溫度

測量的理論和應用

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展成熟的傳(chuan) 感器，它們(men) 在工業(ye) 加工與(yu) 研究中應用廣泛。本文以非數學化的語言介紹了這種測量技術的基本理論，以及如何應用該理論處理目標用戶遇到的各種各樣的應用參數

引言

溫度計通過探測所有溫度在零度（開氏0˚）以上的材料發射的能量來測量溫度。基本的設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換成電信號，並經過對環境溫度變化進行補償(chang) 後以溫度單位顯示。這種結構方便了無需與(yu) 被測量物體(ti) 接觸的遠距離溫度測量。因此，在由於(yu) 各種原因熱電偶或其它探頭類傳(chuan) 感器無法使用或者不能產(chan) 生數據的情況下，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(ti) 在運動；物體(ti) 周圍是電磁場（例如在感應加熱中）；物體(ti) 在真空或其它受控氣氛中；需要快速響應的應用。

自從(cong) 19世紀末溫度計(IRT)的設計已經存在，費氏的各種概念由CharlesA. Darling(1)在其1911年出版的書(shu) "測高溫學"中進行了論述。

然而，將這些概念轉變成實用測量儀(yi) 器的技術直到20世紀30年代才出現。自此，這種設計有了長足的發展，大量測量和應用專(zhuan) 門技術應運而生。如今，這項技術已經得到普遍接受，並且在工業(ye) 與(yu) 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於(yu) 0˚K的材料發射的。輻射是電磁波頻譜的一部分，其頻率在可見光與(yu) 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(nei) ，波長在0.7微米~20微米的頻率用於(yu) 實際的日常溫度測量。這是因為(wei) 目前工業(ye) 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用時想像可以看見輻射是有幫助的，因為(wei) 在許多方麵，的表現與(yu) 可見光一樣。輻射源放射的能量沿直線傳(chuan) 播，可被傳(chuan) 播路徑上材料的表麵反射和吸收。對於(yu) 人眼無法看透的大多數固體(ti) ，碰到物體(ti) 表麵的一部分能量將被吸收，一部分將被反射。在物體(ti) 吸收的能量中，一部分將被再次發射出來，一部分將在內(nei) 部反射。眼睛能看透的透明材料也是如此，例如玻璃、氣體(ti) 以及透明的薄塑料等。但是，此外，一些能量將穿透物體(ti) 。上述內(nei) 容如圖2所示。這些現象綜合起來構成了所謂的物體(ti) 或材料的反射率。

既不反射也不透射任何能量的材料稱為(wei) 黑體(ti) ，我們(men) 知道自然界中不存在黑體(ti) 。然而，在進行理論計算時，給真正黑體(ti) 賦予值1.0。在現實中，接近黑體(ti) 發射率1.0的近似值可以在圖3中所示的、帶有小管狀入口並且無法透過的球形空腔中得到。這種球體(ti) 內(nei) 表麵的發射率為(wei) 0.998。

不同種類的材料與(yu) 氣體(ti) 有著不同的發射率，因此將在給定溫度發射出不同強度的。材料或氣體(ti) 的發射率是其分子結構和表麵特性的函數。一般而言，發射率並不是顏色的函數，除非 顏色來源與(yu) 材料主體(ti) 是放射性不同的物質。包含大量鋁的金屬漆可以作為(wei) 一個(ge) 實例來說明這一點。大部分漆的發射率與(yu) 顏色無關(guan) ，但是鋁的發射率卻大不相同，因此其發射率將改變金屬漆的發射率。

如同可見光的情況一樣，一些表麵的拋光越高，表麵反射的能量越多。因此，材料的表麵特性也會(hui) 影響其發射率。在溫度測量中，對於(yu) 發射率本身較低的無法透過的材料，這一點為(wei) 重要。因而，拋光很高的一塊不鏽鋼與(yu) 同一塊粗糙加工表麵的不鏽鋼相比，發射率要低得多。這是因為(wei) 加工形成的溝槽阻止了更多的能量被反射。除了分子結構和表麵狀況外，影響材料或氣體(ti) 的表觀發射率的第三個(ge) 因素是傳(chuan) 感器的波長靈敏度，又稱為(wei) 傳(chuan) 感器的光譜響應。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(ge) 波段內(nei) ，個(ge) 體(ti) 傳(chuan) 感器可能在較窄的一部分波段內(nei) 工作，例如0.78 ~ 1.06微米或者4.8 ~5.2微米，原因將在後麵解釋。

圖3

溫度測量的理論基礎

作為(wei) 溫度測量基礎的公式已經由來已久、確定無疑並且得到了充分論證。大多數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(guan) 性，可以解釋前麵的文字。下麵是一些重要公式：

1. 基爾霍夫定律
物體(ti) 達到熱平衡時，吸收量將等於(yu) 輻射量。

a = e

2. 斯蒂芬-玻爾茲(zi) 曼定律
越熱的物體(ti) 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
描述光譜發射率、溫度與(yu) 輻射能量之間的關(guan) 係。

溫度計的設計與(yu) 結構

基本溫度計(IRT)的設計包括以下部分：匯聚目標放射出能量的透鏡；將能量轉換成電信號的探測器、讓IRT校準與(yu) 被測目標的發射特性相符的發射率調整部件；以及環境溫度補償(chang) 電路，該電路環境變化造成的IRT內(nei) 部的溫度變動不會(hui) 傳(chuan) 遞到終輸出。多年以來，大多數市售IRT遵循著這一概念。盡管這些IRT非常耐用並且足以滿足當時的要求，但它們(men) 的應用非常有限，並且回顧過去大部分情況，它們(men) 的測量也不盡如人意。圖4中說明了這一概念。

現代IRT以這一概念為(wei) 基礎，但在技術方麵更加複雜，從(cong) 而拓寬了其應用範圍。主要差別在於(yu) 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等標準的終輸出信號。圖5為(wei) 典型的現代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，由於(yu) 可以使用更加靈敏的探測器，以及更加穩定的信號放大器，選擇性濾光成為(wei) 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，而現代IRT通常使用波長為(wei) 1微米的光譜響應。由於(yu) 常常需要透過瞄準通道上的某種氣體(ti) 或其它幹涉物，或者實際中常需要獲得對氣體(ti) 或其它物質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的需求出現了。

圖4

圖5

圖6

選擇性光譜響應的一些常見示例為(wei) 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幹擾；用於(yu) 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(ti) 中的二氧化碳(CO2)和水(H2O)蒸汽造成的幹擾。選擇較短波長
光譜響應還是選擇較長波長光譜響應，還要由溫度範圍決(jue) 定，因為(wei) ，如普朗克方程式所示，隨著溫度升高，峰值能量會(hui) 移向較短波長。圖6中的圖形說明了這一現象。由於(yu) 上述原因不需要選擇性濾光的應用可能往往受益於(yu) 盡可能接近0.7微米的窄光譜響應。這是因為(wei) 材料的有效發射率在較短波長處大，並且光譜響應窄的傳(chuan) 感器的精度受目標表麵發射率變化的影響更小。

根據上述信息，顯而易見，在溫度測量中發射率是一個(ge) 重要的因素。除非被測材料的發射率已知並且納入到測量中，否則獲得數據的可能性不大。以下是兩(liang) 種獲得材料發射率的方法：a)參考公布的表格，以及b)將IRT測量值與(yu) 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，並調整發射率設置直到IRT的讀數相同。幸運的是，IRT廠商和一些研究組織提供的公開數據數量龐大，因此很少有必要進行試驗。作為(wei) 經驗之談，大多數不透明的非金屬材料有著很高而且穩定的發射率（在0.85 ~ 9.0範圍內(nei) ），大多數未氧化金屬材料有著中低發射率（在0.2 ~ 0.5範圍內(nei) ），但金、銀和鋁是例外，它們(men) 的發射率大約在0.02 ~ 0.04範圍內(nei) ，很難用IRT測量它們(men) 的溫度。

盡管總是有可能確定被測量基本材料的發射率，但對於(yu) 發射率隨溫度變化的材料（例如大部分金屬）以及矽和高純度單晶體(ti) 陶瓷等其它材料，情況會(hui) 變得複雜。使用雙色測溫法可以解決(jue) 存在這種現象的一些應用。

雙色測溫法
由於(yu) 發射率在用溫度計提供的溫度數據方麵起著如此重要的作用，不斷地嚐試設計能夠獨立於(yu) 該變量進行測量的傳(chuan) 感器也不足為(wei) 奇了。這些設計中，負盛名並且應用的是雙色溫度計。該技術與(yu) 到此為(wei) 止介紹的溫度計沒有什麽(me) 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(ge) 波長或波段內(nei) 放射的能量。在此上下文中使用詞組"顏色"有點兒(er) 過時，但是這種用法卻仍未被取代。它源於(yu) 將可見顏色與(yu) 溫度相關(guan) 聯的古老做法，因此有了"色溫"的說法。

雙色測溫法行之有效的基礎是兩(liang) 個(ge) 探測器會(hui) 把被測量材料表麵發射特性的任何變化或者傳(chuan) 感器與(yu) 材料之間瞄準通道中發生的任何變化"看作"是相同的，因此比值以及傳(chuan) 感器輸出將不會(hui) 因為(wei) 這種變化而變動。圖7中是簡化的雙色溫度計示意圖。

由於(yu) 比值法在規定的環境下將避免由變化的或未知的發射率、瞄準通道中的遮蔽物以及測量未占滿視場的物體(ti) 而產(chan) 生的不測量，它對解決(jue) 一些應用難題非常有效。這些應用難題包括金屬的快速感應加熱、水泥窯燒製區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。但是應該注意，在用於(yu) 計算比值的兩(liang) 個(ge) 波長，傳(chuan) 感器必須將這些動態變化"看作"相同，然而並非始終如此。在兩(liang) 個(ge) 不同的波長，所有材料發射率的變化並不相同。發射率變化相同的材料稱為(wei) "灰體(ti) "。發射率變化不同的稱為(wei) "非灰體(ti) "。

並非所有形式的瞄準通道遮蔽物都會(hui) 對計算比值的波長進行同樣的衰減。如果瞄準通道中主要是與(yu) 使用中的一個(ge) 波長相同微米尺寸的顆粒物，將會(hui) 顯著擾亂(luan) 比值。本質上為(wei) 非動態的現象（例如材料的"非灰體(ti) 性"）可以通過偏置該比值處理，這種調整稱為(wei) "斜坡"。然而，合適的斜坡設置往往必須通過經驗才能得到。盡管存在這些限製，比值法在許多由來已久的行業(ye) 內(nei) 行之有效，並且在其它行業(ye) 中即使不是的解決(jue) 方案，它也是方法。

測溫（續）

圖7

總結
測溫法是一種成熟卻又充滿活力的技術，它贏得了很多行業(ye) 和單位的尊重。對於(yu) 許多溫度測量應用，它是一種*的技術，而對於(yu) 另一些應用，它也是方法。在用戶充分了解該技術、所有相關(guan) 應用參數都得到適當考慮後，如果設備得到仔細認真的安裝，通常應用將取得成功。仔細認真的安裝指的是，傳(chuan) 感器在其規定的環境限值範圍內(nei) 工作，已經采取充分的措施保持光學器件潔淨並且沒有障礙物。在選型過程中考慮廠商時的一個(ge) 因素應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(chuan) 感器以便進行保養(yang) 的支持。如果遵循這些準則，在許多情況下，現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.

經作者
John Merchant,MIKRON INSTRUMENTCOMPANY, INC. 公司的
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