[關(guān)鍵詞]輻射式溫度計(jì) 亮度溫度 測量
The theory analysis of the radiant thermometer and the application in the rolling mill
Yue linping
(the heavy plate mill of Jigang 250101)
[ABSTRACT] The text introduces the radiant thermometer ‘ s working theory and character, and the usefully experience. It emphasis analysis the effect of the accurate and tolerance in the different measurement environment, describes how to choice the adapted type of the thermometer.
[KEYWORD] radiant thermometer light-temperature measurement
前言
輻射式測溫儀表是目前冶金行業(yè)高溫測量中應(yīng)用廣泛的一種儀表，主要應(yīng)用于冶煉、鑄造、軋制、熱處理及耐火材料等生產(chǎn)工序中。物理學(xué)中，當(dāng)任何物體處于絕對(duì)零度以上時(shí)，因其內(nèi)部帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，都會(huì)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制成的。在測量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測物體（不必與物體接觸），即可測量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，而不會(huì)破壞物體的溫度場。由于測溫儀感溫元件具有接收輻射能而不必達(dá)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(jì)由輻射感溫器和顯示儀表兩部分組成，它用來測量400
1輻射式溫度計(jì)的工作原理
1.1普朗克定律（單色輻射強(qiáng)度定律）
物理學(xué)中，高于絕對(duì)零度的物體都具有與周圍物體進(jìn)行以輻射形式進(jìn)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，波長的范圍是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。為了便于研究，科學(xué)家假想出一種理想的物體—黑體，設(shè)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(fā)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(shù)，λ為波長，T為黑體的絕對(duì)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(dāng)溫度一定時(shí)，光譜輻射出射度隨波長的不同按一定的規(guī)律變化，曲線有一個(gè)極大值λm，當(dāng)波長小于λm時(shí)，輻射出射度隨波長增加而增加；當(dāng)波長大于λm時(shí)，變化規(guī)律相反。
③當(dāng)溫度在高溫波段增加時(shí)，光譜輻射出射度的峰值波長會(huì)向短波方向移動(dòng)。
有了黑體的名稱，其他物體就稱為非黑體了。由于現(xiàn)實(shí)的被測物體不是黑體，因此按黑體的輻射公式制作的輻射類溫度計(jì)，在測量實(shí)際物體的溫度時(shí)，就存在一個(gè)修正問題，通常稱為發(fā)射率ε(λ,Τ)修正。這是這類溫度計(jì)的一個(gè)先天不足地方。實(shí)際上物體的發(fā)射率ε(λ,Τ)不但與波長λ和溫度T有關(guān)，而且還與被測物體的表面狀態(tài)有關(guān)，如粗糙度。
1.2斯蒂芬-玻耳茲曼定律
也稱為：全輻射強(qiáng)度定律、四次方定律。該定律指出：溫度為T的絕對(duì)黑體，單位面積元在半球方向所發(fā)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－－斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)，為5.66961×10-3W/(m3K4)
上式(2)就是輻射溫度計(jì)測溫的理論根據(jù)。全輻射強(qiáng)度定理是單色輻射強(qiáng)度定理在全波長內(nèi)積分的結(jié)果。
2輻射式溫度計(jì)的分類及特點(diǎn)分析
2.1輻射式溫度計(jì)的分類
① 按溫度計(jì)所用的波段數(shù)量來分類，可分成單波段溫度計(jì)、雙波段溫度計(jì)和多波段溫度計(jì)。
② 按波段的寬窄分類，可分成寬波段溫度計(jì)和窄波段溫度計(jì)。
③ 按所用波段在光譜中位置分類，可分成短波溫度計(jì)和長波溫度計(jì)。
④ 按可測溫度的高低分類，可分成高溫溫度計(jì)和低溫溫度計(jì)。
⑤ 按被測目標(biāo)的幾何子分類，可分成點(diǎn)溫度計(jì)、面溫度計(jì)。
每一種分類，除和測溫計(jì)的結(jié)構(gòu)及所選用的元器件有關(guān)外，都和使用現(xiàn)場有關(guān)；現(xiàn)場的安裝、使用如有不當(dāng)，必定影響生產(chǎn)工序測溫參數(shù)的精度。對(duì)用戶而言，按不同分類方法選用適用的測溫計(jì)是達(dá)到生產(chǎn)工序測溫預(yù)期目的的首要前提。
2.2單波段溫度計(jì)
這種測溫計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是容易做到根據(jù)被測對(duì)象的光譜特征確定溫度計(jì)的工作波段，以取得預(yù)期結(jié)果。例如玻璃在可見光的波段內(nèi)是透明的，發(fā)射率近于1非常接近黑體，這時(shí)選用4.8-5.6 μm波段作溫度計(jì)的工作波段，溫度測量精度非常高。而在測量一般不透明物體如鋼板的情況下，選用工作波段處于短波的溫度計(jì)較好。
一般的不透明物體的發(fā)射率ε(λ,Τ)不為1，且隨波長有明顯地變動(dòng)，若操作者不知道發(fā)射率的具體數(shù)值，而人為憑經(jīng)驗(yàn)也只能將發(fā)射率進(jìn)行部分修正，但對(duì)影響測量結(jié)果的發(fā)射率的波動(dòng)部分，尤其是隨溫度變化的部分是難以修正的。一般說來，發(fā)射率及其變化對(duì)短波溫度計(jì)測溫精度的影響小，對(duì)長波溫度計(jì)的影響大。
2.3雙波段溫度計(jì)
這種溫度計(jì)是利用兩個(gè)波段上的信號(hào)之比值與被測溫度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行測溫的，見式(3):
式中V1和V2分別是第一波段和第二波段產(chǎn)生的信號(hào)。從式中可以看出這種溫度計(jì)的特點(diǎn)：當(dāng)兩個(gè)波段上的信號(hào)同時(shí)增加或縮小相同信號(hào)數(shù)時(shí)，比值V1/V2不變，進(jìn)而溫度計(jì)測得的溫度值不變。
這種溫度計(jì)的應(yīng)用場合是：有完全不透明的低溫固體顆粒遮檔被測目標(biāo)的現(xiàn)場。因完全不透明的低溫顆粒造成V1和V2以相同比例衰減，所以溫度計(jì)的示值不變。這是單波溫度計(jì)做不到的。但當(dāng)遮擋目標(biāo)的顆粒是對(duì)波長有選擇性的，即對(duì)V1和V2不是等比例衰減時(shí)，所造成的測溫誤差將比單波溫度計(jì)大得多。
3輻射溫度計(jì)的溫度修正
被測對(duì)象為非黑體時(shí)，要通過修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。對(duì)于輻射溫度計(jì)，它是以絕對(duì)黑體的輻射為基準(zhǔn)對(duì)儀器進(jìn)行分度的，所以儀器測出的值稱為輻射溫度。輻射溫度的定義為：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻射能，此時(shí)黑體之溫度即為非黑體的輻射溫度。輻射高溫計(jì)測量的溫度稱為輻射溫度TF，根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，總輻射能相等，見式(4)：
式中T－－-非黑體的真實(shí)溫度;
TF-－－非黑體的輻射溫度;
εT－－-非黑體的全輻射黑度系數(shù)（與溫度T有關(guān)）
因?yàn)榉呛隗wεT＜1，則TF＜T。因此用輻射溫度計(jì)測出的溫度要比物體真實(shí)溫度低。
在不同的使用環(huán)境，黑度系數(shù)的設(shè)置直接影響了測量溫度的準(zhǔn)確性，是個(gè)參考值。隨著現(xiàn)場環(huán)境的不同、介質(zhì)分布的變化，輻射式測溫儀的測量值波動(dòng)較大。一般來講，測量鋼板時(shí)系數(shù)范圍為0.7-0.85，而測量鋁制品一般在0.3-0.6左右。
4冶金生產(chǎn)中測量誤差存在的原因及其對(duì)策
輻射測溫計(jì)本身在信號(hào)變換與處理過程中不可避免地有機(jī)械振動(dòng)、溫度變化和電磁等方面的干擾。在被測目標(biāo)的輻射進(jìn)入輻射溫度計(jì)之前各種干擾己經(jīng)實(shí)際存在，這些干擾通常為光路中的干擾、外來光干擾和發(fā)射率的干擾等。
原因一:如在鋼板生產(chǎn)過程中，為了軋制機(jī)械不粘連、鋼板除鱗等，被測目標(biāo)表面上停留有水膜，在被測目標(biāo)表面附近還經(jīng)常存在著濃度經(jīng)常變化的水蒸汽等吸收性氣體。這些氣體介質(zhì)在光路中對(duì)來自被測鋼板有輻射能有選擇性的吸收，減弱了入射到溫度計(jì)中的輻射能，造成測量誤差。
解決方法:光路中存在有水蒸汽和水膜時(shí)，在短波段測量可減小測量誤差，同時(shí)引用壓縮空氣吹散水膜，用儀表風(fēng)清洗光路都是有效的。
原因二:生產(chǎn)現(xiàn)場空氣中懸浮很多塵埃，這些塵埃對(duì)輻射能的吸收是沒有選擇性的，并常伴隨有漫射，減弱了入射到溫度計(jì)中的輻射能，造成測量誤差。
解決方法:增設(shè)空氣流通、潔凈裝置，并保持作業(yè)環(huán)境整潔使測量環(huán)境友好。
原因三:外來光的干擾（指從其它光源主射到被測表面上并且被反射出來，混入測量光的成分）。在測量鋼板表面溫度時(shí)，由于白晝光的干擾造成反射，形成測量誤差。
解決方法:安裝測溫儀時(shí)要避開陽光和環(huán)境照明光的反射位置和角度。對(duì)于一些固定的難以避免的光源，應(yīng)設(shè)置遮蔽裝置。
原因四:物體的發(fā)射率不僅與溫度、波長有關(guān)，而且即使是同一種物質(zhì)也與其表面粗糙度、銹蝕和氧化程度等因素有關(guān)。
解決方法:改進(jìn)生產(chǎn)工藝，努力提高測量目標(biāo)的粗糙度、減少測量目標(biāo)的銹蝕程度、減少測量目標(biāo)的氧化狀況。
5熱軋鋼板表面溫度的測量
鋼坯從加熱爐口被推出，經(jīng)過粗軋的入口和出口、精軋機(jī)的入口和出口以及在矯直機(jī)的入口和出口，按工藝要求都需設(shè)有溫度測量點(diǎn)，作為軋鋼工序的關(guān)鍵操作點(diǎn)來測量鋼板的表面溫度。熱軋工序?qū)囟葴y量有如下計(jì)量要求：
①由于軋制速度快，需選擇響應(yīng)速度快的輻射溫度計(jì)；
②在整個(gè)軋制過程中，最初從加熱爐出來的鋼坯到矯直機(jī)后，被軋制測量目標(biāo)的溫度測量范圍一般為
③由于軋制和冷卻多次反復(fù)進(jìn)行，鋼板表面的黑度和周圍水蒸濃度都有一定的變化。要求高低端測量誤差相近。
④帶鋼表面某些局部經(jīng)常有水膜且水膜的大小和附著點(diǎn)變化無常，并常有鱗片狀的銹、垢和灰塵等附著在鋼板表面上。要求測溫儀有適宜得當(dāng)?shù)男拚?SPAN lang=EN-US>
因此在選用輻射溫度計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到以上被測目標(biāo)環(huán)境特點(diǎn)和計(jì)量要求。經(jīng)過工作原理比較和實(shí)際使用篩選比對(duì)，硅光電池光電高溫計(jì)具有響應(yīng)速度快，工作波長短（1μm左右），能躲過水蒸汽主要吸收峰，在1μm以下水膜透過率高等特點(diǎn)，選擇硅光電池光電高溫計(jì)測量軋制工序被測目標(biāo)表面溫度比較適宜。
6小結(jié)
輻射溫度計(jì)是一種非接觸式測量儀表，其工作原理是根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理即物體的總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來進(jìn)行溫度測量的儀表。為在軋制工序現(xiàn)場高溫環(huán)境下達(dá)到計(jì)量要求，在輻射感溫器外加裝水冷夾套是個(gè)好辦法。目前這類溫度計(jì)的主要難題是還沒有找到從本質(zhì)上消除發(fā)射率和環(huán)境介質(zhì)影響測溫精度的更有效儀表型式和技術(shù)措施，有待繼續(xù)探索。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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