辐射温度计

辐射温度计

一．概述

辐射温度计属非接触式测温仪表，是基于物体的热辐射特性与温度之间的对应关系设计而成。其特点为：测温范围广，原理结构复杂；测量时，感温元件不与被测对象直接接触，不破坏被测对象的温度场；通常用来测定1000℃以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度或表面温度；但不能直接测被测对象的真实温度，且所测温度受物体发射率、中间介质和测量距离等因素影响。

1.1 辐射测温技术的发展历史与现状

在仪器制造方面，辐射温度计的发展经历了以下几个阶段：隐丝式光学高温计阶段；用光电倍增管作为检测器的光电高温计阶段；以及用硅光电二极管、碲镉汞等作为检测器的光学测量和光电精密测温阶段。

隐丝式光学高温计出现在本世纪初，直到现在仍在高温(800℃以上)测量领域中被使用。1927年国际温标采用此种高温计作为金点以上的温度复现及传递标准器。它的工作原理是在峰值为650nm并在尽可能小的带宽内，使目标与钨灯灯丝的亮度平衡，灯丝消隐在目标中。由于要人眼比较亮度平衡，手动调节灯丝电流，因此，人为误差大，不适于自动控制系统。

60年代中期，出现了用光电倍增管作为检测器的光电高温计。它是以光电倍增管替代隐丝式光学高温计中的人眼来作亮度比较，具有较高的灵敏度和精度，且不需要人参与，因而被美国标准局NBS等国家实验室用来复现国际实用温标。我国也曾采用此种检测元件研制成比较式的基准光电比较仪及高温计式的标准光电高温计，用以复现金点以上的国标温标及传递800~2000℃的高温实用温标。

在70年代初，Witherell和Faulhaber指出：硅光电探测器稳定性、线性度及灵敏度优良、结构牢固、寿命长、且价格适中，适合于精密光度测量，同时Ruffino在噪声和检测数据方面证明了硅光电二级管应用到高分辨率温度计的可能性。不久，在意大利国家计量院IMGC制成了用硅光电二极管作为检测元件的高精度光电高温计。

与此同时，辐射温度计的工作波长亦从单波长逐步发展为两色(比色)和多色，从短波到长波，仪器的功能亦逐步丰富和智能化。仪器的测量精度、响应速度、稳定性、分辨率都达到了相当高的水平，测温范围亦从以往的中高温延伸到室温或更低温度。

辐射测温技术近30年取得的主要成果有：在测温范围方面，最高可达500万摄氏度，如地下核爆炸火球温度，最低可达-170℃；灵敏度方面有的基准或标准光电高温计在金点温度已达到0.0001K，工业仪表可达0.1K；反应时间方面最快可达微秒级；最小可测目标直径为0.5mm，显微测温仪则可达0.01mm。

1.2 辐射温度法及辐射温度计

辐射测温法包括亮度法（光学高温计）、辐射法（辐射高温计）和比色法（比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。

1.3 辐射温度计的主要计算公式

二．亮度温度计

亮度温度计是目前高温测量中应用较广的一种测温仪器，主要用于金属的冶炼、铸造、锻造、轧钢、热处理以及玻璃、陶瓷、耐火材料等工业生产过程热处理以及玻璃、陶瓷、耐火材料等工业生产过程高温计两类。光学高温计应用历史鼓长，但必须用肉眼进行亮度平衡，因此容易带有主观误差，同时无法实现自动记录、控制和调节，受肉眼限制，测量下限为700℃。近30年来迅速发展的光电高温计，以光电元件代替肉眼进行测量，可以弥补以上缺点。而且光电元件的光谱比肉眼宽，进而可以扩展测温范围。与滤光片配合，可以优选测温的波段，易避开水蒸气、二氧化碳等吸收带，使溢度计更适合于工业恶劣环境下测温。20世纪70年代以后，开始将微处理器应用于光电高温计，使仪器钾能化和小型化，进而提高仪器测景的准确度。

2.1 测温原理

亮度温度计，又称单波段温度计，是利用各种物体在不同温度下辐射的单色辐射亮度与温度的函数关系制成的。它具有较高的准确度，可作为墓准或侧沮标准仪表用。亮度温度计的理论基础是普朗克黑体辐射定律。

2.2 典型亮度温度计

可分为光学高温计和光电高温计两类。前者又分为工业隐丝式光学高温计、恒定亮度式光学高温计、用于科学实验精密测试的精密光学高温计和用于量值传递的标准光学高温计。

2.3 使用注意事项

2.3.1 非黑体辐射的影响

2.3.1.1 材料发射率的印象因素

1）波长：金属的光谱发射率随着波长的增大而减小；而非金属材料包括某些金属氧化物的光谱发射率则随着波长的增大而增大。

2）温度：金属的光谱发射率随着温度的升高而增大；非金属的光谱发射率随着温度的升高而减小。

3）表面条件：通常发射率随着粗糙度和氧化程度的增加而增大。

4）发射角：发射角是指发射方向与材料表面法线的夹角。对于发射率与发射角之间的依赖关系，金属材料要比非金属材料强。光滑的金属表面的定向发射率随着发射角的增加而增加。

5）偏振状态：一般不会对实际测温产生很大的影响。

2.3.1.2 人造黑体空腔

典型的很提空腔包括：圆筒形（带盖或不带盖）、圆锥-圆筒形（带盖或不带盖）、内凸锥形-圆筒形（带盖或不带盖）、双锥形、带盖锥形、球形

2.3.1.3 发射率的计算

1）多次反射理论；

2）积分方程理论；

3）Mont-Carlo理论。

2.3.2 工作波段的选择

1）对于金属材料，它们的光谱发射率随着波长的增大而减小，因此选择短波是有利的。

2）对于大多数玻璃和某些陶瓷材料来说，它们在短波下是部分透明的，从而难以测量。因此，选择较长的工作波长对于这些材料的准确温度测量是必须的。

3）塑料材料的光谱发射率曲线表明，它们在红外区域内的一定波长下具有峰值。因此，工作波段应选择在峰值波长附近。

4）在低温测量中，由于辐射能量很小，所以必须要考虑大气吸收。在一定光谱区域内，大气吸收为最小，因此常选择该区域作为工作波段进行测量。该区域的波长范围大约是8- 145m，也称为“大气窗口”。

2.3.3 中间介质吸收的影响

理论上光学高温计与被测目标间没有距离上的要求，只要求物像能均匀布满目镜视野即可。但实际上其间的灰尘、烟雾、水蒸气和二氧化碳等对热辐射均有散射效应和吸收作用，从而使测是值偏低。相反，外来反射光线(如日光、火焰、强的照明光等)可使测址值增加。所以实际使用时，为减少外来光的干扰，可对温度计采用遮光装咒;为减少中间介质的吸收，光学高温计应距被测物体不宜太远，一般在1-2m内比较合适。

2.3.4 周围环境的影响

工业用亮度温度计通常在10一50℃环境温度下使用，否则标准灯会受环境温度影响产生较大误差。仪表内部可调线圈电阻也会随温度变化产生附加误差。此外，温度计工作现场应避免有强磁场的干扰。

2.3.5 被测对象

亮度温度计不宜测量反射光很强的物体；也不能测址不发光的物体。

2.3.6 其他

对光电高溢计，由于标准灯和光电器件的特性有较大的分散性，使器件互换性差，因此在更换标准灯和光电器件时需要重新进行调整和分度。另外，流过标准灯的电流方向应与分度时保持一致。

三. 比色温度计

通过测量被测物体在两个不同指定波长下的光谱辐射亮度之比来实现测温的仪表，被称