前言
輻射式測溫儀表是目前冶金行業高溫測量中應用廣泛的一種儀表,主要應用於冶煉、鑄造、軋制、熱處理及耐火材料等生產工序中。物理學中,當任何物體處於絕對零度以上時,因其內部帶電粒子的運動,都會以一定波長電磁波的形式向外輻射能量,但這種能量隨溫度變化按一定趨勢變化。輻射式測溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理製成的。在測量時,只需把溫度計光學接收系統對準被測物體(不必與物體接觸),即可測量運動物體的溫度,而不會破壞物體的溫度場。由於測溫儀感溫元件具有接收輻射能而不必達到被測物體溫度的特性,從理論上講測量的物理性是沒有限制的,測量工序中高溫是可行的。
輻射式溫度計由輻射感溫器和顯示儀表兩部分組成,它用來測量400-2000 ℃的高溫,近來隨著紅外技術的發展,測溫的下限己達到常溫區,大大擴展了輻射式測溫方法的使用範圍。
1 輻射式溫度計的工作原理
1.1普朗克定律(單色輻射強度定律)
物理學中,高於絕對零度的物體都具有與周圍物體進行以輻射形式進行交換的能量。某物體一方面向周圍輻射能量,另一方面又吸收來自周圍其他物體的能量。輻射的能量或吸收的能量均是按波長分布的,波長的範圍是0-∞。普通物體在某些波長或波段上輻射或吸收的能量多些,而在另一些波長或波段上少些甚至沒有。為了便於研究,科學家假想出一種理想的物體—黑體,設想其在所有波段上都向外界輻射能量和吸收來自外界的能量。黑體向外界發射的能量W(λ,Τ),D符合普朗克公式,見式(1):
式(1)中,C1,C2為常數,λ為波長,T為黑體的絕對溫度。
黑體輻射有如下特性:
①總的輻射出射度W(λT)是隨溫度的升高而迅速增加的,溫度越高則光譜輻射出射度越大。
②當溫度一定時,光譜輻射出射度隨波長的不同按一定的規律變化,曲線有一個極大值λm,當波長小於λm時,輻射出射度隨波長增加而增加;當波長大於λm時,變化規律相反。
③當溫度在高溫波段增加時,光譜輻射出射度的峰值波長會向短波方向移動。
有了黑體的名稱,其他物體就稱為非黑體了。由於現實的被測物體不是黑體,因此按黑體的輻射公式製作的輻射類溫度計,在測量實際物體的溫度時,就存在一個修正問題,通常稱為發射率ε(λ,Τ)修正。這是這類溫度計的一個先天不足地方。實際上物體的發射率ε(λ,Τ)不但與波長λ和溫度T有關,而且還與被測物體的表面狀態有關,如粗糙度。
1.2 史蒂芬-玻耳茲曼定律
也稱為:全輻射強度定律、四次方定律。該定律指出:溫度為T的絕對黑體,單位面積元在半球方向所發射的全部波長的輻射出射度與溫度T的四次方成正比,見式(2)
σ——史蒂芬-玻耳茲曼常數,為5.66961×10-3W/(m3K4)
上式(2)就是輻射溫度計測溫的理論根據。全輻射強度定理是單色輻射強度定理在全波長內積分的結果。
2 輻射式溫度計的分類及特點分析
2.1 輻射式溫度計的分類