐射 转换成 电信号 ，经过电子系统放大处理，再还原为光学像的成像装 置。 红外变像管 ：把物体红外图像变成可见图像的电真空 器件，主要由 光电阴极 、 电子光学系统 和 荧光屏 三部 分组成，均安装在高度真空的密封玻璃壳内。 CCD固态图像传感器 ：由许多小单元（称为像元或像 素）组成的受光面，各像素将感受的光像转换为电信 号后顺序输出的一种大规模集成光电器件。 作业 9.8， 9.9， 9.11