光学高温计

分为真空灯和充气灯。
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第七章 非接触测温方法和仪表
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第七章 非接触测温方法和仪表
从传热学角度看，可以人为制造黑体
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第七章 非接触测温方法和仪表
热辐射理论是辐射式测温仪表的理论依据。在温 度测量中，主要涉及的波长范围是可见光与0.76～ 20μm的红外光区。
辐射出射度是指物体单位表面积在单位时间内所 发射的全部波长范围的辐射能量的总和，并以符号M 表示。如物体单位表面积单位时间内在波长λ处的dλ 波段内所辐射的能量为dM，则把称为物体在波长λ处 的光谱辐射出射度（又称单色辐射出射度）。显然辐 射出射度M与光谱辐射出射度Mλ之间存在如下关系：
哪些参数影响测量结果：
选定波长、物体的发射率、物体的亮度稳定性 需要：辐射源，固定温度点，黑体空腔，标准光学高温计灯。
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第七章 非接触测温方法和仪表
辐射高温计的检定： 标准温度灯：提供高稳定度的辐射源，复现800－2500 ℃ 范围内的亮度温度。
由于其结构简单，稳定度高，是目前应用最广泛的标 准辐射源。
T 4 T 4
TLeabharlann FT TF 4
1 T
用辐射温度计测出的温度要比物体的真实温度低。
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第七章 非接触测温方法和仪表
颜色温度计就是通过两个光谱能量比的方法来 测量温度的，所以也称为比色温度计。
用这种方法测量非黑体温度时得到的“颜色温 度”和真实温度有差异。我们将颜色温度定义 为：绝对黑体辐射的两个波长 1和 2 的亮度比 等于非黑体的相应亮度变化时，绝对黑体的温 度就称为这个非黑体的颜色温度。
M 1 2 5 ln
2
M 2 1
1
比色温度的概念：温度为T的物体在波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度 的比值，与温度为Tc的全辐射体在同样的波长λ1和λ2下的光谱辐射出 射度的比值如果相等，则把全辐射体的温度称为该物体的比色温度。
根据该定义，经过推导可得出物体温度T与它的比色温度Tc的关系为
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第七章 非接触测温方法和仪表
WDL－31型光电高温计的工作原理
1－物镜； 2－同步信号发生器； 3－调制镜； 4－微电机； 5－反光镜； 6－聚光镜； 7－参比灯； 8－探测元件
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第七章 非接触测温方法和仪表
特点： ①采用光敏电阻或者光电池作为感受辐射源的敏感元件
来代替人眼的观察； ②采用一参考辐射源与被测物体进行亮度比较，由光敏 元件和电子放大器组成鉴别和调整环节，使参考辐射源在 选定的波长范围内的亮度自动跟踪被测物体的辐射亮度， 当达到平衡时即可得到测量值； ③在平衡式测量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特 性如有变化，对测量结果影响较小，参考辐射源选用钨丝 灯泡，能保持较高的稳定性，因此具有较高的精度和连续 测量的特性； ④设计了手动值修正环节，可显示物体的真实温度； ⑤采用新型光敏元件，测量范围宽
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第七章 非接触测温方法和仪表
隐丝式光学高温计
隐丝式光学高温计
光学系统 红色滤波片，造成一个较窄的有效波长 吸收玻璃，目的是扩展量程 目镜和物镜是一套光学系统电测系统包括指示仪表、灯
泡、电源和调节电阻四部分。 光学高温灯泡：标准辐射源 电源、调节电阻和指示仪表组成测量电路 原理一般有电压表式，电流表式以及不平衡电桥和平衡电 桥式四种。
基尔霍夫定律 光谱吸收比

(T
)

d '(,T d ( )
)
式中，d '(,T )为照射到物体单位面积上的辐 通量(包括有不同波长 的辐射)； d() 为被
物体吸收的辐通量。
M (T )
(T )

f (T )
M (T ) : 物体的光谱辐射出射度（光出射度）
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第七章 非接触测温方法和仪表
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第七章 非接触测温方法和仪表
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第七章 非接触测温方法和仪表
1－物镜； 2－吸收玻璃； 3－灯泡； 4－红色滤波片； 5－目镜； 6－指示仪器； 7－滑线电阻； E－电源； K－开关； R1－刻线调整电阻
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第七章 非接触测温方法和仪表
亮度温度
为了校正光学高温计测量非黑体的温度比真实温度偏低的偏差。
＝5.6696 10-3W gm2K 4
T为物体的热力学温度
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第七章 非接触测温方法和仪表
维恩位移定律
热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，物体
峰值辐射波长 m与物体自身的绝对温度T成以下关系
mT 2897(m*gk)
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第七章 非接触测温方法和仪表
光学高温计测温原理： 如果已知某物体亮度与其所处温度的对应关系，如果其
T
ln 1 2
1


1


c2
(
1
1

1)
323
Tc
第七章 非接触测温方法和仪表
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第七章 非接触测温方法和仪表
辐射高温计的检定：
检定目的：为了确定高温计亮度指示与温度的对应关系是否 满足误差需求：
根据测温过程，我们需要什么工具：
定点法？示值法？
C 2
e
T
L
对上式两边取对数，并加以整理，得
1
1

1


ln
T
T
L
C
2

T
式中， ― 被测物体在温度为，波长为时的单色黑度系数；
T― 被测物体的真实温度；
TL― 被测物体的亮度温度。
已知物体的单色黑度系数，就可以通过亮度温度求出物体的真实 温度。
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第七章 非接触测温方法和仪表
光电高温计
光学高温计：是由人工操作来完成亮度平衡工作 的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能 进行连续测量和记录，当被测温度低于800摄氏度 时，光学高温计对亮度无法进行平衡。 光电高温计是在光学高温计测量理论的基础上 发展起来的一种新型测温仪表。它采用新型的 光电器件，自动进行平衡，达到连续测量的目的。
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第七章 非接触测温方法和仪表
颜色温度计和光电亮度温度计相似，也 包含有光路系统、调制系统、单色器、 光敏元件、放大器、显示仪表等。它一 般用一个开孔的旋转调制盘进行调制。 在开孔上附有两种颜色的滤光片，多选 用红色和蓝色。经调制后的单色红光、 蓝光交替照在光敏元件上，使光敏元件 输出相应的红光和蓝光的信号、再放大 并经过运算后送到显示仪表。如图所示。
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第七章 非接触测温方法和仪表
辐射换热是三种基本的热交换形式之一
波长范围 10-3m～10-8m
在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是 红外线。随着温度的升高，辐射能量急剧增加，
辐射光谱也向短的方向移动，在 500 0C 左右时, 辐射光谱包括了部分可见光；到 800 0C 时可见 光大大增加，即呈现红热.如果到 3000 0C 时，辐射光谱 包括更多的短波成分，使得物体呈现白热. 辐射测温的基本原理：观察灼热物体表面的颜色来大致 判断物体的温度
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第七章 非接触测温方法和仪表
辐射能Q 以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为 辐射能，单位为焦耳(J)
辐射能通量 是辐射能随时间的变化率，又称辐射率： 其单位是瓦特(W)
辐射强度I
在给定方向上的立体角单元内，离开点辐 射源或辐射源面单元的辐射功率除以该立体 角单元，称为该方向上的辐射强度，其单位 为瓦/球面度(W/Sr)
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第七章 非接触测温方法和仪表
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第七章 非接触测温方法和仪表
比色温度
它根据被测物体在两个不同波长下的光谱辐射出射度的相 互比值与被测温度的关系，通过测二者的比值进而测知被 测温度。
根据光谱辐射的维思公式，同一物体在波长分别为λ1 和λ2下的光谱辐射出射度的比值为
M2 M 1
c2

第七章 非接触测温方法和仪表
非接触测温主要是利用光辐射来测量物体 温度。任何物体受热后都特有一部分的热能转 变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的 能量就越多。辐射能以波动形式表现出来，其 波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可 见光、红外光一直到电磁波。而在温度测量中 主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收 以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所 以一般就称为热辐射。
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第七章 非接触测温方法和仪表
斯忒潘—玻耳兹曼定律:斯式潘根据实验得出结 论，物体的总的辐射出射度 M 0(T ) 与温度的 四次方成正比。
M 0(T ) T 4
对于非黑体的一般物体：
M (T ) T T 4
式中：
T为温度为T时全波长范围的材料发射率，也称为黑度系数；
为斯忒潘－玻耳兹曼常数；
定义：当被测物体为非黑体，在同一波长下的光谱辐射亮度 同绝对黑体的光谱辐射亮度相等时，则黑体的温度称为被测 物体在波长为时的亮度温度。
L 0 L0 (T )
T T
T
L
左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度
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第七章 非接触测温方法和仪表
根据维恩公式有
C2
T e T
式中，T和TF分别为物体的真实温度和辐射温度；T为温 度T时物体全辐射的黑度系数
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第七章 非接触测温方法和仪表
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第七章 非接触测温方法和仪表
辐射温度
对于辐射式温度计，它是以绝对黑体的辐射能为基准对仪器 进行分度的，所以仪器测出的值称为辐射温度。
辐射温度的定义：黑体的总辐射能等于非黑体的总辐射能 时，此黑体的温度即为非黑体的辐射温度。根据全辐射强度 定理，总辐射能相等，则有：
∫ M
∞
M
0

d
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第七章 非接触测温方法和仪表
物体的亮度与物体辐射出射度的大小是成正比关系的。
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第七章 非接触测温方法和仪表
普朗克定律:
也可用亮度表示：
式中，为波长；c1为普朗克第一辐射常数, c2为普朗克 第二辐射常数，h为普朗克常数；c为光速；k为玻耳兹曼 常数
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第七章 非接触测温方法和仪表
c e 5 1T
2 1 1
c2
c e 5 1 1 2
2T
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第七章 非接触测温方法和仪表
式中 Mλ1、Mλ2——分别为在波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度； ελ1 、ελ2——物体在波长λ1和λ2时的光谱发射率； T——物体的温度。
经整理，可得
T

ln
c2
(
1 2

1) 1
在热平衡时被分析物体向四周的辐射功率等于 它吸收的功率，
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第七章 非接触测温方法和仪表
同样温度下，普通物体与绝对黑体向外界辐射能 量的能力是不一样的。为什么？
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第七章 非接触测温方法和仪表
M (T
M
0
(T
) )

(T
)
(T ) (T )
假设物体温度不变，物体此时与外界热交换途径 只有辐射方式，则物体吸收的辐射能将全部以辐 射的方式传向外界。同样的能量辐射给绝对黑体 和普通物体，绝对黑体吸收的多，辐射也就多。 光谱发射率等于它的光谱吸收率。
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第七章 非接触测温方法和仪表
隐丝式 利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮 度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测 物体的亮度温度。
恒定亮度式 利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与 恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根 据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。由于隐 丝式光学高温计的结构和使用方法都优于恒定亮度式，所 以应用广泛。
他物体的亮度与之相等，他们的温度相等。
精密光学高温计用于科学实验中的精密测试； 标准光学高温计用于量值的传递，例如，在物质熔点、热 容量和相变点的测定中使用。光学高温计可用来测量8003200摄氏度的高温
由于采用用肉眼进行色度比较，所以测量误差与人的经验 有关。光学高温计测量的温度称为亮度温度测对象为非黑体 时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。
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第七章 非接触测温方法和仪表
（一）全辐射温度计 全辐射温度计是利用物体的温度与总辐 射出射度全光谱范围的积分辐射能量的 关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳 兹曼定律总辐射出射度为：
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第七章 非接触测温方法和仪表
只要采用敏感元件测量出这辐射功率的大小，就可以测量 出被测对象的温度。
应该注意的是仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分 度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温 度自然要低于被测物体的实际温度。我们一般把这个温度称 为“辐射温度”。
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第七章 非接触测温方法和仪表
黑体（绝对黑体）：照射到物体上的辐射能全部被吸收， 既无反射也无透射。
透明体：照射到物体上的辐射能全部透射过去， 既无吸收又无反射。
镜体、白体：照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体 表现平整光滑，反射具有一定规律，则该物体 称之为镜体若反射无一定规律，则该物体称为 绝对白体或者简称为白体.