红外辐射测温理论第08章

当测量温度5.6 17732 0.01 ＝ 12.24K R 14388 1.0
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黑体空腔钢水连续测温方法 与传感器
黑体空腔钢水连续测温方法与传感器
图5 水膜产生的测量误差
图6 水膜透过率
光路中的水膜、水蒸气及尘埃对辐射温度计的正常测温都会 带来非常不利的影响。为了尽量消除这些不利因素，除按上述在
短波下测量的方法以外，通常用压缩空气吹散水膜，或用仪表风
清洗光路都是有效的。如果仪表风不足，可用一般压缩空气，但 必须经滤清器处理。如果压缩空气中水分太多，也不宜直接使用，
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一、钢水连续测温意义与现状
冶金工业,炼钢、连铸过程： 控制钢水温度和成份的过程。
高温钢问题： 钢水质量下降 能耗增加(约1元/℃.t) 原材料消耗增大 耐材消耗增大

冶金生产过程
解决高温钢问题的关键是： 准确和及时地测量钢水温度。
的设置不应阻碍生严操作，并尽量靠近被测表面。 当遮蔽装置将在很高的温 度下工作，这样遮蔽装置本身 又成了新的外部光源了。这时 应当用空气或水对遮蔽装置进 行冷却，尽量压低它的辐射。 另外，还可以改变测量方向， 躲过外来光对被测表面的照射。
8.1.3 发射率变化产生的测量误差
对于不透明物体，如果没有反射成分，假定温度为T， 发射率为时，应用维恩公式辐射温度计的输出为：
的辐射温度计侧脸物体的温度，这样可以减小由于发射率变化产
生的测量误差。
例：辐射温度计工作波长=1.0m，发射率从0.8变化为0.82 （2.5%）时，在1000℃（1273K）下测量，则由于发射率变
化产生的温度测量误差为：
T 2 1.0 12732 0.02 T 2.8K C2 14388 0.8
从上式中可以看出：被测物体的发射率越小，则式中右边 第二个求和项越大，即混入测量光中的外来光干扰量越大， 外部光源的温度越高，这个干扰量也越大。
用光学高温计测量黑度为0.6l
的钢材表面温度时，由于白昼光
的干扰也会产生测量误差如图8所 示，钢材的温度在1000℃以上时，
照度在3000lx(勒克斯)以下的昼光
图4 由于水蒸气产生的测量误差
为了研究水蒸气对辐射测温的影响，在—个加热的圆盘
和辐射温度计之间吹入水蒸气进行实验。实验中，由于水蒸
图4 由于水蒸气产生的测量误差 气定量困难，很难作到对于各种辐射温度计都复现相同的蒸
气里，所以实验点分散较大。但从图4中可以看出，探测器
为热电堆或PbS的辐射温度计误差较大，在850℃时，误差
C2 e xp T C 1 1 1 K ' 1 e xp 2 T C2 2 2 1 e xp T 1
VR
V 1 K ' 1 V 2 2
黑体空腔钢水连续测温方法与传感器
的平方成正比。
比色测温仪的两个波长设置根据测温范围而不同，作为 典型的例子在800℃以上高温测量用比色测温仪为 （0.85m/1.0m），在500℃以上中温测量用比色测温仪为 （2.1m/2.4m），其各自的有效波长为： r 0.85 1.0 5.6 μ m
r 2.1 2.4 16.8 μ m
在500℃下（其它条件相同）温度测量误差为： T 2 1.0 7732 0.02 T 1.04K C2 14388 0.8 在1500℃下（其它条件相同）温度测量误差为：
T 2 1.0 17732 0.02 T 5.46K C2 14388 0.8
需要经脱湿机处理。
8.1.2 外来光干扰
不透明的物体表面温度为T，发射率为，自身的单色辐射 功率为Eb(，T)。在测温现场往往还有作为辐射源的其他一 些物体也向外辐射出能量，这些能量中有—部分到达被测物体 表面上，其中一部分被吸收，另一部分被反射而混入到测量光 中，混入的这部分光即所谓外来光干扰。
被测表面和辐射温度计之间在测量上所必须行经的空 间距离叫作光路。
如在冶金生产中，为了冷却设备和产品，常常在被测表 面上停留有水膜，在被测表面附近还经常存在着浓度经常变 化的水蒸气。水蒸气、二氧化碳等气体介质对辐射能的吸收 是有选择性的，即对某些波长的辐射能有吸收能力，而对另 一些波长的辐射能则是透明的。由于这些气体介质在光路中 对来自被测物体的辐射能有选择性的吸收，从而减弱了入射 到辐射温度计中的辐射能，因而造成测量误差。
生产现场空气中还悬浮很多尘埃，这些尘埃对辐射能吸 收是没有选择性的，但常常伴随有散射。空气中的尘埃对于 辐射的吸收和散射虽然物理本质不同，但其效果都是减弱入 射到辐射温度计中的辐射能，从而造成测量误差。
外来光的干扰
指从其他光源入射到被测表面上并且被反射出来，混
入到测量光中的成分。如在室外测量时的太阳光，在室内
此处将r称为比色测温仪的有效波长，将R称为灰度，则有：
1
r

1
1

1
2
R
1 2
∴
C2 VR K ' R e xp T r
由此可以得到与（5）一样的表达形式：
T
rT 2 R
C2 R
可见，温度测量误差与单色温度计的形式相同，即由于灰 度变化产生的温度误差与比色温度计的有效波长成正比与温度
干扰可以忽略不计。钢材的温度 在1000℃以下时，最好在较暗的
条件下测量。900℃以下时，照射
在钢材表面上几百勒克斯的照度 也是不能忽视的。
图8 白昼光反射的干扰
对于一些固定的难以避免的外部光源，如不设置遮蔽装置， 在测量中也会造成很大的测量误差。为了防止遮蔽装置的内部与被
测表面之间发生的多次反射，遮蔽装置的内侧面应涂黑。遮蔽装置
E ,eff Eb , T 1 Eeff ,k , Tk Fak
k 1 n
式中，Aa为被测物体的面积，Ak为温度Tk物体的面积，Fka为物体k对 被测物体的角系数，Fak为被测物体对物体k的角系数，
Eeff,k(,k)为k物体的有效辐射功率。
图7 外来光干扰的形成
设被测物体周围有n个温度不同、位置也不同的辐射光源， 则被测物体的有效辐射为：
E ,eff Aa Eb , T Aa 1 Eeff ,k , Tk Ak Fka （k=1,2,3,,n）
k 1 n
因为有AaFak=FkaAk的关系，所以上式变为：
如果辐射温度计工作波长=2.0m，在1000℃下（其它条件相同）
温度测量误差为：
T 2 2.0 12732 0.02 T 5.6K C2 14388 0.8
在500℃下（其它条件相同）温度测量误差为： T 2 2.0 7732 0.02 T 2.08K C2 14388 0.8 在1500℃下（其它条件相同）温度测量误差为：

dT
T 2 dV
C2 V
（ 3）
式（1）对求导，可得 dV d V 将（4）代入（3），可得：
T 2 d T 2 dT T C2 C2
（ 4）
从该式可以看出：由于发射率变化产生的温度测量误差与波长成 正比，与温度（K）的平方成正比。据此应尽量选择工作波段短
第八章 辐射测温应用技术
8.1 红外辐射测温中的干扰
辐射式温度计属于光学测量装置，在测量中常常受到光
学方面的外界干扰。这些干扰大致可分为光路中的干扰，外
来光干扰和发射率变化干扰等几类。此外，在辐射温度计本 体的信号变换与处理过程中，不可避免地还会有机械振动、 温度变化和电磁方面的干扰。
光路中的干扰
测量时的照明，附近的加热炉和火焰等都是外来光的光源。
图1 辐射测温中的各种外部干扰
发射率变化干扰
物体的发射率不仅与温度和波长有关，而且即使是同种物 质也与其表面粗糙度、锈蚀和氧化程度等因素有关。如果对物 体发射率评价的不准确或发射率在某已知平均值附近无规则变 化，部将造成测量误差。
图1 辐射测温中的各种外部干扰
当灰度R从1.0变化到1.01（1％）时，其温度测量误差的 计算与单色温度计计算方法一样，即当测量温度为1000℃时，
T
rT 2 R
C2
5 .6 12732 0.01 ＝ 6.3K R 14388 1.0
当测量温度为500℃时，
T
rT 2 R
C2
16.8 7732 0.01 ＝ 6.9K R 14388 1.0
图2 被测目标的辐射能、光学材料透过率 和探测器面的探测率的相关图
8.1.1光路中的干扰
根据第一章辐射能在吸收性气体中的哀减规律，即布尔定律：
Il I 0e K l
可以看出，被测目标与辐射温度计的距离越远，即 l 越大， 被测物体发出的辐射能被衰减的越多。吸收性气体(水蒸气、
二氧化碳等)在被测目标和辐射温度计之间浓度越大，即K越
C2 V k e xp T
（ 1）
式中，k为辐射温度计机构常数，C2为普朗克第二常数，为波长。
根据上式可求得温度T值：
T C2 1 V ln k
（ 2）
式（1）对T求导，可得
dV C V 22 dT T
大，被测物体发出的辐射能也被衰减的越多。
水蒸气、二氧化碳和臭氧等多原子气体都具有相当强的吸 收能力。图3表示出水蒸气、二氧化碳和臭氧的吸收波段和它 们吸收带的叠加。在波长1.4~1.85、2~2.5、3.3~4、8-14mm内 的辐射能被吸收较少，称为大气窗口。