第五章 热处理炉温温度测量技术

（三）光电高温计 将光学高温计的标准灯或全辐射高温计的热 电堆换成合适的光敏元件，再配以适当的放大电 路，可以构成自动测量并适合于远距离探测的各 种光电高温计。如光电亮度高温计、红外温度 计、比色光电温度计和光纤光电温度计等等。 1．亮度光学高温计 用光电元件取代光学高温计中的标准灯泡就 可自动测量被测对象的亮度温度。这种高温计可 以选择可见光，也可以选择红外线，或者兼用可 见光与近红外光。
当被测对象比灯丝亮时，灯丝相对地变为暗色。当被 测对象比灯丝暗时，灯丝成为一条亮线。调节滑线电阻 R，使灯丝亮度和被测对象亮度相同时，灯丝影象就消失 在被测对象的影象中，这时毫伏计指示的温度即相当于被 测对象的温度。再经单色辐射黑度的修正就可得到实际温 度。
（二）全辐射高温计 全辐射高 温计是利用被 测对象的辐射 热效应原理测 量温度的。
§5－2 常用热处理炉温测量方法
工件在热处理炉中加热时，加热元件、炉内介质、炉 工件在热处理炉中加热时，加热元件、炉内介质、炉 壁、工件以及仪表的感温元件之间进行着复杂的热交换。 壁、工件以及仪表的感温元件之间进行着复杂的热交换。 只有上述各部分之间达到热平衡状态时，感温元件所反映 只有上述各部分之间达到热平衡状态时，感温元件所反映 的温度才认为是代表了炉子或工件的温度。 的温度才认为是代表了炉子或工件的温度。
二、辐射测温仪表
表1－6
辐射温度计 类型 光学高温计 测量单 色辐射 亮度
辐射测温仪的类型
测温原理 实现方 法 敏感元件 工作波长 (μm) 0.6～0.7 0.3～1.2 0.4～1.1 0.6～3.6 响应时间 （s） 取决于操作 者 ＜3 (＜1) 测量范围 （℃） 800～3200 准确度
光电高温计包含两大部分：一是光学系统，包括瞄准 光路、测量光路、光调制器和单色器。二是测量放大显示 装置。由于测量方式不同，它有二种构成方式。
1－被测物体 6－显示仪表
图5－5 单光路光电高温计原理 2－透镜 3－滤光片 4－光电元件 7－调制盘 8－电机
5－放大器
图5－6
双光路光电 高温计原理
(a)非恒定参比亮度的双 光路光电高温计 (b)恒定参比亮度的双 光路光电高温计 1-被测物体 3-滤光片 5-放大器 7-调制盘 9-参比光 2-透镜 4-光电元件 6-显示仪表 8-电机
2.光纤辐射高温计
光纤辐射温度计 除探头外，其他部分 与辐射和光电高温计 无原则不同。光纤探 头形式有多种多样， 如光导棒式、透射式 等等。以光导棒式为 例，探头是以石英光 纤预制成光导棒，一 般 直 径 为 3mm ， 长 为 100mm，表面覆一层折 射率较低的玻璃。
c2 C1 λ T [e －1]－1 5
λ
当C2／λT＞＞1时，普朗克公式可以用简单的维 恩公式代替：
−5
C2 − λT
M (λ , T ) = C1λ
e
式中，M（λ，T）的含义及常数C1、C2与普朗克 公式相同。
Fra Baidu bibliotek
普朗克公 式所确定的黑 体温度、波长 和单色辐射强 度的关系
黑体辐射强度与波长、温度之间的关系
图5－8光纤比色高温计原理系统
（四）红外测温计
凡是利用物体辐射的红外光谱进行测温的技术都称为 红外测温，红外测温计的结构与以前讲的光电高温计基本 相同，只是将光学系统改为透射红外的材料，热敏元件改 用相应的红外探测器，这样就构成了红外辐射温度计，
图5－9
红外辐射测温计原理
被测物体的红外光由窗口2摄入光学系统，经分光片3、 聚光镜4和调制盘5转换成脉冲光波投射到黑体腔6中的红外探 测器上，红外探测器的输出信号经运放A1和A2整形和放大后， 送入相敏功率放大器，经解调和整流后输出到显示器，显示 出相对应的温度。 为对准被测目标所要测定的部位，由分光片3、反光片7以 及8、9、10透镜组成的目镜系统，可以观察被测目标，并可 进行对准操作。
一、箱式炉温度的测量方法
1. 炉内温度分布，一般是炉门处温 度最低，电热元件附近温度最高，感 温元件一般采用热电偶。 2.中温箱式电炉，热电偶的插入位置，一般 都垂直安装在炉顶上，位于中心偏后的位置。 使其处于炉膛温度的均匀区。插入深度一般不 小于保护管外径的8～10倍。 3. 高温炉热电偶插入孔位于后墙，热 电偶需水平安装，如果插入炉内部分过长 时，需要耐火材料或耐热钢支架支撑。使 用一段时间后需转动180度。
第五章
热处理炉温测试技术
§5－1
幅射测温
辐射测温是一种非接触式测温，在测温过程中测温 探头不必与被测对象发生热接触，也不必与被测对象 达到热平衡。例如，热处理高温盐浴炉和1600℃以上 的超高温加热炉的炉温检测均采用辐射测温。 一、辐射测温的物理基础 单位表面积物体在单位时间内所发射的能量称为辐 射能力或辐射强度。绝对黑体的辐射能力与其温度有 关，且随热辐射线的波长而变化，不同温度下，绝对 黑体辐射能量按波长分布的规律由普朗克定律确定， 即
M (λ , T ) =
式中：
c2 C1 λ T [e －1]－1 5
λ
（5－1）
M（λ，T）为黑体辐射强度（W/m3）；λ为波长（m）； C1为第一辐射常数，C1＝3.7418×1016（W·m2）； C2为第二辐射常数，C2＝1.4388×10－2（m·K）； T为黑体的绝对温度（K）；
M (λ , T ) =
1．令普朗克公式的波长λ为常数，则有：
M (λ0 ,T ) = C1 [e
c2 λ 0T
λ05
－ 1 ]－ 1 = g ( T )
黑体在特定的波长上的辐射强度是温度的函数。 2．当温度一定时，单色辐射强度随波长的变化而变化， 存在一个单色辐射强度的最大值。维恩移动定律指出，峰值 M（λ，T）对应的波长λm与温度T的乘积是一个常数，即
图5－2 光学高温计示意图 1－物镜 2－旋钮 3－吸收玻璃 4 －光度灯 5－目镜 6－红色滤光片 V－毫伏计
1－物镜 2－旋钮 3－吸收玻璃 4－光度灯 5－目镜 6－红色滤光片 V－毫伏计
由物镜1和目镜5组成的光学部分相当于一架望远镜，移 动目镜5可以清晰地看到光度灯灯丝的影象。移动物镜1，可 以看到被测对象的影象，它和灯丝的影象处于同一平面上。 这样，就可以将灯丝的亮度和被测对象的亮度进行比较。
4. 热电偶冷端应处于稳定温度场 范围内，冷端温度不得超过100℃。 5. 尽可能避免接线盒靠近炉壁，热 电偶与插孔间的缝隙应用石棉绳等塞 严。 6. 在使用过程中，要避免热电偶的 污染以免其热电性发生变化。 7. 热电偶及其补偿导线与显示仪表连接 时，要严格符合抗干扰要求，以尽可能排除外 界干扰，减少附加误差。
感温元件所代表的炉温，实质上是炉膛中感温元件所 感温元件所代表的炉温，实质上是炉膛中感温元件所 在区域的介质温度，所以，炉膛温度分布的均匀性以及感 在区域的介质温度，所以，炉膛温度分布的均匀性以及感 温元件在炉膛中安装的位置是否适当，就成为感温元件是 温元件在炉膛中安装的位置是否适当，就成为感温元件是 否真却反映炉温或工件温度的重要条件。 否真却反映炉温或工件温度的重要条件。
定律
入眼 光电倍增管； 硅光电池； 硫化铅光敏电 阻
±（0.5～1.5）％
光电高温计
普朗 克定 律
400～2000
±（0.5～1.5）％
比色高温计
测量两 个单色 辐射亮 度比值
硅光电池
0.4～1.1
＜3
400～2000
±（1～1.5）％
全辐射高温 计
部分辐射高 温计
斯忒 藩－ 波尔 茨曼 定律
测量全 辐射或 部分辐 射的能 量
图5－3 全辐射高温计示意图 1－物镜 2－热电偶 3－目镜 4－温度显示仪表
图5－4 瞄准时的图像
实际上，辐射高温计的热敏感元件不只是一只热电 偶，而是一组（8对或16对）直径为0.05～0.07mm的镍铬－ 考铜热电偶串联组成的热电堆，热电偶的热接点焊在涂有 铂黑的瓣形镍箔上（图5－4中的8片对称排列的黑色扇形 片，又称为靶心）。热电偶的冷端由考铜箔串连起来。为 了自动补上环境温度变化带来的误差，采用了双金属片补 偿光栅（图5－4中右下方遮住瓣形镍箔的黑影即光栅）， 其位置可根据输出值的高低进行调整。
图5－9 红外辐射测温计原理
§5－2 常用热处理炉温测量方法
工件在热处理炉中加热时，加热元件、炉内介质、炉 工件在热处理炉中加热时，加热元件、炉内介质、炉 壁、工件以及仪表的感温元件之间进行着复杂的热交换。 壁、工件以及仪表的感温元件之间进行着复杂的热交换。 只有上述各部分之间达到热平衡状态时，感温元件所反映 只有上述各部分之间达到热平衡状态时，感温元件所反映 的温度才认为是代表了炉子或工件的温度。 的温度才认为是代表了炉子或工件的温度。
热电堆 硅光电池 热敏电阻 热释电元件 硫化铝光敏 电阻
0～∞ （0.4～ 14） 0.4～1.1 0.2～40 4～200 0.6～3.0
0.5～4
600～2500
±（1.5～2）％
＜1
-50～3000
±1％
（一）光学高温计
光学高温计是采 用特制光度灯的灯丝 亮度相比较来进行温 度测量的。当确定了 光度灯丝亮度与温度 之间对应关系后，即 可求出被测对象在相 同亮度下的温度范围 值。
c2 C1 λT M (λ , T ) = ε (λ , T ) [e －1]－1 5
(5－5）
λ
M ( λ , T ) = ε( λ , T )C 1 λ e
－5
c － 2 λT
(5－6）
对于物体的单色辐射，ε(λ,T)称为物体的单色 辐射黑度（或称光谱发射率），定义为：物体在温度T 时的单色辐射强度与同温度、同波长式的绝对黑体的单 色辐射强度之比。 对于全辐射，用ε(T)表示物体的（全）辐射黑度 （或称全发射率），定义为：物体在温度T时的辐射强 度与同温度下的绝对黑体的辐射强度之比。 物体的黑度由物体表面材料的性质和表面状态及 温度表示。绝对黑体的ε(λ,T) ＝ε(T)＝1，灰体 ε(λ,T)和ε(T)都小于1。
感温元件所代表的炉温，实质上是炉膛中感温元件所 感温元件所代表的炉温，实质上是炉膛中感温元件所 在区域的介质温度，所以，炉膛温度分布的均匀性以及感 在区域的介质温度，所以，炉膛温度分布的均匀性以及感 温元件在炉膛中安装的位置是否适当，就成为感温元件是 温元件在炉膛中安装的位置是否适当，就成为感温元件是 否真却反映炉温或工件温度的重要条件。 否真却反映炉温或工件温度的重要条件。
∞ 0
M (λ , T )dλ = σT 4 = F (T ) ∫
（5－4）
式中，σ为斯忒藩－波尔茨曼常数， σ＝5.67032×108 W/(m2·K4)。 黑体在整个波长范围内的辐射强度与温度的四次方成 正比，是温度的单一函数。
4．当波长等于常数时，M(λ,T)仅是温度的函数。温度 越高， M(λ,T)的变化速率越快，不同的波长下， M(λ,T) 随温度的变化的速率不同。波长越短， M(λ,T) 随温度的变化速率越大。取两个不同波长λ1和λ2，则 有：
λ mT = 2.898 × 10 −3
( m·K)
(5－3)
当温度升高时，M（λ，T）向波长减小的方向移动， 如果测出绝对黑体单色辐射强度的最大值及所对应的波 长，就可算出绝对黑体的温度T。
3．绝对黑体的总辐射强度与表面温度之间的关系，满 足斯忒藩－波尔茨曼定律，对普朗克公式，在整个波长 范围内积分：
图5－7
光导棒探头
1－光导棒 2－光导棒与光纤接头 3－光纤 4－吹气引入口
光纤比色高温计原理系统图，探头可用光导棒或透射 镜。光纤所传递的辐射光没有选择性，在通过调制盘2时， 由于调制盘上两半圆上的红外滤波片不同，在一个半周内通 过的波长为λ1，在另一个半周内通过的波长为λ2。两束波 长交替投射到光敏元件上，产生不同的光电流I1和I2，交替 送入比值放大器，在同步信号驱动下，分别进行放大后，进 行比值计算，运算后的比值信号经线性化处理、A／D转换后 送入数字显示仪显示。
M (λ 1 , T ) C1λ 1 e 1 λ 1 − 5 CT2 ( λ1 − λ1 ) = = ( ) e 2 1 = f (T ) − 5 − C2 M ( λ 2 , T ) C 1 λ 2 e λ 2T λ2
C −λ 2 T
−5
由此可见，两个特定波长的辐射强度之比仍为温度 单值函数。
普朗克公式和维恩公式是对绝对黑体而言的。实际上 绝对黑体是不存在的，客观存在的物体都是所谓的“灰 体”。实际物体的辐射能力都低于绝对黑体。常用黑度(或 称发射率)来表示物体辐射能力接近绝对黑体的程度。 对于实际物体，可以对普朗克公式和维恩公式进行 修正。