溫度
測(cè)量的理論和應(yīng)用
作者和演示人：John Merchant, Mikron Instrument Company Inc.
摘要
在非接觸式溫度測(cè)量中使用的溫度計(jì)是發(fā)展成熟的傳感器，它們?cè)诠I(yè)加工與研究中應(yīng)用廣泛。本文以非數(shù)學(xué)化的語(yǔ)言介紹了這種測(cè)量技術(shù)的基本理論，以及如何應(yīng)用該理論處理目標(biāo)用戶遇到的各種各樣的應(yīng)用參數(shù)
引言
溫度計(jì)通過(guò)探測(cè)所有溫度在零度（開(kāi)氏0?）以上的材料發(fā)射的能量來(lái)測(cè)量溫度?；镜脑O(shè)計(jì)包括將透鏡和探測(cè)器，透鏡將(IR)能量聚焦到探測(cè)器上，而探測(cè)器將該能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)對(duì)環(huán)境溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償后以溫度單位顯示。這種結(jié)構(gòu)方便了無(wú)需與被測(cè)量物體接觸的遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量。因此，在由于各種原因熱電偶或其它探頭類(lèi)傳感器無(wú)法使用或者不能產(chǎn)生數(shù)據(jù)的情況下，可以使用溫度計(jì)來(lái)測(cè)量溫度。常見(jiàn)的這類(lèi)情況如下：待測(cè)量物體在運(yùn)動(dòng)；物體周?chē)请姶艌?chǎng)（例如在感應(yīng)加熱中）；物體在真空或其它受控氣氛中；需要快速響應(yīng)的應(yīng)用。
自從19世紀(jì)末溫度計(jì)(IRT)的設(shè)計(jì)已經(jīng)存在，費(fèi)氏的各種概念由CharlesA. Darling(1)在其1911年出版的書(shū)"測(cè)高溫學(xué)"中進(jìn)行了論述。
然而，將這些概念轉(zhuǎn)變成實(shí)用測(cè)量?jī)x器的技術(shù)直到20世紀(jì)30年代才出現(xiàn)。自此，這種設(shè)計(jì)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，大量測(cè)量和應(yīng)用專(zhuān)門(mén)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。如今，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到普遍接受，并且在工業(yè)與研究廣泛使用。
圖2
測(cè)量原理
如前所述，能量是由所有溫度高于0?K的材料發(fā)射的。輻射是電磁波頻譜的一部分，其頻率在可見(jiàn)光與無(wú)線電波之間。光譜中部分的波長(zhǎng)在0.7微米~1000微米(micron)之間。圖1。在此波段內(nèi)，波長(zhǎng)在0.7微米~20微米的頻率用于實(shí)際的日常溫度測(cè)量。這是因?yàn)槟壳肮I(yè)中使用的探測(cè)器靈敏度不足，無(wú)法檢測(cè)到20微米以外波長(zhǎng)上的極少量能量。
雖然人眼看不到輻射，但是在研究測(cè)量理論以及考慮應(yīng)用時(shí)想像可以看見(jiàn)輻射是有幫助的，因?yàn)樵谠S多方面，的表現(xiàn)與可見(jiàn)光一樣。輻射源放射的能量沿直線傳播，可被傳播路徑上材料的表面反射和吸收。對(duì)于人眼無(wú)法看透的大多數(shù)固體，碰到物體表面的一部分能量將被吸收，一部分將被反射。在物體吸收的能量中，一部分將被再次發(fā)射出來(lái)，一部分將在內(nèi)部反射。眼睛能看透的透明材料也是如此，例如玻璃、氣體以及透明的薄塑料等。但是，此外，一些能量將穿透物體。上述內(nèi)容如圖2所示。這些現(xiàn)象綜合起來(lái)構(gòu)成了所謂的物體或材料的反射率。
既不反射也不透射任何能量的材料稱(chēng)為黑體，我們知道自然界中不存在黑體。然而，在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，給真正黑體賦予值1.0。在現(xiàn)實(shí)中，接近黑體發(fā)射率1.0的近似值可以在圖3中所示的、帶有小管狀入口并且無(wú)法透過(guò)的球形空腔中得到。這種球體內(nèi)表面的發(fā)射率為0.998。
不同種類(lèi)的材料與氣體有著不同的發(fā)射率，因此將在給定溫度發(fā)射出不同強(qiáng)度的。材料或氣體的發(fā)射率是其分子結(jié)構(gòu)和表面特性的函數(shù)。一般而言，發(fā)射率并不是顏色的函數(shù)，除非 顏色來(lái)源與材料主體是放射性不同的物質(zhì)。包含大量鋁的金屬漆可以作為一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。大部分漆的發(fā)射率與顏色無(wú)關(guān)，但是鋁的發(fā)射率卻大不相同，因此其發(fā)射率將改變金屬漆的發(fā)射率。
如同可見(jiàn)光的情況一樣，一些表面的拋光越高，表面反射的能量越多。因此，材料的表面特性也會(huì)影響其發(fā)射率。在溫度測(cè)量中，對(duì)于發(fā)射率本身較低的無(wú)法透過(guò)的材料，這一點(diǎn)為重要。因而，拋光很高的一塊不銹鋼與同一塊粗糙加工表面的不銹鋼相比，發(fā)射率要低得多。這是因?yàn)榧庸ば纬傻臏喜圩柚沽烁嗟哪芰勘环瓷?。除了分子結(jié)構(gòu)和表面狀況外，影響材料或氣體的表觀發(fā)射率的第三個(gè)因素是傳感器的波長(zhǎng)靈敏度，又稱(chēng)為傳感器的光譜響應(yīng)。如前所述，波長(zhǎng)在0.7微米到20微米之間的才在實(shí)際測(cè)溫中使用。在這一整個(gè)波段內(nèi)，個(gè)體傳感器可能在較窄的一部分波段內(nèi)工作，例如0.78 ~ 1.06微米或者4.8 ~5.2微米，原因?qū)⒃诤竺娼忉尅?/p>
圖3
溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)
作為溫度測(cè)量基礎(chǔ)的公式已經(jīng)由來(lái)已久、確定無(wú)疑并且得到了充分論證。大多數(shù)IRT用戶不大可能需要使用這些公式，但是了解這些公式可以理解一些變量之間的相關(guān)性，可以解釋前面的文字。下面是一些重要公式：
1. 基爾霍夫定律
物體達(dá)到熱平衡時(shí)，吸收量將等于輻射量。
a = e
2. 斯蒂芬-玻爾茲曼定律
越熱的物體放射出的能量越多。
W = eoT4
3. 維恩位移定律
隨著溫度升高，放射出多能量的波長(zhǎng)將變得更短。
λmax = 2.89 x 103mmK/T
4. 普朗克方程式
描述光譜發(fā)射率、溫度與輻射能量之間的關(guān)系。
溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)
基本溫度計(jì)(IRT)的設(shè)計(jì)包括以下部分：匯聚目標(biāo)放射出能量的透鏡；將能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的探測(cè)器、讓IRT校準(zhǔn)與被測(cè)目標(biāo)的發(fā)射特性相符的發(fā)射率調(diào)整部件；以及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路，該電路環(huán)境變化造成的IRT內(nèi)部的溫度變動(dòng)不會(huì)傳遞到終輸出。多年以來(lái)，大多數(shù)市售IRT遵循著這一概念。盡管這些IRT非常耐用并且足以滿足當(dāng)時(shí)的要求，但它們的應(yīng)用非常有限，并且回顧過(guò)去大部分情況，它們的測(cè)量也不盡如人意。圖4中說(shuō)明了這一概念。
現(xiàn)代IRT以這一概念為基礎(chǔ)，但在技術(shù)方面更加復(fù)雜，從而拓寬了其應(yīng)用范圍。主要差別在于使用了多種多樣的探測(cè)器；信號(hào)的選擇性濾光；探測(cè)器輸出信號(hào)的線性化和放大；提供：4~20mA、0~10Vdc等標(biāo)準(zhǔn)的終輸出信號(hào)。圖5為典型的現(xiàn)代IRT的示意圖。
也許，測(cè)溫法重大的進(jìn)展是引入了接收信號(hào)的選擇性濾光，由于可以使用更加靈敏的探測(cè)器，以及更加穩(wěn)定的信號(hào)放大器，選擇性濾光成為可能。早期的IRT需要較寬的光譜帶以獲得可用的探測(cè)器輸出，而現(xiàn)代IRT通常使用波長(zhǎng)為1微米的光譜響應(yīng)。由于常常需要透過(guò)瞄準(zhǔn)通道上的某種氣體或其它干涉物，或者實(shí)際中常需要獲得對(duì)氣體或其它物質(zhì)的測(cè)量值而較寬的能量卻測(cè)不到的，對(duì)選擇性的窄光譜響應(yīng)的需求出現(xiàn)了。
圖4
圖5
圖6
選擇性光譜響應(yīng)的一些常見(jiàn)示例為波長(zhǎng)8-14微米的波段，可避免長(zhǎng)距離測(cè)量中空氣中的水分造成的干擾；用于測(cè)量某些薄膜塑料的7.9微米波長(zhǎng)；3.86微米波長(zhǎng)可避免火焰和燃燒氣體中的二氧化碳(CO2)和水(H2O)蒸汽造成的干擾。選擇較短波長(zhǎng)
光譜響應(yīng)還是選擇較長(zhǎng)波長(zhǎng)光譜響應(yīng)，還要由溫度范圍決定，因?yàn)?，如普朗克方程式所示，隨著溫度升高，峰值能量會(huì)移向較短波長(zhǎng)。圖6中的圖形說(shuō)明了這一現(xiàn)象。由于上述原因不需要選擇性濾光的應(yīng)用可能往往受益于盡可能接近0.7微米的窄光譜響應(yīng)。這是因?yàn)椴牧系挠行Оl(fā)射率在較短波長(zhǎng)處大，并且光譜響應(yīng)窄的傳感器的精度受目標(biāo)表面發(fā)射率變化的影響更小。
根據(jù)上述信息，顯而易見(jiàn)，在溫度測(cè)量中發(fā)射率是一個(gè)重要的因素。除非被測(cè)材料的發(fā)射率已知并且納入到測(cè)量中，否則獲得數(shù)據(jù)的可能性不大。以下是兩種獲得材料發(fā)射率的方法：a)參考公布的表格，以及b)將IRT測(cè)量值與使用熱電偶或電阻式溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量所得的測(cè)量值進(jìn)行比較，并調(diào)整發(fā)射率設(shè)置直到IRT的讀數(shù)相同。幸運(yùn)的是，IRT廠商和一些研究組織提供的公開(kāi)數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，因此很少有必要進(jìn)行試驗(yàn)。作為經(jīng)驗(yàn)之談，大多數(shù)不透明的非金屬材料有著很高而且穩(wěn)定的發(fā)射率（在0.85 ~ 9.0范圍內(nèi)），大多數(shù)未氧化金屬材料有著中低發(fā)射率（在0.2 ~ 0.5范圍內(nèi)），但金、銀和鋁是例外，它們的發(fā)射率大約在0.02 ~ 0.04范圍內(nèi)，很難用IRT測(cè)量它們的溫度。
盡管總是有可能確定被測(cè)量基本材料的發(fā)射率，但對(duì)于發(fā)射率隨溫度變化的材料（例如大部分金屬）以及硅和高純度單晶體陶瓷等其它材料，情況會(huì)變得復(fù)雜。使用雙色測(cè)溫法可以解決存在這種現(xiàn)象的一些應(yīng)用。
雙色測(cè)溫法
由于發(fā)射率在用溫度計(jì)提供的溫度數(shù)據(jù)方面起著如此重要的作用，不斷地嘗試設(shè)計(jì)能夠獨(dú)立于該變量進(jìn)行測(cè)量的傳感器也不足為奇了。這些設(shè)計(jì)中，負(fù)盛名并且應(yīng)用的是雙色溫度計(jì)。該技術(shù)與到此為止介紹的溫度計(jì)沒(méi)有什么不同，但它測(cè)量的是材料在不同波長(zhǎng)放射的能量的比值，而不是測(cè)量在一個(gè)波長(zhǎng)或波段內(nèi)放射的能量。在此上下文中使用詞組"顏色"有點(diǎn)兒過(guò)時(shí)，但是這種用法卻仍未被取代。它源于將可見(jiàn)顏色與溫度相關(guān)聯(lián)的古老做法，因此有了"色溫"的說(shuō)法。
雙色測(cè)溫法行之有效的基礎(chǔ)是兩個(gè)探測(cè)器會(huì)把被測(cè)量材料表面發(fā)射特性的任何變化或者傳感器與材料之間瞄準(zhǔn)通道中發(fā)生的任何變化"看作"是相同的，因此比值以及傳感器輸出將不會(huì)因?yàn)檫@種變化而變動(dòng)。圖7中是簡(jiǎn)化的雙色溫度計(jì)示意圖。
由于比值法在規(guī)定的環(huán)境下將避免由變化的或未知的發(fā)射率、瞄準(zhǔn)通道中的遮蔽物以及測(cè)量未占滿視場(chǎng)的物體而產(chǎn)生的不測(cè)量，它對(duì)解決一些應(yīng)用難題非常有效。這些應(yīng)用難題包括金屬的快速感應(yīng)加熱、水泥窯燒制區(qū)溫度以及通過(guò)逐漸模糊不清的窗口進(jìn)行測(cè)量，例如金屬的真空熔煉。但是應(yīng)該注意，在用于計(jì)算比值的兩個(gè)波長(zhǎng)，傳感器必須將這些動(dòng)態(tài)變化"看作"相同，然而并非始終如此。在兩個(gè)不同的波長(zhǎng)，所有材料發(fā)射率的變化并不相同。發(fā)射率變化相同的材料稱(chēng)為"灰體"。發(fā)射率變化不同的稱(chēng)為"非灰體"。
并非所有形式的瞄準(zhǔn)通道遮蔽物都會(huì)對(duì)計(jì)算比值的波長(zhǎng)進(jìn)行同樣的衰減。如果瞄準(zhǔn)通道中主要是與使用中的一個(gè)波長(zhǎng)相同微米尺寸的顆粒物，將會(huì)顯著擾亂比值。本質(zhì)上為非動(dòng)態(tài)的現(xiàn)象（例如材料的"非灰體性"）可以通過(guò)偏置該比值處理，這種調(diào)整稱(chēng)為"斜坡"。然而，合適的斜坡設(shè)置往往必須通過(guò)經(jīng)驗(yàn)才能得到。盡管存在這些限制，比值法在許多由來(lái)已久的行業(yè)內(nèi)行之有效，并且在其它行業(yè)中即使不是的解決方案，它也是方法。
測(cè)溫（續(xù)）
圖7
總結(jié)
測(cè)溫法是一種成熟卻又充滿活力的技術(shù)，它贏得了很多行業(yè)和單位的尊重。對(duì)于許多溫度測(cè)量應(yīng)用，它是一種*的技術(shù)，而對(duì)于另一些應(yīng)用，它也是方法。在用戶充分了解該技術(shù)、所有相關(guān)應(yīng)用參數(shù)都得到適當(dāng)考慮后，如果設(shè)備得到仔細(xì)認(rèn)真的安裝，通常應(yīng)用將取得成功。仔細(xì)認(rèn)真的安裝指的是，傳感器在其規(guī)定的環(huán)境限值范圍內(nèi)工作，已經(jīng)采取充分的措施保持光學(xué)器件潔凈并且沒(méi)有障礙物。在選型過(guò)程中考慮廠商時(shí)的一個(gè)因素應(yīng)該是性附件及安裝附件的供貨能力，以及這些附件對(duì)快速拆卸和更換傳感器以便進(jìn)行保養(yǎng)的支持。如果遵循這些準(zhǔn)則，在許多情況下，現(xiàn)代溫度計(jì)的工作性將超出熱電偶或電阻式溫度計(jì)。
參考文獻(xiàn)
1. Darling, Charles R.; "Pyrometry. APractical Treatise on the Measurementof High Temperatures." Published byE.&F.N. Spon Ltd. London. 1911.
經(jīng)作者
John Merchant,MIKRON INSTRUMENTCOMPANY, INC. 公司的
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