第四章-非接觸式測溫儀表..ppt

1、第四章 非接觸式測溫儀表 非接觸式測溫儀表的任何部分都不與被測對象接觸，它通過測量物體的輻射能或與輻射能有關(guān)的信號來實(shí)現(xiàn)溫度測量，因此又稱為輻射式測溫儀表。 特點(diǎn)：不存在因接觸傳熱而產(chǎn)生的測溫傳熱誤差；理論上講，測溫上限不受測溫傳感器材料的限制，可高達(dá)2000以上；動態(tài)性能好，反應(yīng)快等,可測運(yùn)動物體的溫度。因低溫下物體的輻射能力很弱，因此輻射式儀表多用來測700以上的高溫。但用紅外測量儀表，也可測低達(dá)100左右的溫度。,一、測溫基本原理 1.準(zhǔn)備知識 輻射 熱輻射 輻射出射度 指物體單位表面積在單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部波長范圍的輻射能量的總和，并以符號M表示。 光譜輻射出射度 物體單位表面積單位

2、時間內(nèi)在波長處的d波段內(nèi)所輻射的能量為dM，則把 稱為 物體在波長處的光譜輻射出射度（又稱單色輻射出射度）。 黑體、白體、透體、黑度（發(fā)射率） 輻射溫度探測器所能接收的熱輻射波段約為0.340m，屬于可見光和紅外線的波長范圍。,輻射出射度M與光譜輻射出射度M之間存在如下關(guān)系： 2.熱輻射的基本定律 (1)普朗克公式定律 普朗克定律給出了全輻射體的光譜輻射出射度與溫度的關(guān)系，這是光學(xué)高溫計和光電高溫計等的理論基礎(chǔ)。,在溫度T3000K和可見光波長（波長較?。┓秶摴娇梢院喕删S恩公式 對實(shí)際物體 式中 M實(shí)際物體的光譜輻射出射度； 實(shí)際物體在波長下的光譜發(fā)射率（光譜黑度）。,（2）斯忒藩一玻

3、爾茲曼定律 可見，全輻射體的輻射出射度M0 是溫度的單值函數(shù)，二者一一對應(yīng)，這是輻射高溫計的理論依據(jù)。 實(shí)際物體的全輻射出射度為 MM0T4 式中 M實(shí)際物體的全輻射出射度； 實(shí)際物體的全輻射發(fā)射率（發(fā)射率）。 實(shí)際物體的光譜發(fā)射率和發(fā)射率均小于1，各種物體的和值一般只能通過實(shí)測求得。,3. 輻射測溫的常用方法 輻射測溫一般有下面三種方法： （1）亮度測溫 它是通過測量目標(biāo)在某一波段的輻射亮度來獲得目標(biāo)的溫度。按這種方法工作的測溫儀表稱為亮度測溫儀，它所測出的溫度是目標(biāo)的亮度溫度。 （2）全輻射測溫 它是通過測量物體發(fā)出的全輻射能量（=0）來測量物體的溫度。按這種方法工作的測溫儀表稱為輻射測溫

4、儀，它所測出的是目標(biāo)的輻射溫度，在數(shù)值上它完全遵從斯忒藩-玻耳茲曼定律的四次方關(guān)系。 （3）比色測溫 所謂比色測溫，就是利用兩組（或多組）帶寬很窄的不同單色濾光片，搜集兩個（或多個）相近波段內(nèi)的輻射能量，轉(zhuǎn)換成電信號后在電路上進(jìn)行比較，由此比值確定目標(biāo)溫度。按這種方法工作的測溫儀表稱為比色測溫儀，它所測出的是目標(biāo)的比色溫度。,二、光學(xué)高溫計 1. 理論依據(jù)：普朗克定律。 在可見光的波長范圍（0.350.75m）內(nèi)，高溫物體的熱輻射以光的形式表現(xiàn)出來，輻射的強(qiáng)度與光的亮度之間有一定的關(guān)系。在某一波長下的光譜輻射亮度（又稱單色亮度）與同一波長下的光譜輻射出射度成正比。對全輻射體其關(guān)系為 對實(shí)際物體

5、有,結(jié)論：在可見光波長范圍內(nèi)的某一波長下，對一個確定的物體（可近似認(rèn)為已固定不變），其光譜輻射亮度（即單色亮度）與溫度之間存在單值對應(yīng)關(guān)系。利用這個性質(zhì)即可測溫。 但直接測光譜輻射亮度較難實(shí)現(xiàn)，光學(xué)高溫計采用了的亮度比較的方法。 2. 結(jié)構(gòu) 國產(chǎn)WGGZ型光學(xué)高溫計是一種使用較廣的隱絲式光學(xué)高溫計。 由光學(xué)系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)兩部分組成。 光學(xué)系統(tǒng)包括物鏡、目鏡、燈泡、紅色濾光片、灰色吸收玻璃等。 電氣系統(tǒng)包括燈泡、電源、調(diào)整電阻及測量線路。,l一物鏡；2灰色吸收玻璃；3一燈泡；4一目鏡； 5一紅色濾光片；6一顯示儀表 思考：紅色濾光片和灰色吸收玻璃的作用是什么？,光學(xué)高溫計必須在某一定的波長下進(jìn)行

6、單色亮度比較。光學(xué)高溫計采用紅色濾光片與人眼構(gòu)成了“單色器”，使人眼只能觀察到波長為0.60.7m范圍的紅色可見光（如圖陰影部分），其平均波長約為0 .66m。人眼與紅色濾光片配合的視見光譜范圍 1一人眼相對視見函數(shù)曲線； 2一紅色濾光片光譜透過率曲線,灰色吸收玻璃的作用： 光學(xué)高溫計采用的是鎢絲燈泡，當(dāng)溫度高達(dá)1400時，鎢絲會發(fā)生升華使燈泡的性能改變。這就限制了光學(xué)高溫計的測溫上限。 光學(xué)高溫計附加了灰色吸收玻璃，單色光透過這種玻璃時其吸收作用會使亮度減弱。 在結(jié)構(gòu)上把灰色玻璃置于物鏡與燈絲之間，這樣人眼觀察到的是燈絲的亮度和被灰色玻璃削弱了的被測物體的亮度,在燈絲溫度不超過1400的情況

7、下能測量更高的溫度。,燈絲與物像亮度比 （a）燈絲亮度低（b）燈絲亮度偏高（c）燈絲和物象亮度一致（燈絲隱滅） 光學(xué)高溫計的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、測溫上限高、在輻射式溫度計中精確度與靈敏度均最高等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：亮度比較的判斷及調(diào)整均要人工進(jìn)行，不能連續(xù)自動進(jìn)行測量，同時帶來人員的主觀誤差。另外，由于人眼只能看到可見光，這限制了被測物體的溫度不能低于700。,3.光學(xué)高溫計的幾個有關(guān)問題 : (1）亮度溫度與示值的修正 “亮度溫度”的概念：如全輻射體的單色亮度與溫度為T的實(shí)際物體的單色亮度相等，則全輻射體的溫度稱為該實(shí)際物體的亮度溫度，并以Ts表示。根據(jù)亮度溫度的定義，可推導(dǎo)物體實(shí)際溫度T與其亮度溫度

8、的關(guān)系： 由于 L= L0 即 經(jīng)整理可得 因?yàn)橐话阄矬w1，所以 TTs 。,光學(xué)高溫計的標(biāo)尺是直接按溫度刻度的，即可直接讀出溫度值，而且分度是按全輻射體（即 =1）的條件進(jìn)行的，因此儀表顯示的溫度值實(shí)際上是在對應(yīng)亮度下全輻射體的溫度，也即亮度溫度Ts 。在測實(shí)際物體溫度時，光學(xué)高溫計的溫度示值必須修正. （2）影響光學(xué)高溫計測量精確度的因素 影響光學(xué)高溫計測量精確度的因素比較多，主要有以下幾個： 1）發(fā)射率的影響 2）中間介質(zhì)的影響 3) 反射光的影響,光學(xué)高溫計,三、光電高溫計 光電高溫計由光學(xué)系統(tǒng)與測量、放大顯示兩大部分組成。這里介紹的國產(chǎn)WDL一31型光電高溫計，其原理系統(tǒng)圖如圖所示。

9、 光電高溫計具有以下優(yōu)點(diǎn)。 （l）既可在可見光，又可在紅外光波長下工作，有利于用輻射法測低溫； （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)0.010.05； （3）精確度高，由于采用性能良好的干涉濾光片（或單色器），提高了儀表的單色性，因而不確定度減小。例如，2000時的不確定度可小到土0.25； （4）可連續(xù)自動測量，響應(yīng)快。,光電高溫計的工作原理 1-物鏡；2-孔徑；3，5-孔；4-光電器件； 6-遮光板；7-調(diào)制片；8-永久磁鐵；9-激磁繞組；10-透鏡；11-反射鏡；12-觀察孔；13-前置放大器；14-主放大器；15-反饋燈；16-電位差計；17-被測物體,四、輻射高溫

10、計 1.原理：物體的輻射出射度與其溫度的關(guān)系為 M = T4 對確定的物體，可近似認(rèn)為其發(fā)射率為定值，那么M與T將呈單值對應(yīng)關(guān)系，測出輻射出射度M與其發(fā)射率即可知其溫度。輻射高溫計能連續(xù)自動測溫。 2.組成：輻射高溫計由輻射傳感器和顯示儀表組成，輻射傳感器又由光學(xué)系統(tǒng)與輻射變換器兩部分構(gòu)成。前者的作用是接收并聚集輻射能；后者把輻射能轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號以便由顯示部分直接顯示溫度值。光學(xué)系統(tǒng)有透射式、反射式和混合式幾類。輻射變換器主要有熱電式和光電式兩種。,輻射感溫器的工作原理圖 熱電堆的結(jié)構(gòu)1-透鏡；2-可變光闌；3-固定光闌； 1-云母片；2-受熱靶;4-接收元件面； 3-熱電偶絲；4-引出線

11、,3.輻射高溫計的幾個有關(guān)問題 （1）“輻射溫度”的概念：若溫度為T的物體的輻射出射度與全輻射體在溫度Tp下的輻射出射度相等，則把全輻射體的溫度Tp稱為該物體的輻射溫度。由此定義可求出被測溫度T與輻射溫度Tp之間的關(guān)系： 因 T4 =Tp4 有, 儀表的分度是把被測體作為全輻射體來實(shí)現(xiàn)的； 儀表的示值就是被測物體的輻射溫度； 依據(jù)被測物體的發(fā)射率，利用上面的修正公式對示值進(jìn)行修正得到被測物體的實(shí)際溫度。 （2）影響輻射高溫計測量精確度的主要因素如下： 1）發(fā)射率的影響 2）熱電堆冷端溫度的影響 3）距離系數(shù)LD的影響 補(bǔ)償光欄結(jié)構(gòu)示意圖 1-光欄；2-雙金屬片；,五、比色高溫計1. 原理 根據(jù)

12、被測物體在兩個不同波長下的光譜輻射出射度的相互比值與被測溫度的關(guān)系，通過測二者的比值進(jìn)而測知被測溫度。 根據(jù)光譜輻射的維恩公式，同一物體在波長分別為1和2下的光譜輻射出射度的比值為式中 M1、M2分別為在波長1和2下的光譜輻射出射度； 1 、2物體在波長1和2時的光譜發(fā)射率； T物體的溫度。,經(jīng)整理，可得 2. 比色溫度的概念 溫度為T的物體在波長1和2下的光譜輻射出射度的比值，與溫度為Tc的全輻射體在同樣的波長1和2下的光譜輻射出射度的比值如果相等，則把全輻射體的溫度稱為該物體的比色溫度。根據(jù)該定義，經(jīng)過推導(dǎo)可得出物體溫度T與它的比色溫度Tc的關(guān)系為,3.結(jié)構(gòu) 以WDS-型比色高溫計為例，具

13、體介紹比色高溫計的工作原理。 WDS型光電比色高溫計的光路系統(tǒng) 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 5一分光鏡 6一紅外濾光片 7一硅光電池E2 8一硅光電池El 9一可見光濾光片 10一反射鏡 11一倒像鏡 12一目鏡 4.特點(diǎn) 它的測量準(zhǔn)確度高，中間介質(zhì)的影響小，可在惡劣環(huán)境下工作。,六、紅外測溫儀 紅外測溫儀是一種測溫上限較低的儀表，可測0400范圍的溫度。而前面介紹的幾種輻射式測溫儀表適于測700以上的高溫。 紅外測溫儀依據(jù)的是光譜輻射原理。當(dāng)物體溫度較低時，光譜輻射出射度最高點(diǎn)向波長較長的紅外線波長區(qū)遷移，紅外測溫儀就工作在這個紅外線波長區(qū)。它的原理和結(jié)構(gòu)與輻

14、射高溫計、光電高溫計相似。 紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理放大部分及顯示儀表等部分組成。,1.紅外輻射及其特性 紅外輻射又稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線。紅外輻射是一種電磁波，它的波長范圍大致在0.76m到1000m的頻譜范圍之內(nèi)，相對應(yīng)的頻率大致在4101431011Hz之間。,2、紅外輻射源和紅外探測器 （1）紅外輻射源 當(dāng)物體溫度高于絕對零度時，就有紅外線向周圍空間輻射出來，有紅外輻射的物體就可以視為紅外輻射源。 （2）紅外探測器 紅外探測器是能夠把紅外輻射能量的變化為電量變化的器件。分為紅外熱探測器和紅外光子探測器 。, 紅外熱探測器 熱電偶型探測器 熱敏電阻型探測器 熱釋電型探測器 主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，可以在室溫下工作，使用方 便。但是，它的響應(yīng)時間長，靈敏度較低，一般用于紅外 輻射變化緩慢場合。 紅外光