12.1 辐射测温的特点与类型在线视频

各位同学大家好

我是天津大学机械工程学院

《工程中的流动测试理论与方法》的

主讲老师李敏霞

今天由我来给大家讲述

《辐射测温法》这一章节的内容

这一章节的参考文献

温度的测量与控制第六章

是由姜忠良 陈秀云老师编著

清华大学出版社出版

那么我们开始这一章之前呢

我们首先要知道辐射测温的物理基础

什么是热辐射

热辐射是指物体表面向外发射热能

以电磁波的形式传递能量

那么也就是说

热辐射是以波的形式进行传播的

但是并不是所有的波都可以称为热辐射

那么我们大家来看一下

那么波的波长从大到小有很多

从γ射线到无线电波有很多种波

但是可以称为热辐射的只能是一小段

那么包含了部分可见光

有一点点紫外线和红外线的大部分

才能称为热射线

也就说这些波长类的辐射的能量

可以称为热辐射

那么下面我们要介绍一些基本概念

首先呢是黑体

它是指吸收投入到其表面上

所有热辐射能的物体

也就说所有的热能投入到这个物体上

它把这些能量都能够吸收掉称为黑体

那么在自然界呢是没有黑体这个物体的

但是我们可以通过人造来设计出黑体

黑体呢它在这个辐射里面呢

是非常重要的一个概念

那么它的原理呢

是所有的热辐射理论的一个基础

那么知道了黑体它的辐射理论

那么引申出其它实际物体它的辐射情况

然后才能进行计算

以后呢要了解一下这个黑体

它的所有的基本概念

那么下面一个概念是辐射通量Q

物体单位时间内全部辐射光谱的总能量

这个是比较好理解的那么它的单位呢是瓦

辐射强度我们用l来表示

它是辐射源在给定方向上的

单位立体角元内的辐射通量

它的单位呢是瓦特每球面度

所以呢它跟辐射通量呢

之间会差一个球面度的单位

还有辐射出度M我们也称为呢是辐射力

是辐射源在单位表面积上的辐射通量

这里面呢就跟Q之间呢差了一个单位表面积

还有辐射亮度

是辐射源在垂直于给定方向上的

平面上的单位正投影面积内的辐射通量

单色辐射亮度Lλ它跟辐射亮度L的区别呢

是在辐射光谱中

某一波长附近的单位波长内的辐射亮度

所以它里面呢就是说是在某一波长附近

所以它存在一个小λ的一个角标

那么下面我们再看一下这些基本概念

首先是发射率也称为黑度我们用ε来表示

它指的是相同温度下

实际物体的半球总辐射力

与黑体半球总辐射力之比

也就是说实际物体的它的辐射力

和黑体之间的一个比值

也就是说它肯定是小于1的这样的一个值

因为呢黑体的半球辐射力是最大的

那么实际物体呢

它的半球辐射力总是小于同温度下

黑体的半球总辐射力

实际物体的ε就是小于1

也就是说发射率ε它是小于1的

那么怎么来进行辐射力的计算呢

或者是单色辐射力的计算呢

那么就要用到普朗克定律

那么这是普朗克他给出的这样的一个公式

同时呢亮度呢与单色辐射力之间差了一个π

同时呢维恩呢也根据普朗克定律

给出了近似的公式

也就是说当c2比上λT远小于1的时候呢

那么就可以简化成维恩的近似公式

维恩呢他也发现了位移定律

也就是说最大单色辐射力

所对应的波长与温度的乘积是一个常数

也就是说它的最大的单色辐射力波长

与温度之间呢是成反比的

也就说单色辐射力越大

它所对应的它的波长呢

和温度之间呢是固定的

那么总的辐射力怎么来进行计算呢

它是遵循斯忒藩-玻耳兹曼定律的

那么M0等于σ0乘以T的4次方

我们就可以根据这个定律呢

我们就可以计算出黑体的半球总辐射力

那么有了M0

那么我们就可以计算实际物体的半球总辐射力

那么大家看一下

实际物体的半球总辐射力呢

那么就是在黑体的半球总辐射力的基础上

再乘以它的发射率进行计算就可以了

那么有了这些基本概念

我们怎么通过辐射它的基本的定律

来进行温度测量呢

那么辐射测温的特点是这样的

它是以基本的辐射定律为基础

因此直接测量的是热力学温度

所以它是符合热力学定律的

第二个特点就是非直接测量

它不干扰被测物体的温度场

也就说物体它发出的热辐射

直接由测温的装置进行接收

所以是不和物体进行直接接触的

那么第三个特点是响应时间短

容易进行快速测量和动态测量

那么这点呢是非常好理解的

因为热辐射嘛

它是以波的形式进行传播的

所以它的传播速度是非常快的

所以呢物体它发射的波然后到仪表接收

那么这个时间呢是非常短的

第四个特点是测温范围比较广

我们也看到热射线它的波长范围呢是比较宽的

对应每一个它的波长呢

可以对应着不同的测温范围

还有呢它的特点呢就是可以进行远距离测量

就是由于它是通过热辐射来进行测量的

这个特点所决定的

那么我们再看辐射测温的类型

首先呢第一个是全辐射测温法

它是依据斯忒藩-玻耳兹曼定律

测量辐射体所有波长的辐射总能量

来确定物体温度

那么我们也知道

这个斯忒藩-玻耳兹曼定律它的公式

那么我们只要知道了它的总辐射力

那么我们就可以通过这个公式来确定它的温度

那么第二个是亮度测温法

它依据的是普朗克定律或者是维恩近似公式

测量辐射体的辐射亮度

求出辐射出度求温度

那么在这个测量法里呢

又分为单色 双色或称为比色 多色测温法

那么第三个是红外测温法

它利用的是红外辐射测温

依据原理呢也是斯忒藩-玻耳兹曼定律

那么第四个是光纤测温法

利用呢光导纤维传输信号的测温法

那么在这一章里呢我们主要介绍

全辐射测温法和亮度测温法

那么它的整个结构呢我们来看下面两张图

首先呢它是有聚光镜将物体发出的辐射能

经过光阑聚集到受热片上

在受热片上装有热电堆

热电堆是8到12支热电偶串联而成的

那么大家看一下这个右图

它是由多支热电偶串联而成

那么热电堆的热端位于中心点冷端T0为四周

受热片输出热电动势为所有热电偶输出之和

那么输出的这个热电势呢为E

那么也就是总的辐射能量

那么它呢与温度之间的关系呢

就等于K0T的4次方

那么我们再来看一下

如果按照这个公式得到的T

是不是实际物体的温度呢

那么全辐射温度

它的显示器呢是按照绝对黑体分度的

它测定的辐射温度实际物体呢不是黑体

因此物体实际温度T

与物体的辐射温度Tr有以下关系

我们看这公式

左侧呢是实际物体它的总能量

右侧呢是黑体的它的总能量

也就说这时候实际物体的T

和我们按照公式

然后计算出来的Tr之间的关系

是这样一个关系

按照左边的公式

那么T等于Tr括号1比上εT它的0.25次方

所以我们要记住

我们实际测得的这样的一个Tr

和实际物体的它的温度T之间是不相等的

要有一个换算

那我们再看一下感温器的类型

那么整个的仪器里面

它的热电堆是一个非常重要的感温器件

那么它有不同的类型

那么热电堆呢是热电偶串联起来的

也可以呢是用热敏电阻来进行测量

那么热电堆的结构形式有星型 梳型和十字型

通过这个命名呢我们基本上知道它的形状

那么刚才我们看到的这个热电堆的形式呢

它就是星型

梳型就按照梳子那样的形式应该是平行的

那么还有十字形这个是很好理解

那么还有聚焦形式

它可以是利用是透镜 反射镜

或者是呢透镜和反射镜进行组合

还有呢叫双反射镜

那么我们看一下冷端温度

我们知道它们热电堆呢

它是热电偶进行组合而成

那么它的冷端温度怎么来进行补偿

因为我们知道环境温度变化之后呢

这个冷端温度呢它可能也会变化

那么我们怎么来进行补偿

那么首先呢我们看一下左侧这个图

这是一个测温原件它的一个结构形式

那么我们在这里面呢看到了有这个热电堆

那么它可以呢采用水冷的形式

如果我们保持水温的恒定

这样的话我们的冷端温度就恒定了

这样的话测温的时候无论环境温度如何变化

我们只要保持水温不变化

那么这样的话我们就不需要考虑它的补偿问题

第二个方法呢我们可以用补偿光阑

补偿光阑呢它是由双金属片和补偿金属组成的

那么我们看一下右图

双金属片呢那么固定在这个环状的物体上

而补偿金属片呢那么垂直于双金属片

当环境温度变化时呢

由于环境温度升高冷端温度也升高

那么热电堆呢它的输出呢就变小

此时呢由于冷端温度升高

双金属片温度升高双金属片由轴心向外展

补偿金属片呢那么向外拉

那么光阑孔径相应扩大

射到热电堆上的辐射能呢就增加

热电堆输出的电动势呢那么也会增加

来实现补偿

那么这是第二个方法

那么第三个方法呢可以利用调节光阑位置

那么我们看左图

那么第四个位置呢就是调节光阑

它通过调节光阑位置

来扩大投射到热电堆上的辐射能来进行补偿

那么全辐射测温法

我们来看看它的测温误差

那么它主要是由以下几个原因可能产生误差

第一中间介质

也就说被测物体与感温器之间

会存在一定的物质

那么这些物质呢会影响热辐射的投射

比如说里面会含有一些气体啊等等

那么第二个原因呢是距离系数

也就是透射式感温器的距离系数

D比L是有规定的

1/20为窄角感温器 1/10为宽角感温器

那么第三个呢是时间迟滞

温度发生变化时

感温器需要几到十几秒才能达到平衡

第四个因素呢就是环境温度

环境温度每变化10℃将产生2℃误差

所以呢保持环境温度的恒定是非常重要的

那么如果我们不能保持环境温度恒定

那么需要通过一定的手段

来消除它产生的这个误差

下面呢一个因素呢是黑度系数

黑度系数呢是与物体的性质

和表面状态有关系的

不同型号的感温器

透射材料 黑度系数呢是不同的

还有呢显示仪器

还有呢是显示仪表

那么显示仪表的误差与感温器的误差

共同构成了总的误差

所以在全辐射测温的时候呢

那么我们一定要考虑这些因素

来尽量呢消除测温误差

那么下面我们来介绍单色亮度辐射测温法

也称为光学高温计

我们来看看它的工作原理

那么它呢是由光学望远镜系统

标准灯泡及测量线路组成

已标定的辐射温度的灯丝为比较标准

利用光学望远镜将被测物体的辐射平面

移到灯泡灯丝的平面上互相比较

改变滑线电阻以增减灯丝的加热电流

灯丝亮度与被测物体的亮度相当时呢

灯丝即分辨不出

灯丝的亮度就是被测物体的亮度

由亮度可获得被测体的温度

在这个测温的方法里呢

它必须接收的呢是单色的辐射

因此呢在仪表上呢一定会有一个滤光器

使得呢发出的光呢那么是单色的

比如说会增加红色的滤光片

使得呢它的波长呢是唯一的

这样的话我们就可以通过比较呢

然后通过测量灯丝的这个亮度

来对被测物体然后进行温度的测量

那么我们通过知道了亮度

那么我们怎么来求它的温度呢

那么按照绝对黑体的辐射强度分布

实际物体均为非黑体

受被测物体发射率的影响

则实际物体的亮度

它的温度TL与其真实温度T之间的关系

我们是由下列公式来表示的

它们之间存在这样的一个关系式

那么我们通过亮度得到的温度TL

就可以得到真实物体的温度T

那么这个呢就是单色亮度辐射温度计

那么我们看到3呢是一个温度灯泡

我们看如果电流比较小的时候呢

它的灯丝会发暗

与背景之间呢是非常清晰的灯丝的轮廓

那么如果电流呢达到合适的时候呢

那么灯丝就隐没在背景里

也就说这时候灯丝的亮度

那么与实际物体的亮度呢是相同的

那么如果电流过高那么灯丝就显得很亮

比背景要亮很多

因此呢我们就是通过

来让灯丝的亮度和背景呢相同

然后使得呢来进行测量它的背景物体的温度

那么在这个测温法里呢

我们是利用灯丝它的亮度来进行测量的

所以它要利用直流电流呢来进行加热

那么加热电流的大小

与亮度温度成单值函数关系

所以这里面有多个测量电路

可以采用呢电流表法

那么电流表与灯丝串联在一起

就可以直接测得呢流过灯丝的电流

还有呢是通过电压表法

也就是左边的这个图

那么通过测量与灯丝串联的电阻上的电压

来测定流过灯丝的它的电流

还有补偿法

那么灯丝电流呢由直流电源供电

电流表A作为粗调指示

准确的电流数值

通过测量标准电阻上的电压计算出来

那么我们看下面这个图

ux就是测量的这个电压

那么通过这个电压来计算RN

通过RN的电流

那么还有电桥法

测量电路所用的电桥

有不平衡电桥和平衡电桥

那么不平衡电桥呢是由左侧图来表示

平衡电桥呢由右侧图来表示

那么当灯丝电阻中有电流流过

指示仪表呢会根据灯丝电阻的变化

指示出物体的亮度温度

之前呢我们介绍的测温法呢

是利用目视法来进行测量

也就是说用眼睛来观测

灯泡的灯丝亮度与背景物体

它的亮度是否一致进行测量的

那么这样呢会存在一定的误差

所以呢就采用呢用光电然后来代替这个目测

这样呢可以提高精度和灵敏度

它的测量过程呢是通过移动物镜

将被测物体呢

成像在小灯泡的灯丝平面上

再借助显微镜将物体像和灯丝像一起放大

并投射在按一定频率震动的音片狭缝上

通过狭缝的光束在经过发散透镜

变成均匀的平行光束

透过干涉滤光片后

得到一个较窄波段的单色光

照射到光电倍增管上

那么物体像和灯丝像各占1/2的面积

当狭缝振动时呢

形成两个相位相反的正弦交变光束

两束光在光电倍增管上合成后

得到一个正弦交流信号输出

当物体亮度与灯丝亮度相等

则合成信号强度为零

若不相等则不为零由交流信号输出

因此呢那么通过它的输出信号

我们就可以判断两个亮度是否相同

这样呢就避免了通过目测可能造成的误差

那么光电高温计它的特性呢主要有呢

它的测量范围是有三个段

800到1400摄氏度

那么1400到2000摄氏度

2000到2300摄氏度

每个测试段呢它的不确定度呢

那么也是不同的

但总的呢是从正负1.6到正负11

它的工作距离呢

物镜到物体距离是1.0到1.5米

最佳的距离呢是1.15到1.25米

最小的测量目标直径为1.5米

环境条件

那么环境温度呢是20℃加减2℃

相对湿度呢是小于75%

工作的电源为220伏50赫兹