红外辐射测温理论第08章.ppt

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第八章辐射测温应用技术,8.1红外辐射测温中的干扰,辐射式温度计属于光学测量装置，在测量中常常受到光学方面的外界干扰。

这些干扰大致可分为光路中的干扰，外来光干扰和发射率变化干扰等几类。

此外，在辐射温度计本体的信号变换与处理过程中，不可避免地还会有机械振动、温度变化和电磁方面的干扰。

如在冶金生产中，为了冷却设备和产品，常常在被测表面上停留有水膜，在被测表面附近还经常存在着浓度经常变化的水蒸气。

水蒸气、二氧化碳等气体介质对辐射能的吸收是有选择性的，即对某些波长的辐射能有吸收能力，而对另一些波长的辐射能则是透明的。

由于这些气体介质在光路中对来自被测物体的辐射能有选择性的吸收，从而减弱了入射到辐射温度计中的辐射能，因而造成测量误差。

光路中的干扰,生产现场空气中还悬浮很多尘埃，这些尘埃对辐射能吸收是没有选择性的，但常常伴随有散射。

空气中的尘埃对于辐射的吸收和散射虽然物理本质不同，但其效果都是减弱入射到辐射温度计中的辐射能，从而造成测量误差。

被测表面和辐射温度计之间在测量上所必须行经的空间距离叫作光路。

图1辐射测温中的各种外部干扰,指从其他光源入射到被测表面上并且被反射出来，混入到测量光中的成分。

如在室外测量时的太阳光，在室内测量时的照明，附近的加热炉和火焰等都是外来光的光源。

外来光的干扰,发射率变化干扰,物体的发射率不仅与温度和波长有关，而且即使是同种物质也与其表面粗糙度、锈蚀和氧化程度等因素有关。

如果对物体发射率评价的不准确或发射率在某已知平均值附近无规则变化，部将造成测量误差。

图1辐射测温中的各种外部干扰,图2被测目标的辐射能、光学材料透过率和探测器面的探测率的相关图,8.1.1光路中的干扰,可以看出，被测目标与辐射温度计的距离越远，即l越大，被测物体发出的辐射能被衰减的越多。

吸收性气体（水蒸气、二氧化碳等）在被测目标和辐射温度计之间浓度越大，即K越大，被测物体发出的辐射能也被衰减的越多。

根据第一章辐射能在吸收性气体中的哀减规律，即布尔定律：

水蒸气、二氧化碳和臭氧等多原子气体都具有相当强的吸收能力。

图3表示出水蒸气、二氧化碳和臭氧的吸收波段和它们吸收带的叠加。

在波长1.41.85、22.5、3.34、8-14mm内的辐射能被吸收较少，称为大气窗口。

一些辐射温度计的工作波长都选择在大气窗口的某一波段内，以减少光路中吸收性气体对被测辐射的吸收。

图4由于水蒸气产生的测量误差,为了研究水蒸气对辐射测温的影响，在个加热的圆盘和辐射温度计之间吹入水蒸气进行实验。

实验中，由于水蒸气定量困难，很难作到对于各种辐射温度计都复现相同的蒸气里，所以实验点分散较大。

但从图4中可以看出，探测器为热电堆或PbS的辐射温度计误差较大，在850时，误差分别为-85和-90左右，光电管高温计和硅光电池光电高温计的误差分别为-20和-27。

可见，在光路中存在有水蒸气时，在短波下测量，可以减小测量误差。

如果在加热的圆盘上形成0.2mm厚的水膜，用以热电堆和PbS为探测器的辐射温度计测量圆盘温度时，在圆盘温度为850时，其误差分别为-200和-290；用硅光电池光电高温计和用光电管高温计测量时，误差分别为-10和-17。

这是因为在短波下测量，水膜透过率较高的缘故，如图5和图6所示。

图5水膜产生的测量误差图6水膜透过率,光路中的水膜、水蒸气及尘埃对辐射温度计的正常测温都会带来非常不利的影响。

为了尽量消除这些不利因素，除按上述在短波下测量的方法以外，通常用压缩空气吹散水膜，或用仪表风清洗光路都是有效的。

如果仪表风不足，可用一般压缩空气，但必须经滤清器处理。

如果压缩空气中水分太多，也不宜直接使用，需要经脱湿机处理。

8.1.2外来光干扰,图7外来光干扰的形成,不透明的物体表面温度为T，发射率为，自身的单色辐射功率为Eb（，T）。

在测温现场往往还有作为辐射源的其他一些物体也向外辐射出能量，这些能量中有部分到达被测物体表面上，其中一部分被吸收，另一部分被反射而混入到测量光中，混入的这部分光即所谓外来光干扰。

设被测物体周围有n个温度不同、位置也不同的辐射光源，则被测物体的有效辐射为：

（k=1,2,3,n）,因为有AaFak=FkaAk的关系，所以上式变为：

式中，Aa为被测物体的面积，Ak为温度Tk物体的面积，Fka为物体k对被测物体的角系数，Fak为被测物体对物体k的角系数，Eeff,k（,k）为k物体的有效辐射功率。

从上式中可以看出：

被测物体的发射率越小，则式中右边第二个求和项越大，即混入测量光中的外来光干扰量越大，外部光源的温度越高，这个干扰量也越大。

用光学高温计测量黑度为0.6l的钢材表面温度时，由于白昼光的干扰也会产生测量误差如图8所示，钢材的温度在1000以上时，照度在3000lx（勒克斯）以下的昼光干扰可以忽略不计。

钢材的温度在1000以下时，最好在较暗的条件下测量。

900以下时，照射在钢材表面上几百勒克斯的照度也是不能忽视的。

图8白昼光反射的干扰,对于一些固定的难以避免的外部光源，如不设置遮蔽装置，在测量中也会造成很大的测量误差。

为了防止遮蔽装置的内部与被测表面之间发生的多次反射，遮蔽装置的内侧面应涂黑。

遮蔽装置的设置不应阻碍生严操作，并尽量靠近被测表面。

当遮蔽装置将在很高的温度下工作，这样遮蔽装置本身又成了新的外部光源了。

这时应当用空气或水对遮蔽装置进行冷却，尽量压低它的辐射。

另外，还可以改变测量方向，躲过外来光对被测表面的照射。

8.1.3发射率变化产生的测量误差,对于不透明物体，如果没有反射成分，假定温度为T，发射率为时，应用维恩公式辐射温度计的输出为：

（1）,式中，k为辐射温度计机构常数，C2为普朗克第二常数，为波长。

根据上式可求得温度T值：

（2）,式

（1）对T求导，可得,（3）,式

（1）对求导，可得,将（4）代入（3），可得：

（4）,从该式可以看出：

由于发射率变化产生的温度测量误差与波长成正比，与温度（K）的平方成正比。

据此应尽量选择工作波段短的辐射温度计侧脸物体的温度，这样可以减小由于发射率变化产生的测量误差。

例：

辐射温度计工作波长=1.0m，发射率从0.8变化为0.82（2.5%）时，在1000（1273K）下测量，则由于发射率变化产生的温度测量误差为：

在500下（其它条件相同）温度测量误差为：

在1500下（其它条件相同）温度测量误差为：

如果辐射温度计工作波长=2.0m，在1000下（其它条件相同）温度测量误差为：

在500下（其它条件相同）温度测量误差为：

在1500下（其它条件相同）温度测量误差为：

可见，在其它条件不变的情况下，在短波下测量，可使由于发射率变化产生的温度测量误差成倍减小。

对于比色测温仪：

若被测物体为非灰体，由于两波长下发射率之比发生变化，则产生测量误差。

它的输出是两波长下能量比：

此处将r称为比色测温仪的有效波长，将R称为灰度，则有：

由此可以得到与（5）一样的表达形式：

可见，温度测量误差与单色温度计的形式相同，即由于灰度变化产生的温度误差与比色温度计的有效波长成正比与温度的平方成正比。

比色测温仪的两个波长设置根据测温范围而不同，作为典型的例子在800以上高温测量用比色测温仪为（0.85m/1.0m），在500以上中温测量用比色测温仪为（2.1m/2.4m），其各自的有效波长为：

当灰度R从1.0变化到1.01

（1）时，其温度测量误差的计算与单色温度计计算方法一样，即当测量温度为1000时，,当测量温度为500时，,当测量温度为1500时，,黑体空腔钢水连续测温方法与传感器,一、钢水连续测温意义与现状,冶金工业,炼钢、连铸过程：

控制钢水温度和成份的过程。

高温钢问题：

钢水质量下降能耗增加（约1元/.t）原材料消耗增大耐材消耗增大,解决高温钢问题的关键是：

准确和及时地测量钢水温度。

冶金生产过程,1.现行钢水测温方法（消耗式偶头人工间断式测温）,钢水连续测温意义与现状,准确性较差,存在问题,较理想浇注温度：

10浇注过程温度波动：

1015测温不确定性：

810,高温钢,影响因素:

中包钢水过热度通常设为：

30,不能实时监测钢水温度（1015分钟测量一次）,2.钢水连续测温国内外研究现状,钢水连续测温意义与现状,铂铑热电偶,内保护管,外保护管,钢水,绝缘管,局限性,铂铑热电偶昂贵，测温成本高，企业不用。

测量方法：

铂铑热电偶+保护管,Vesuvius、HeraeusElectro-Nite二大国际公司有此类产品。

3.钢水连续测温一直是没能较好解决的问题,钢水连续测温意义与现状,介质温度高（14601600）介质侵蚀性大（O、Mn、S）烟气、粉尘,高精度高可靠性低成本,条件恶劣,高温介质内部温度测量,铂铑热电偶工业应用中的唯一方法。

三者的矛盾，使钢水连续测温问题一直没能很好解决。

要求苛刻,方法单一,二、研究内容与创新点,1.发明黑体空腔钢水连续测温方法,2.建立在线黑体空腔理论公式,3.研制黑体空腔钢水连续测温传感器,黑体空腔钢水连续测温方法与传感器,1.发明黑体空腔钢水连续测温方法,钢水,空芯管黑体空腔测温传感器,底部发射红外辐射红外探测器,根据在线黑体空腔理论确定钢水温度。

红外探测器,空芯管,研究内容与创新点,与铂铑偶连续测温方法比较,本发明：

低成本空芯管实现钢水连续测温,研究内容与创新点,2.建立在线黑体空腔理论公式,

（1）经典黑体空腔理论用于在线黑体空腔存在的问题,c腔体积分发射率,近似1,约为常数EbPlanck公式确定的黑体辐射强度,

（1）,实验室标准黑体辐射源,经典黑体空腔理论,在线黑体空腔,实际c计算曲线,cf（腔体等温性,介质温度,腔体结构,材料,波长）在线黑体空腔等温性差，导致各因素耦合影响，使c不确定。

分析,研究内容与创新点,建立了Kt一阶近似解析表达式：

提出腔体不等温系数Kt这一腔体参数,定义：

（4）,

（2）,0c腔体发射率（等温条件下腔体积分发射率）；Kt腔体不等温系数。

建立了在线黑体空腔辐射公式,（3）,

（2）在线黑体空腔理论公式的建立,研究内容与创新点,建立在线黑体辐射公式的意义,基于在线黑体空腔辐射公式：

与实验室分度方程（实验获得）结合，,则可建立在线分度方程：

（5）,（6）,（7）,用Kt和0c两个腔体参数分别表达腔体的等温性和密闭性，分解了各因素的耦合影响。

0c和Kt均约为腔体常数，可以确定表达在线黑体空腔的辐射特性。

建立在线分度方程，确定腔体温度（钢水温度）。

研究内容与创新点,3.研制黑体空腔钢水连续测温传感器,外管材料铝碳等静压成型，抗钢水侵蚀冲刷,内管材料Al2O3管，保证光路清洁,解决内管炸裂问题，采取内管外壁粘涂Al2O3颗粒,外套管,连接管,黑体空腔传感器,钢水,内套管,解决既抗钢水侵蚀冲刷又保证光路清洁之间的,疏松颗粒层缓解内外管壁局部接触，热应力集中导致的内管炸裂。

插入钢水深度,传感器内径,15,插入钢水深度,传感器外径,3,确定结构尺寸,82,20,

（1）确定传感器结构和材质,矛盾，采用双层套管结构。

研究内容与创新点,设置静压管、导风管、节流环和通气孔,

（2）解决光学系统受污染问题,保证测量值的稳定性,研究内容与创新点,建立测量精度方程,腔体不等温系数误差Kt；,（8）,腔体发射率误差0c；,红外测温系统误差

（2）。

主要影响因素:

测温管插入钢水的深度变化；传感器内管材料发射率变化。

外套管,连接管,黑体空腔传感器,钢水,中包盖,（3）确定传感器的准确性及技术条件,研究内容与创新点,实测腔体温度分布Kt随材料发射率和腔体插入深度变化,腔体发射率0c准确性的研究,腔体不等温系数Kt准确性的研究,0c随腔体插入深度和材料发射率变化,研究内容与创新点,黑体空腔传感器精度,比较：

工业铂铑热电偶的精度为:

4。

由于“腔体效应”，黑体空腔传感器的测温准确性优于工业用铂铑热电偶。

结论：

当测温管插入钢水深度300mm条件下，黑体空腔传感器的精度为：

1。

研究结果表明：

外套管,连接管