03第2章温度辐射测温教程
第二章 温度测量 - - 网络教学与精品课程制作平台 广东轻工
5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？
几种常用热电偶的热电势与温度的关系 曲线
哪几种热 电偶的测温上 限较高？ 哪一种热电偶 的灵敏度较高？ 哪一种热电偶 的灵敏度较低？ 哪几种热电 偶的线性较差？
为什么所有的曲线均过原点（零度点）？
㈢热电偶的结构
■普通型：由热电极、绝缘管、保护套管 和接线盒组成。如图2-11。
四、热电偶冷端温度补偿
当冷端不为０℃时，必须首先使用补偿导线 将冷端延长到一个温度稳定的地方，然后 再考虑将冷端处理为０℃。
四、热电偶冷端温度补偿
当冷端不为０℃时，必须首先使用补偿导线 将冷端延长到一个温度稳定的地方，然后 再考虑将冷端处理为０℃。 ㈠补偿导线法 补偿导线通常由补偿导线合金丝、绝缘层、 护套和屏蔽层组成。在100℃以下的常温范 围内，它具有与所匹配的热电偶的热电势 称值相同的特性。起到延长热电偶冷端的 作用。 常用补偿导线见表２－７。 Ｘ－延伸型 Ｃ－补偿型
T T0 = EAB T A B dT EAB T0 A B dT 0 0 E AB T , T0 f T f T0
=f T C
从上式可看出，当T0为定值时,Ｅ与Ｔ之间有惟一对应 的关系。因此可以用测量的热电势Ｅ来找到对应的温 度值Ｔ。
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自 由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发 生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属 A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得 到电子带负电，从而产生接触热电势。
A
＋
T
B
eAB（ T ）
自由 电子
接触电势EAB(T)的大小： NA kT N A EAB (T ) ln f T , e NB NB
红外辐射测温技术-讲义(总)
《红外辐射测温技术》讲义0 绪论使学生了解红外测温的基础知识和基本理论，辐射测温的基本工作原理，熟悉辐射测温仪表的基本构成，为辐射测温仪表的研制奠定基础。
1.课程内容、地位与应用■红外辐射：红外技术是研究红外波段内电磁波的规律并使其应用的一门现代技术。
众所周知，从波长很长的无线电波到波长很短的宇宙射线都是不同波长的电磁波，或称为电磁辐射。
波长的单位在行业内习惯用微米(µm) 。
频率ν和波长λ的关系为λν= c （光速）；也有用波数σ表示波长的σ=1/λ(cm-1) 。
电磁波谱上的每一段都具有其独特的规律，每一段都是一个研究领域，都有其特性和规律，研究并使其应用，造福于人类是每个学科的宗旨。
红外技术就是研究红外区域内电磁波的规律的一门学问。
包括可见光直到紫外部分。
* 需要记住和理解的几点内容：➢“红外辐射是人眼看不见的光线”；➢“红外辐射就是热辐射”➢“对红外线的研究也属于光学范畴。
”红外技术的应用：①军事上：●军事目标的侦察、监视、预警与跟踪●红外制导是一种重要的制导方式。
●红外通信。
●军用夜视仪。
●是探测隐身飞行器的一种手段。
● 对威胁进行红外告警。
②在民用方面：红外测温，红外遥控，红外遥感，红外医疗，红外加热，红外光谱技术。
总之，红外技术的应用及其广泛，它已涉及到军事战术或战略的情报搜集、目标的侦察监视、武器制导等各个领域，对未来战争产生重大的影响。
在工业、医学和科研等许多方面也广为使用，例如热源探测，医用热像仪、温度测量与过程控制、红外光谱分析、红外加热、红外遥感、红外天文学等。
■测温技术温度测量的方法可分两大类：辐射测温特点：优点：响应速度快、分辨率高，适用于旋转物体、移动物体、热容量小的物体、腐蚀性场合，以及接触式测温无法使用的条件下，辐射测温被广泛应用。
如：电力、冶金、化工橡胶等领域● 焊接、炉窑、焦化、电力（变压器） ● 感应加热、塑料、玻璃 ● 金属挤压成型 ● 热处理和退火缺陷：①一般辐射温度计都只能测得亮度温度或辐射温度，由于一般被测物体发射率都小于l ，所以不能测得真温度。
辐射测温
漏度是物质内部分子热运动的一种宏观表现，温度的高低变化揭示了物质系统的运行状态及相应的变化既律，是确定物质状态的最重要参数之一。
温度的测量与控制在国防、军事、利学实验及工农业生产中具有十分重要的作用，尤其是高温测量，在航空，材料，能源、冶金等领域占有极重要的地位。
液态金属的快速凝固是先进材料的制备工艺之一，近十年来在材料科学与工程领域得到愈来愈广一泛的研究和应用。
由于传热是金属熔体发生液固相变的首要条件，温度成为标志金属所处物理状态及其凝固过程进行程度的重要宏观参量。
因此，温度测量对于深入研究快速凝固过程的动力学规律以及实现这一过程的动态控制都是极其必要的。
温度的洲!晕.方法大致可分为两种:接触法和非接触法。
在接触测温法中，热电偶和热电阻温度计应用最为广泛，该方法的优点是设一备简单和操作简使，测得的足物体的真实洲度。
其缺点是动态特性差，由于要接触被测物体，故对被测物体的温度分布有影响，且不能应用于甚高温测量。
另一方面，在有些情况下，比如对微小和运动的物体以及在一些特殊环境中的测量，对一物体的接触测量是不可能的，这时只能考虑用非接触测量的方法。
非接触测温方法主要是光学方法，它们大致一可分为如下几类：(1)辐射测温方法，其理论基础是普朗克黑体辐射定律，通过测量物体的辐射通髦来测定温度:(2)光散射方一法，此方法是根据温度对物体散射波民变化的影响来获得物体的温度:(3)折射率方法，其原理是:当物体温度变化时其折射率也发生相应变化，光通过物体时光程也要变化，可以通过各种光学干涉测量的方法得出物体折射率的变化从而导出物体的温度。
一个辐射测温系统通常由光学系统、探测器件和信号处理系统组成，如图所示，有的测温系统还有致冷器、调制器和服侍系统等测温系统通过其光学装置收集.(通常是红外辐射)，并通过探测器件的光电转换和电信号处理得出被测目标的表面温度，测温系统与目标之间是光传输介质。
非接触红外测温优点如下：它的测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度;(2)测温范围宽。
辐射测温方法的表面温度场测量条件
（ 一 ＾ 一 ＾ｌ 一
＾ 】 一 ／
１ 表 面 发射 辐 射 测 量 过 程 的描 述
表 面 发 射 辐 射 可 向所 有 可 能 的 方 向传 播 ． （ ， ）方 向 上 ， 面 发 射 的 光 谱 辐 射 强 度 在 ０ 表
为 厶 口 ， ， ， ） 定 义 温度 为 的 表 面 光 谱 （ ０ ・ ． Ｔ
经 过 路 程 长 度 为 的传 输 后 ， 述 光 谱 辐 射 强 度 因传 输 介 质 的 吸 收 而 减 弱 为 ， 上
厶， Ｌ ０ ， ）＝ 厶．（ ０ ， ）ｘ ［ ｌ Ｌ ． ０（ ， Ｔ ， ， 口 ， ， Ｔ ｅｐ 一Ｋ （ ） ］
（） ６
其中 ， ： Ｕ ＣＳ ． Ｌ ／ Ｏａ
中 图 分 类 号 ： ５ １２ Ｔ ３ １ ０ ５ ． ； Ｋ １ 文献标识 码 ： Ａ
０ 引言
任 何 物 体 的 表 面均 会 向外 界 发 射 出 热辐 射 ， 射 量 和 其 绝 对 温 度 紧 密相 关 ， 此 可 以通 辐 因 过 测 量 物 体 的辐 射 来 反 演 温 度 ， 就 是 所 说 的辐 射 测 温 方 法 ． 类 方 法 往 往 采 用 光 学 系 统 将 这 这 辐 射 成 像 后 ， 过 光 电 转 换 系统 将 光 信 号 转 换 为 电 信 号 ， 而 测 量 出 物 体 的 辐 射 信 息 ． 具 通 从 它 有 接 触 式 测 量 方 法 所 不 具 备 的 诸 多 优 点 ， 此 一 直 是 温 度 测 量 方 法 研 究 的一 个 热 点 ． 文 讨 因 本 论 了表 面 辐 射 测 温 方 法 设 计 中 的 几 个 基 本 问题 并 给 出 了解 决 方 案 ．
文 章 编 号 ：２ ３２ ７ （０ ２ ０ ．３ ４０ ０ ５ —７ ８ ２０ ）３０ １．６
温度辐射测温
温度为T的绝对黑体，在单位面积上辐射的总能量与 绝对温度T的四次方成正比即：
E T
4
式中 ：E — 物体在温度T时红外辐 射总能量； T — 物体的绝对温度 ； σ— 斯忒藩-玻尔兹曼常数(σ＝5.6697×10-8Wm-2K-4； ε— 比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领 之比值，黑体的ε=1 。
热辐射测温理论基础
一、普朗克公式
阐明了绝对黑体的辐射强度与温度及波长的关系：
C2 t
E0 C15 (e
E E0
1) 1
对于灰体，某一波长下的辐射强度等于：
在一定波长下，测量物体的辐射强度，可推算出其温度。 所以只要可得到定波长条件下的辐射强度，就可得温度。
黑体光谱辐射亮度
L与温度为TL的绝对黑体的亮度L0λ 相等，则称TL为这个物 体在波长为λ时的亮度温度。其数学表达式为
E(λ,Τ)= E0(λ,Τ)= E0(λ,ΤL) C1λ-5exp[-C2/(λT)] = C1λ-5exp[-C2/(λTL)] 光学高温计是在波长为λ的单色波长下获得的亮度。 这样，物体的真实温度为：
4）辐射式温度计
– 全辐射高温计 – 全辐射高温计是接受被测物体全部辐射能量 来测定温度的
辐射温度计的敏 感元件，分光电型 与热敏型两大类
2.4.3 红外测温与红外成像测温仪 红外测温原理
全辐射测温是测量物体所辐射出来的全波段 辐射能量来决定物体的温度。它是斯蒂芬—玻尔兹 曼定律的应用，定律表达式为
热电偶的安装
热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长 短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装方法要正确，下 图是安装在管道上常用的两种方法。 通过温度变送经放大 后, 再接指示仪表或作 为控制用的信号。
辐射测温原理
辐射测温原理
辐射测温原理是基于物体的辐射能量与其温度之间的关系。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体的辐射能量与其温度的第四次方成正比。
辐射测温利用这一定律，通过测量物体辐射出的电磁辐射能量，来推算物体的温度。
辐射测温的关键在于测量物体发出的红外辐射。
物体的温度越高，其发射的红外辐射能量越大。
辐射测温采用红外探测器或热像仪来测量红外辐射，并通过计算得到物体的温度。
红外探测器是特制的探测器，能够接收红外光信号，并转换成电信号。
红外光信号的强度与物体的温度相关。
红外探测器对不同波长的红外光具有不同的响应特性，因此可以通过对不同波长的红外光信号进行测量和分析，来推算物体的温度。
热像仪则是一种可以直接显示物体温度分布的仪器。
热像仪中包含一个红外探测器阵列，它可以同时测量物体上各个点的红外辐射强度，并将结果转换成图像显示出来。
通过观察这个图像，可以了解物体的温度分布情况。
辐射测温原理的优势在于可以非接触地测量物体的温度，适用于高温、危险或难以接触的物体测温。
同时，辐射测温也有一定的局限性，如测量距离限制、目标表面反射率的影响等。
因此，在应用辐射测温时需要考虑这些因素。
2-5 红外辐射测温法
σ= 5.67×10-8 w/(m2K4)，
黑体的 辐射力
Stefan-Boltzmann常数。
§2-5 红外辐射测温法
普朗克定律 —— 黑体辐射能按波长分布的规律
光谱辐射力Eλ： 单位时间内，单位波长范围内(包含 某一给定波长)，物体的单位表面积 向半球空间发射的能量。(W/m2· m)
Eb
Lb
C1 5 [exp( C2 T ) 1] C1 5 exp(C2 TS )
理论基础
维恩位移定律
Lb
mT 2900 m K
斯蒂芬—玻尔茨曼定律
Eb T 4
全辐射高温计
斯蒂芬—玻尔茨曼定律 普朗克定律
辐射测温仪
单色辐射高温计
比色高温计
普朗克定律
§2-5 红外辐射测温法
动力工程测试技术 与 实验方法
温度的测量 §2-5 红外辐射测温法
§2-5 红外辐射测温法
§2-5 红外辐射测温法
Stefan-Boltzmann—— 黑体辐射力同温度间的关系
辐射力E： 单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长 的能量总和。 (W/m2)；
T 4 Eb T C0 ( ) —— Stefan-Boltzmann （四次方定律） 100
§2-5 红外辐射测温法
单色辐射高温计
Eb c15 ec
2
普朗克定律
( T T )
§2-5 红外辐射测温法
单色辐射高温计
： L E
在波长为λ的单色辐射中，如物体在温度T时的亮 度和绝对黑体在温度Ts时的亮度相等，则把Ts称 为被测物体在波长λ时的亮度温度
波长λ，绝对黑体的亮度： Lb
辐射式温度计
带电体、高温及高压物体的温度测量；
(2)辐射式测温反应速度快，它不需要与物体达到热平衡的过程，只要 接收到目标的红外辐射即可测定温度，反映时间一般都在毫秒级甚
至微秒级；
(3)辐射式测温灵敏度高，由于物体的辐射能量与温度的四次方成正比， 因此物体温度微小的变化，就会引起辐射能量较大的变化，红外传
第四节 辐射式温度计
2. 测温基本原理
辐射测温的物理基础是普朗克(Ptanck)热辐 射定律和斯蒂芬－玻耳兹曼(Stefan—Boltzmann) 定律。绝对黑体的光谱辐射亮度 L(λ ， T) 与其波 长λ、热力学温度T的关系由普朗克定律确定：
L ，T
C2 / T e 1 5
是钢铁工业中的高速线材、无缝钢管轧制，有色金属连铸、热轧等
过程的温度测量等；军事方面的应用如各种运载工具发动机内部温 度测量、导弹红外（测温）制导、夜视仪等；在一般社会生活方面
如快速非接触人体温度测量，防火监测等等。
工程上，测定物体的辐射亮度，相对容易。故目前国内外 使用的辐射式温度计都是根据被测物体的光谱辐射亮度来确定 物体的温度。我国目前生产的光谱辐射温度计有光学高温计、 光电高温计、全辐射高温计、光导纤维高温计和硅辐射温度计 等。 辐射检测器分光电型和热敏型。
第四节 辐射式温度计
所以，用光学高温计测量被测物体的温度时，读出的数 值将不是该物体的实际温度，而是这个物体此时相当于绝对 黑体的温度，即所谓的“亮度温度”。 亮度温度的定义是：在波长为 λ、温度为T时。某物体的 辐射亮度L与温度为TL的绝对黑体的亮度L0λ 相等，则称TL为 这个物体在波长为λ时的亮度温度。其数学表达式为
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2.4.1 辐射测温原理 2.4.2 辐射测温方法及其仪表 2.4.3 红外测温与红外成像测温仪 辐射测温主要有如下三种基本方法
– 亮度法 – 比色法 – 全辐射法
2.4.1 辐射测温原理
辐射式温度计的感温元件通常工作在属于可见光和 红外光的波长区域。辐射式温度计的感温元件使用 的波长范围为0.3—40μm。 相关概念： • 绝对黑体：在任何温度下，均能全部吸收辐射到它 上面的任何辐射能量 • 选择吸收体：对辐射能的吸收(或辐射)除与温度有 关外，还与波长有关 • 灰体：吸收(或辐射)本领与波长无关
2.4.2 辐射测温方法及其仪表
光学高温计
• 1.光谱辐射温度计
光电高温计 硅辐射温度计
• 2. 比色高温计
• 3 .辐射温度计
1） 亮度高温计 依据物体光谱辐射出射度或辐射亮度和其温 度T的关系，可以测出物体的温度。
分类：光学高温计、光电高温计 用光学高温计测量被测物体的温度是“亮度温度”。 亮度温度：在波长为 λ、温度为T时，某物体的辐射亮度
热辐射测温理论基础
一、普朗克公式
阐明了绝对黑体的辐射强度与温度及波长的关系：
C2 t
E0 C15 (e
E E0
1) 1
对于灰体，某一波长下的辐射强度等于：
在一定波长下，测量物体的辐射强度，可推算出其温度。 所以只要可得到定波长条件下的辐射强度，就可得温度。
黑体光谱辐射亮度
3）
比色温度计
• 比色温度计是基于维恩位移定律工作的 根据比色温度的定义，应用维恩公式，可导出物体 的真实温度和其比色温度的关系： ln( 1 / 2 ) 1 1 T TR C 2 (1 / 1 1 / 2 )
比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使 用，如 :烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦 化和炉窑等应用现场。
红外辐射
红外辐射与光波和无线电 波一样，是一种电磁波； 红外热像仪可以接收红外 辐射并将其转换为温度。
X射线
10-4 10-2
紫外线
0.28 0.40
近红外线 红外线短波
0.70
2.00 6.00 8.00
热测量
红外线中波
红外线长波
15.00
微波
104
波长单位为微米 (µm)
红外热像仪工作示意图
电路处理 红外辐射
三、全辐射定律(斯蒂芬—波尔茨曼)
温度为T的绝对黑体，在单位面积上辐射的总能量与 绝对温度T的四次方成正比即：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
E T
4
式中 ：E — 物体在温度T时红外辐 射总能量； T — 物体的绝对温度 ； σ— 斯忒藩-玻尔兹曼常数(σ＝5.6697×10-8Wm-2K-4； ε— 比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领 之比值，黑体的ε=1 。
L与温度为TL的绝对黑体的亮度L0λ 相等，则称TL为这个物 体在波长为λ时的亮度温度。其数学表达式为
E(λ,Τ)= E0(λ,Τ)= E0(λ,ΤL) C1λ-5exp[-C2/(λT)] = C1λ-5exp[-C2/(λTL)] 光学高温计是在波长为λ的单色波长下获得的亮度。 这样，物体的真实温度为：
• 非接触式测温元件的选型
•
•
从仪表的灵敏度上讲，光学高温计的灵敏度最高；比色温度计次之；辐 射温度计差一些。故国际温标以基准光学(光电)高温计作为标准温度计。
从测量误差上来讲，随着温度升高，TR、TL的相对误差也增大，而TP的 相对误差维持不变；对于发射率低的物体，其TP与真实温度相差较大，而比 色温度TR的差别最小。
• 也称单位立体角的光谱辐射强度
Bb
1
Eb
c1 e 1
5
c2 T
1
1
二、维恩公式
温度在3000K以下普朗克公式可用维恩公式代替，维恩
公式表达式为：
Eb c15e
c2 T
当波长一定时，黑体辐射本领就仅仅是温度的函数，即：
M 0 (, T ) f (T )
W T
4
W—— 物体单位面积所发射的辐射功率，数值上 等于物体的全波辐射出射度； ——物体表面的法向比辐射率； ——斯蒂芬—玻尔兹曼常数； T——物体的绝对温度(K)。
红外线辐射温度计外形
供热、通风及制冷行业应用
汽车检测与维护
电气系统故障诊断
钢铁工业解决方案
水泥回转窑筒体扫描温度测量系统
物 体
红外热图 红外镜头 探测器
红外热像仪是全被动接收仪器，依靠接收目标自 身辐射的红外信号工作，对于其他精密电子仪器 设备没有任何干扰。
红外热像图
•红外热像仪接收目标各部位辐射的红外能量，并将其转 •换为温度值，用不同的颜色标示不同的温度，以热像图 •方式在液晶屏上显示。
可见光图
红外热像图
2.5 测温仪表的选择及安装
(1) (2) (3) (4) 满足生产工艺对测温提出的要求； 组成测温系统的各基本环节必须配套； 注意仪表工作的环境； 投资少且管理维护方便。
• 接触式测温元件的选型
• 一般在t<500℃的中、低温区，如家用及汽车行业用得较多的是热电阻 或热敏电阻，在t>500℃高温区，如冶金炉窑等热工设备的在线检测中选用 较多的是热电偶。
玻璃加工制造
热成像仪
热成像技术是测温自动检测技术与红外技术的综合应 用。最早用于军事，后在工业、医学和科研工作等方面 获得广泛应用。 • 应用范围：用于场参数测量。 • 工作波段：红外波段。 • 工作原理：利用红外扫描原理来测量物体表面温度分布 与热状态；
Ti30热像仪
红外热像仪原理
热成像技术是测温自动检测技术与红外技术的综合应用。
C 2TL T TL ln C 2
光学高温计的示意图：
光学高温计在测量物体的温度时，由于要靠手动调节灯 丝的亮度，由眼睛判别灯丝的“隐灭”，故观察误差较大， 也无法实现自动检测和记录。
2）光电温度计
光电温度计采用光电元件作为敏感元件感 受辐射源的亮度变化，并根据被测 物体亮度 与温度的关系确定温度的高低
4）辐射式温度计
– 全辐射高温计 – 全辐射高温计是接受被测物体全部辐射能量 来测定温度的
辐射温度计的敏 感元件，分光电型 与热敏型两大类
2.4.3 红外测温与红外成像测温仪 红外测温原理
全辐射测温是测量物体所辐射出来的全波段 辐射能量来决定物体的温度。它是斯蒂芬—玻尔兹 曼定律的应用，定律表达式为