溫度

測量的理論和應(yīng)用

作者和演示人：John Merchant, Mikron Instrument Company Inc.

摘要

在非接觸式溫度測量中使用的溫度計是發(fā)展成熟的傳感器，它們在工業(yè)加工與研究中應(yīng)用廣泛。本文以非數(shù)學(xué)化的語言介紹了這種測量技術(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

溫度計通過探測所有溫度在零度（開氏0?）以上的材料發(fā)射的能量來測量溫度。基本的設(shè)計包括將透鏡和探測器，透鏡將(IR)能量聚焦到探測器上，而探測器將該能量轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)過對環(huán)境溫度變化進行補償后以溫度單位顯示。這種結(jié)構(gòu)方便了無需與被測量物體接觸的遠距離溫度測量。因此，在由于各種原因熱電偶或其它探頭類傳感器無法使用或者不能產(chǎn)生數(shù)據(jù)的情況下，可以使用溫度計來測量溫度。常見的這類情況如下：待測量物體在運動；物體周圍是電磁場（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世紀末溫度計(IRT)的設(shè)計已經(jīng)存在，費氏的各種概念由CharlesA. Darling(1)在其1911年出版的書"測高溫學(xué)"中進行了論述。

然而，將這些概念轉(zhuǎn)變成實用測量儀器的技術(shù)直到20世紀30年代才出現(xiàn)。自此，這種設(shè)計有了長足的發(fā)展，大量測量和應(yīng)用專門技術(shù)應(yīng)運而生。如今，這項技術(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，其頻率在可見光與無線電波之間。光譜中部分的波長在0.7微米~1000微米(micron)之間。圖1。在此波段內(nèi)，波長在0.7微米~20微米的頻率用于實際的日常溫度測量。這是因為目前工業(yè)中使用的探測器靈敏度不足，無法檢測到20微米以外波長上的極少量能量。

雖然人眼看不到輻射，但是在研究測量理論以及考慮應(yīng)用時想像可以看見輻射是有幫助的，因為在許多方面，的表現(xiàn)與可見光一樣。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。對于人眼無法看透的大多數(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，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為黑體，我們知道自然界中不存在黑體。然而，在進行理論計算時，給真正黑體賦予值1.0。在現(xiàn)實中，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法透過的球形空腔中得到。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實例來說明這一點。大部分漆的發(fā)射率與顏色無關(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影響其發(fā)射率。在溫度測量中，對于發(fā)射率本身較低的無法透過的材料，這一點為重要。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。這是因為加工形成的溝槽阻止了更多的能量被反射。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)射率的第三個因素是傳感器的波長靈敏度，又稱為傳感器的光譜響應(yīng)。如前所述，波長在0.7微米到20微米之間的才在實際測溫中使用。在這一整個波段內(nèi)，個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

溫度測量的理論基礎(chǔ)

作為溫度測量基礎(chǔ)的公式已經(jīng)由來已久、確定無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
物體達到熱平衡時，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。

溫度計的設(shè)計與結(jié)構(gòu)

基本溫度計(IRT)的設(shè)計包括以下部分：匯聚目標(biāo)放射出能量的透鏡；將能量轉(zhuǎn)換成電信號的探測器、讓IRT校準(zhǔn)與被測目標(biāo)的發(fā)射特性相符的發(fā)射率調(diào)整部件；以及環(huán)境溫度補償電路，該電路環(huán)境變化造成的IRT內(nèi)部的溫度變動不會傳遞到終輸出。多年以來，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)時的要求，但它們的應(yīng)用非常有限，并且回顧過去大部分情況，它們的測量也不盡如人意。圖4中說明了這一概念。

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器；信號的選擇性濾光；探測器輸出信號的線性化和放大；提供：4~20mA、0~10Vdc等標(biāo)準(zhǔn)的終輸出信號。圖5為典型的現(xiàn)代IRT的示意圖。

也許，測溫法重大的進展是引入了接收信號的選擇性濾光，由于可以使用更加靈敏的探測器，以及更加穩(wěn)定的信號放大器，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器輸出，而現(xiàn)代IRT通常使用波長為1微米的光譜響應(yīng)。由于常常需要透過瞄準(zhǔn)通道上的某種氣體或其它干涉物，或者實際中常需要獲得對氣體或其它物質(zhì)的測量值而較寬的能量卻測不到的，對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)的一些常見示例為波長8-14微米的波段，可避免長距離測量中空氣中的水分造成的干擾；用于測量某些薄膜塑料的7.9微米波長；3.86微米波長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
光譜響應(yīng)還是選擇較長波長光譜響應(yīng)，還要由溫度范圍決定，因為，如普朗克方程式所示，隨著溫度升高，峰值能量會移向較短波長。圖6中的圖形說明了這一現(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)。這是因為材料的有效發(fā)射率在較短波長處大，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，在溫度測量中發(fā)射率是一個重要的因素。除非被測材料的發(fā)射率已知并且納入到測量中，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測量值與使用熱電偶或電阻式溫度計同時測量所得的測量值進行比較，并調(diào)整發(fā)射率設(shè)置直到IRT的讀數(shù)相同。幸運的是，IRT廠商和一些研究組織提供的公開數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，因此很少有必要進行試驗。作為經(jīng)驗之談，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測量它們的溫度。

盡管總是有可能確定被測量基本材料的發(fā)射率，但對于發(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，情況會變得復(fù)雜。使用雙色測溫法可以解決存在這種現(xiàn)象的一些應(yīng)用。

雙色測溫法
由于發(fā)射率在用溫度計提供的溫度數(shù)據(jù)方面起著如此重要的作用，不斷地嘗試設(shè)計能夠獨立于該變量進行測量的傳感器也不足為奇了。這些設(shè)計中，負盛名并且應(yīng)用的是雙色溫度計。該技術(shù)與到此為止介紹的溫度計沒有什么不同，但它測量的是材料在不同波長放射的能量的比值，而不是測量在一個波長或波段內(nèi)放射的能量。在此上下文中使用詞組"顏色"有點兒過時，但是這種用法卻仍未被取代。它源于將可見顏色與溫度相關(guān)聯(lián)的古老做法，因此有了"色溫"的說法。

雙色測溫法行之有效的基礎(chǔ)是兩個探測器會把被測量材料表面發(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因為這種變化而變動。圖7中是簡化的雙色溫度計示意圖。

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量未占滿視場的物體而產(chǎn)生的不測量，它對解決一些應(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)溫度以及通過逐漸模糊不清的窗口進行測量，例如金屬的真空熔煉。但是應(yīng)該注意，在用于計算比值的兩個波長，傳感器必須將這些動態(tài)變化"看作"相同，然而并非始終如此。在兩個不同的波長，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為"灰體"。發(fā)射率變化不同的稱為"非灰體"。

并非所有形式的瞄準(zhǔn)通道遮蔽物都會對計算比值的波長進行同樣的衰減。如果瞄準(zhǔn)通道中主要是與使用中的一個波長相同微米尺寸的顆粒物，將會顯著擾亂比值。本質(zhì)上為非動態(tài)的現(xiàn)象（例如材料的"非灰體性"）可以通過偏置該比值處理，這種調(diào)整稱為"斜坡"。然而，合適的斜坡設(shè)置往往必須通過經(jīng)驗才能得到。盡管存在這些限制，比值法在許多由來已久的行業(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。

測溫（續(xù)）

圖7

總結(jié)
測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。對于許多溫度測量應(yīng)用，它是一種*的技術(shù)，而對于另一些應(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)備得到仔細認真的安裝，通常應(yīng)用將取得成功。仔細認真的安裝指的是，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)器件潔凈并且沒有障礙物。在選型過程中考慮廠商時的一個因素應(yīng)該是性附件及安裝附件的供貨能力，以及這些附件對快速拆卸和更換傳感器以便進行保養(yǎng)的支持。如果遵循這些準(zhǔn)則，在許多情況下，現(xiàn)代溫度計的工作性將超出熱電偶或電阻式溫度計。

參考文獻
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
許可轉(zhuǎn)載。