比色溫度計(jì)的測(cè)量原理及特點(diǎn)

發(fā)布：2018-12-18 | 點(diǎn)擊：人次

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比色高溫計(jì)的靈敏度高、響應(yīng)快，可觀測(cè)小目標(biāo)，測(cè)暈準(zhǔn)確度高。用比色高溫計(jì)測(cè)得的溫度較光學(xué)高溫計(jì)、全輻射高溫計(jì)更接近于真實(shí)溫度?？捎糜跍y(cè)量鐵水、鋼水和熔渣等物質(zhì)的溫度0

1.比色高溫計(jì)的測(cè)溫原理及特點(diǎn).

根據(jù)維恩位移定律可知，當(dāng)物體溫度發(fā)生變化時(shí)，其單色輻射功率的zui大值向波長(zhǎng)增加或減小的方向移動(dòng)，使在波長(zhǎng)Ai和人2下的亮度比發(fā)生變化，測(cè)得亮度比的變化便可測(cè)得相應(yīng)的溫度

具有相同溫度的不同物體在波長(zhǎng)A!和；12下的亮度.比不同，所以比色高溫計(jì)也是用黑體刻度的。

現(xiàn)在引人比色溫度的概念。當(dāng)溫度為r的實(shí)際物體，在兩波長(zhǎng)a,和人2下的亮度比與溫度為Ts的黑體在上述兩波長(zhǎng)下的亮度比相等時(shí)，則稱rs為該物體的比色溫度|按此規(guī)定，可得71與：Ts之間的關(guān)系為式中，?分別是波長(zhǎng)和a2下的單色發(fā)射率；c2為普朗克第_常數(shù)。

比色高溫計(jì)所指示的就是物體的比色溫度，要求得真實(shí)溫度還必須通過(guò)式（2-29)進(jìn)行修正歡由式（2_29)可知比色高溫計(jì)有如下特點(diǎn)：

1)比色溫度可小于、等于或大于真實(shí)溫度。_eAi=~2，即被測(cè)物體為灰體時(shí)，比色溫度就等于被測(cè)物體的真實(shí)溫度，這是比色高溫計(jì)的zui大優(yōu)點(diǎn)士例如：嚴(yán)重氧化的鋼鐵表面-般可近似看做灰體，這時(shí)儀表的示值即比色溫度，可認(rèn)為近似等于被測(cè)物體的真實(shí)溫度，而不需修正。

2)雖然實(shí)際物體的e值和~值變化較大，但同一物體的^^和^夂的比值變化較小。因此，比色溫度與真實(shí)溫度之差要比亮度溫度、輻射溫度與真實(shí)溫度之羞小得多，測(cè)量準(zhǔn)確度高屬

3)光路中的水蒸氣、二氧化碳和塵埃等對(duì)波長(zhǎng)和A2下的單色輻射能都有吸收，盡管吸收樣，但對(duì)單色輻射功率的比值（亮度比）影響較小為因此比色高溫計(jì)可在惡劣環(huán)境中使用

2.比色高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)

比色高溫計(jì)按其結(jié)構(gòu)可分為單通道式和雙通道式兩種。丨下面以wds—n型比色高溫計(jì)務(wù)例，介紹雙通道式比色高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)原理。它采用兩個(gè)光電器件（硅光電池）分別接收兩種不同波長(zhǎng)的單色輻射功率廠其光路系統(tǒng)如圖2_61所示p被測(cè)對(duì)象的輻射能經(jīng)物鏡4聚焦于通孔反射鏡5，由透鏡6形成平行光投射到分光鏡7上。分光鏡使長(zhǎng)波（紅外）部分透過(guò)，而將短波（或可見光）部分反射。長(zhǎng)波部分與短波部分分別由帶有紅外濾光片和可見光濾光片的硅光電池8、9所吸收，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸至測(cè)暈電路。通孔反射鏡邊緣鍍絡(luò)拋光，除開口處外，其他部分均能將人射光反射到反射鏡1,再經(jīng)倒像鏡2、目鏡3供人眼貓雙通道式比色高溫計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但兩個(gè)硅光電池要保持特性|致且不發(fā)生時(shí)變是比棚細(xì)

輻射測(cè)溫在:i程測(cè)溫中占有很重要的地位I但如前所述，大部分輻射溫度計(jì)都不能測(cè)得真實(shí)溫度I如欲求得真實(shí)溫度，必須通過(guò)被測(cè)表面發(fā)射率進(jìn)行修正。但發(fā)射率很難測(cè)準(zhǔn)，這就給修正造成了很大困難j而用前置反射器輻射溫度計(jì)測(cè)溫時(shí)，可基本_消除發(fā)射率的影響為只要被測(cè)表面的發(fā)射率大于0.6(無(wú)需知道確切值）就可直接測(cè)得真實(shí)溫度’而不需進(jìn)行任何修正。

前置反射器輻射溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2_62所示，被測(cè)對(duì)象6表面與半球反射器5組成密閉空腔，從被測(cè)對(duì)象表面輻射出的能量經(jīng)反射器內(nèi)表面的多次反射后，經(jīng)過(guò)透鏡4聚集從反

射器頂部的小孔2照射到熱電堆1上。這樣，熱電堆接收到的輻射非常接近于被測(cè)物體同溫度下的黑體輻射，此時(shí)黑體刻度儀表的示值即為被測(cè)物體的真實(shí)溫度

如果反射器內(nèi)表面玷污將產(chǎn)^測(cè)量誤暴，因此必須經(jīng)常保持內(nèi)表面清潔。另外，該儀器只適用于間斷測(cè)—不能連續(xù)測(cè)溫。

1.非接觸式測(cè)溫的干擾分析

輻射溫度計(jì)在測(cè)溫過(guò)程中，常常會(huì)受到外界的干擾這些干擾大致可分為光路中的干擾、外來(lái)光.擾以及黑度變化干擾等幾類此外，在輻射溫度計(jì)本體的信號(hào)變換和處理過(guò)程中不可避免地還會(huì)出現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)、溫度變化和電磁等方面的干擾。下面只討論前胃種干擾。

(1)光路中的干擾，般把被測(cè)表面與輻射溫度計(jì)之間在測(cè)量上所必須通過(guò)的路徑稱為光路。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行輻射測(cè)溫時(shí)，周圍環(huán)境中經(jīng)常存在著濃度不定的多原子氣體，如水蒸氣、二氧化碳和臭氧等。這些氣體對(duì)輻射能的吸收是有選擇性的，即對(duì)某些波長(zhǎng)下的輻射能有吸收能力，而對(duì)另一些波長(zhǎng)下的輻射能則是透明的_

由于光路中的這些氣體介質(zhì)對(duì)來(lái)自被測(cè)物體的輻射能有選擇性的吸收，從而減弱了人射到輻射溫度計(jì)中的能量，造成測(cè)量誤差。若光路中存在的吸收氣體越多，溫度計(jì)與被測(cè)表面之間的距離越遠(yuǎn)，被測(cè)物體發(fā)_出的輻射能被衰減的就越多，誤差也就越大。

表示出水蒸氣、二氧化碳和臭氧的吸收帶及吸收帶的疊加結(jié)果|在波長(zhǎng)為1.8~2.8(xm、3.0~5.5(xm和8~14(xm三個(gè)波段內(nèi)輻射能被吸收的較少，稱為大氣窗口一些輻射溫度計(jì)的工作波長(zhǎng)都選擇在這三個(gè)大錢窗口的某一波段上，以減少光路中吸收性氣體對(duì)輻射能的吸收，減少測(cè)量誤差。

若被測(cè)表面上停有水膜或在光路中有水蒸氣存在，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，用工作波

長(zhǎng)較短的輻射溫度計(jì)來(lái)測(cè)量可減少測(cè)量誤差，如用硅光電池光電高溫計(jì)等。

另外，由于光路中懸浮著的塵埃對(duì)輻射能的散射和無(wú)選擇性的吸收，同樣會(huì)減弱人射到溫度計(jì).的輻射能，從而造成測(cè)量誤差。在必要時(shí)，對(duì)于光路中的水膜、水蒸氣和塵?？捎们鍧崱⒏稍锏膲嚎s空氣進(jìn)行吹掃。

(2)外來(lái)光干擾在用輻射溫度計(jì)測(cè)量物體表面溫度時(shí)，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)往往還存在作為輻射源的其他一些物體，也向外輻射能量。這些達(dá)到被測(cè)物體表面上的能量，一部分被吸收，另一部分被反射出去而混人測(cè)量光中，混人到測(cè)量光的這部分光就是所謂的外來(lái)光干擾，如圖2-64所示，這樣就給_量帶來(lái)了誤差。被測(cè)表面黑度越小，外部光源溫度越高，則這個(gè)誤差也就越大。

為防止外來(lái)光干擾，減小測(cè)量誤差，在可能的條件下，可用改變測(cè)量方向的方法來(lái)躲過(guò)外來(lái)光（包括晝光）照射到被測(cè)表面上碧但對(duì)于一些固定的難以避免的外部光源，應(yīng)設(shè)置遮蔽裝置，為防止遮蔽裝置內(nèi)表面與被測(cè)表面之間發(fā)生多次反射，遮蔽裝置的內(nèi)表面輯涂黑。遮蔽裝置在可能的情況下應(yīng)盡量靠近被測(cè)表面有時(shí)為防止遮蔽裝置本身溫度過(guò)高而成為新的外部光源，擎采用空氣或水等對(duì)其進(jìn)行冷卻，以降低它的輻射。

(3)黑度變化的影響一般輻射溫度計(jì)用黑體溫度刻度。但實(shí)際被測(cè)物體往往都是非黑體’并且黑度《和都不是常數(shù)，隨著許多因素（如波長(zhǎng)、表面狀態(tài)及溫度等）的變化’這種變化有時(shí)是很大的，這給測(cè)量帶來(lái)很不利的影響|為消除或減小由于黑度變化產(chǎn)生的測(cè)量誤差，可采取以下措施：

1)在被測(cè)表面上涂巳知黑度的涂料。涂涂料時(shí)先將被測(cè)表面磨粗，.分幾次涂，但不宜過(guò)厚，否則會(huì)因?yàn)闊醾鲗?dǎo)而產(chǎn)生測(cè)量誤差|這種方法zui高適用溫度為

2)人為創(chuàng)造黑體輻射的條件。如在允許的條件下，在被測(cè)表面上開一小圓孔只要圓

孔內(nèi)壁溫度基本均勻，就形成了,個(gè)黑體空腔。在測(cè)量爐膛或熔融金屬溫度時(shí)，可插入一根細(xì)長(zhǎng)而有底的陶瓷管，在充分受熱后，從管口#進(jìn)去，管底就是近似黑體了。如圖2-66所示,用輻射溫度計(jì)對(duì)準(zhǔn)小孔或陶瓷管底部，可測(cè)得物體的真實(shí)溫度_

3)利用前置反射器輻射溫度計(jì)來(lái)測(cè)真實(shí)溫度。如前所述，在不需知道被測(cè)表面黑度值（但需大于0.6)的情況下，應(yīng)用這種溫度計(jì)即可測(cè)得物體的真實(shí)溫度。

4)減小由于黑度變化產(chǎn)生的測(cè)量誤差。溫度相同的實(shí)際物體表面，由于該表面上的黑度各處都不相同，所以輻射溫度計(jì)的輸出就會(huì)發(fā)生變化。在實(shí)際應(yīng)用中通常利用過(guò)去測(cè)的平均黑度值進(jìn)行修正，而對(duì)其變化部分并沒有給予考慮&為了減小由黑度變化所產(chǎn)生的測(cè)量誤差，采用工作波長(zhǎng)較短的輻射溫度計(jì)測(cè)量效果較好。2.熱軋帶鋼表面溫度的測(cè)量

在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，輻射測(cè)溫儀表的抗干擾能力和可靠性都不是很高，因而限制了它的廣泛應(yīng)用。近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，輻射測(cè)溫儀表的性能和可靠性有了很大改善，出現(xiàn)了各種高性能的輻射測(cè)溫儀表，因此它在工業(yè)（特別是冶金工業(yè)）中的應(yīng)用在逐年增加。這里以冶金3：業(yè)生產(chǎn)中的熱乳帶鋼表面的溫度測(cè)量為例，簡(jiǎn)介輻射測(cè)溫儀表的應(yīng)用。

用輻射溫度計(jì)測(cè)熱軋帶鋼表面溫度的方法已被廣泛采用。如圖2-67所示，從zui初加熱爐出來(lái)的鋼坯zui后到卷取機(jī)之前的整個(gè)軋制線如加熱爐出口、粗軋機(jī)的人口和出口、精軋機(jī)的人口和出口以及在卷取機(jī)前都設(shè)有輻射溫度計(jì)，用以測(cè)量各階段帶鋼的表面溫度。用此溫度信號(hào)來(lái)控制軋制速度、軋輥壓力和冷卻水流筆等。從輻射測(cè)溫的角度來(lái)觀察熱軋帶鋼生產(chǎn)有如下特點(diǎn)：

1)乳制速度高，每分鐘超過(guò)lOOOmj為了能正確地測(cè)量出帶鋼長(zhǎng)度方向上的溫度分布，需要選擇響應(yīng)速度快的輻射溫度計(jì)。

2)在整個(gè)軋制過(guò)程中，被軋制材料溫度變化很大，一般為500~1300t。

3)由于乳制和冷卻多次反復(fù)進(jìn)行，所以被軋材料的黑度經(jīng)常變化，周圍的水蒸氣濃度大而且也經(jīng)常變化。

4)帶鋼表面某些局部經(jīng)常有水膜，而且水膜的大小和地點(diǎn)變化無(wú)常，也常有鱗片狀的銹、渣和灰塵附著在帶鋼的表面。

分析上述測(cè)溫條件和特點(diǎn)以后，就要考慮選擇適當(dāng)?shù)妮椛錅囟扔?jì)|由I*硅光電池光電高溫計(jì)的響應(yīng)速度快，工作波長(zhǎng)在lpm左右，在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)既躲過(guò)了水蒸氣的主要吸收峰，而且水膜透過(guò)率也高，還可減小由于黑度變化和光路中吸收介質(zhì)所產(chǎn)生的測(cè)量誤差，因此，測(cè)量帶鋼表面溫度的儀表大多選用硅光電池光電高溫計(jì)。但是這類儀#容易受太陽(yáng)、鎢絲燈等外來(lái)光干擾，在安裝上應(yīng)予以注意。,^

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