03第2章温度辐射测温教程课件.ppt

1、2.4 辐射辐射温度计温度计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 辐射测温原理辐射测温原理辐射式温度计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0.340m。相关概念相关概念： 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)本领与波长无关一、普朗克公式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：阐明了绝对

2、黑体的辐射强度与温度及波长的关系： 对于灰体，某一波长下的辐射强度等于：对于灰体，某一波长下的辐射强度等于：0EE 1510) 1(2tCeCE在一定波长下，测量物体的辐射强度，可推算出其温度。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所以只要可得到定波长条件下的下的辐射强度，就可得温度。辐射强度，就可得温度。 黑体光谱辐射亮度黑体光谱辐射亮度也称单位立体角的光谱辐射强度光谱辐射强度1511112TcbbecEB热辐射测温理论基础热辐射测温理论基础二、二、维恩公式维恩公式TcbecE251 温度在温度在3000K以下普朗克公式可用维恩公式代替，维恩以下普朗克公式

3、可用维恩公式代替，维恩公式表达式为：公式表达式为： 当波长一定时，黑体辐射本领就仅仅是温度的函数，即：当波长一定时，黑体辐射本领就仅仅是温度的函数，即：)(),(0TfTM三、三、全辐射定律全辐射定律(斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼波尔茨曼) 温度为温度为T的绝对黑体，在单位面积上辐射的总能量与的绝对黑体，在单位面积上辐射的总能量与绝对温度绝对温度T的四次方成正比即：的四次方成正比即： 4TE式中式中 ：E 物体在温度物体在温度T时红外辐时红外辐 射总能量；射总能量； T 物体的绝对温度物体的绝对温度 ； 斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数(5.669710-8Wm-2K-4； 比辐射率，即物体表面

4、辐射本领与黑体辐射本领比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领 之比值，黑体的之比值，黑体的=1 。 2.4.2 辐射测温方法及其仪表 1.光谱辐射温度计 2. 比色高温计 3 .辐射温度计 光学高温计光电高温计硅辐射温度计亮度温度：在波长为在波长为 、温度为、温度为T时，某物体的辐射亮度时，某物体的辐射亮度L与温度为与温度为TL的绝对黑体的亮度的绝对黑体的亮度L0 相等，则称相等，则称TL为这个物为这个物体在波长为体在波长为时的亮度温度。其数学表达式为时的亮度温度。其数学表达式为 E(,)= E0(,)= E0(,L) C1-5exp-C2/(T) = C1-5exp-C2/(TL) 光学

5、高温计是在波长为的单色波长下获得的亮度。这样，物体的真实温度为： 22lnCTTCTLL1） 亮度高亮度高温计温计依据物体光谱辐射出射度辐射出射度或辐射亮度辐射亮度和其温温度度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”。光学高温计的示意图： 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 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3 3） 比色温度比色温度计计 比色温度计

6、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：)/1/1 ()/ln(1121221CTTR 比色温度计比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如用，如 : :烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。化和炉窑等应用现场。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辐射温度计的敏感元件，分感元件，分光电型光电型与与热敏型热敏型两大类两大类红外测温原理 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

7、温度。它是斯蒂芬玻尔兹曼定律的应用，定律表达式为 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)。4WT2.4.3 红外测温与红外成像测温仪红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形钢铁工业解决方案钢铁工业解决方案汽车检测与维护 供热、通风及制冷行业应用 水泥回转窑筒体扫描温度测量系统水泥回转窑筒体扫描温度测量系统 玻璃加工制造玻璃加工制造 电气系统故障诊断 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

8、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；Ti30Ti30热像仪热像仪X射线射线紫外线紫外线近红外线近红外线红外线短波红外线短波红外线中波红外线中波红外线长波红外线长波微波微波波长单位为微米波长单位为微米 (m)10-410-20.280.400.702.006.008.0010415.00热测量红外辐射与光波和无线电红外辐射与光波和无线电波一样，是一种电磁波；波一样，是一种电磁波；红外热像仪可以接收红外红外热像仪可以接收红外辐射并将其转换为温度辐射并将其转换为温度。红外辐射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。热成像技术是测温自动

9、检测技术与红外技术的综合应用。物物体体红外镜头红外镜头探测器探测器红外热图红外热图红外辐射红外辐射红外热像仪工作示意图红外热像仪是全被动接收仪器，依靠接收目标自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设备没有任何干扰。电路处理电路处理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。可见光图可见光图 红外热像图红外热像图2.52.5 测温仪表的选择及安装测温仪表的选择及安装 接触式测温元件的选型接触式测温元件的选型 一

10、般在一般在t500t500t500高温区，如冶金炉窑等热工设备的在线检测中选用较高温区，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。多的是热电偶。 非接触式测温元件的选型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射温度计差一些。故国际温标以基准光学(光电光电)高温计作为标准温度计。高温计作为标准温度计。 从测量误差上来讲，随着温度升高，从测量误差上来讲，随着温度升高，TR、TL的相对误差也增大，而的相对误差也增大，而TP的的相对误差维持不变；对于

11、发射率低的物体，其相对误差维持不变；对于发射率低的物体，其TP与真实温度相差较大，而比与真实温度相差较大，而比色温度色温度TR的差别最小。的差别最小。(1)(1) 满足生产工艺对测温提出的要求满足生产工艺对测温提出的要求；(2)(2) 组成测温系统的各基本环节必须配套组成测温系统的各基本环节必须配套；(3)(3) 注意仪表工作的环境注意仪表工作的环境；(4)(4) 投资少且管理维护方便投资少且管理维护方便。热电偶的安装热电偶的安装 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短来选择热电偶和保护套管热电偶和

12、保护套管。其。其安装地点要有代表性安装地点要有代表性，安装方法要正确，下，安装方法要正确，下图是安装在管道上常用的两种方法。图是安装在管道上常用的两种方法。 热电偶安装图通过温度变送经放大通过温度变送经放大后后, 再接指示仪表或作再接指示仪表或作为控制用的信号。为控制用的信号。 (1) (1) 热电偶温度计应按规定型号配用热电偶的补偿导线，正、负极不热电偶温度计应按规定型号配用热电偶的补偿导线，正、负极不要接错，并注意使用温度不超出其规定值要接错，并注意使用温度不超出其规定值。 (2) (2) 热电阻应采用三线制接法与显示仪表相接；连接导线可采用普通热电阻应采用三线制接法与显示仪表相接；连接导

13、线可采用普通铜导线，但其电阻值要符合仪表的要求。铜导线，但其电阻值要符合仪表的要求。 (3) (3) 导线应有良好的绝缘。信号导线不能与交直流电源输电线合用一导线应有良好的绝缘。信号导线不能与交直流电源输电线合用一根穿线管，导线应远离电源动力线敷设，以减弱电磁感应带入的干扰。根穿线管，导线应远离电源动力线敷设，以减弱电磁感应带入的干扰。布线要求：布线要求：2.6 新型温度传感器新型温度传感器 2.6.1 热流计热流计2.6.2 光纤光纤光栅光栅温温度传感器度传感器2.6.3 集成温度传感器集成温度传感器2.6.1 热流计热流计()SHLSqTTL也称热通量传感器，也称热通量传感器，是是测量物体

14、散热或吸热热流密度的仪表。它基测量物体散热或吸热热流密度的仪表。它基本上都是由带有热电堆的薄片制成。本上都是由带有热电堆的薄片制成。建筑物散热测量管道保温 法国Captec公司CapT-DP 高温对流热流传感器 CapT-C 系列高温热流传感器热流传感器TR2B，可以在铬镍铝镍热电偶和铜康铜热电偶之间选择使用。 燃烧室热流测定，火箭、喷气发动机动力输出，火灾、燃烧试燃烧室热流测定，火箭、喷气发动机动力输出，火灾、燃烧试验，锅炉、燃烧室动力输出，其它众多高温热流测量应用验，锅炉、燃烧室动力输出，其它众多高温热流测量应用。 2.6.2 2.6.2 光纤光纤光栅温度传感器光栅温度传感器根据光纤在传感

15、器中作用，传感器分为功能型、非功根据光纤在传感器中作用，传感器分为功能型、非功能型及拾光型三大类能型及拾光型三大类。(1)功能型功能型或传感型光纤传感器或传感型光纤传感器(FF)。光纤不仅作为导光物质，。光纤不仅作为导光物质，而且还是敏感元件。而且还是敏感元件。(2)非功能型非功能型(传光传光型型)传感器传感器(NFF)。传感功能由非光纤型敏感元。传感功能由非光纤型敏感元件完成，光纤仅起导光作用。件完成，光纤仅起导光作用。 (3)拾光拾光型传感器。用光纤作探头，接受由被测对象辐射的光或型传感器。用光纤作探头，接受由被测对象辐射的光或被反射、散射的光。被反射、散射的光。保护管内保护管内功能功能光

16、纤光纤传光传光光纤光纤FR1系列双色光纤式测温仪系列双色光纤式测温仪一、集成温度传感器的测温原理一、集成温度传感器的测温原理 PN结的结的 温度特性温度特性 二极管的正向二极管的正向电压降电压降UD以以 -2mV/ 变化变化 2.6.3 2.6.3 集成电路温度传感器集成电路温度传感器二、二、 模拟模拟型集成型集成温度传感器温度传感器AD590 电流电流输出型温度传感器能产输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，作为输出，AD590是电流输出型是电流输出型温度传感器的典型产品。温度传感器的典型产品。 AD590封装示意图封装示意图 空脚（接地）空脚

17、（接地）三、电压三、电压输出型集成温度传感器输出型集成温度传感器 LM35/45 LM35/45构成的摄氏温度测量电路及组构成的摄氏温度测量电路及组装成的测温传感器装成的测温传感器在电脑中，集成温度传感器用于在电脑中，集成温度传感器用于CPUCPU散散热保护电路热保护电路散热风扇散热风扇集成温度集成温度ICCPU插座插座CPU散热片散热片四、数字式智能型温度传感器四、数字式智能型温度传感器引脚定义：引脚定义： (1) DQ为数字信号输入为数字信号输入/输出端；输出端； (2) GND为电源地；为电源地； (3) VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。为外接供电电源输入端（在寄

18、生电源接线方式时接地）。 测温电缆线建议采用屏蔽测温电缆线建议采用屏蔽4 4芯双绞线，其中一对线接地线与芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接信号线，另一组接VCCVCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。和地线，屏蔽层在源端单点接地。 DS18B201 1） 高温金属熔体的温度测量高温金属熔体的温度测量 连续测温连续测温铝水铝水采用表面改进的采用表面改进的SiC保护管及保护管及Si3N4结合结合SiC保护管；保护管；铜液铜液采用采用MAC-6型金属陶瓷复合管型实体热电偶；型金属陶瓷复合管型实体热电偶；钢液钢液采用国产采用国产Mo-MgO系金属陶瓷管实体钨铼系热电偶；系金属陶瓷管实体钨铼系热电

19、偶；非接触式光纤温度计。非接触式光纤温度计。 间断测量间断测量消耗式快速微型热电偶消耗式快速微型热电偶；消耗型光纤辐射温度计消耗型光纤辐射温度计；2.7 2.7 工业特殊测温技术工业特殊测温技术测量锅炉过热器后的烟气温度测量锅炉过热器后的烟气温度TgTg热电偶热端温度为热电偶热端温度为T T，Q1Q1 ：烟气对流、辐射及传导方式将热量传烟气对流、辐射及传导方式将热量传给热电偶；给热电偶；2 2 ：热量沿着热电偶套管传给周围环境热量沿着热电偶套管传给周围环境; ;3 3：热电偶以辐射传方式给过热器及省煤热电偶以辐射传方式给过热器及省煤器。器。热电偶接受的热量为热电偶接受的热量为1 1；，散失的热

20、量为；，散失的热量为2 23 3，达到热平衡时达到热平衡时Q1= Q1= 2 2Q3Q3，即补充的热量即补充的热量等于散失的热量。然而只有等于散失的热量。然而只有TTTgTgT T时，才会有时，才会有Q1Q1，也就是说也就是说T T永远不可能等于永远不可能等于TgTg。 2 2） 高温烟气温度测量高温烟气温度测量T就是测温误差。要减小就是测温误差。要减小T使感使感受件的温度接近被测介质的温度，受件的温度接近被测介质的温度，就必须增大烟气对热电偶的传热和就必须增大烟气对热电偶的传热和减小热电偶对外的传导散热和辐射减小热电偶对外的传导散热和辐射散热。散热。 把测温管和冷的管壁把测温管和冷的管壁隔离

21、开来，使测温管隔离开来，使测温管不直接对冷管壁进行不直接对冷管壁进行辐射。这是因为热辐辐射。这是因为热辐射误差和射误差和 的四的四次方差成正比，次方差成正比， 若有少许差别，产生若有少许差别，产生的误差就很大。的误差就很大。右右图图为为用隔离罩把测温管用隔离罩把测温管和冷管壁面隔离开来和冷管壁面隔离开来的例子。的例子。 12,T T12,T T防辐隔离罩 采用双热电偶测温，可采用双热电偶测温，可用计算方法消除热辐射用计算方法消除热辐射误差。误差。右右图所示为一裸图所示为一裸露双热端热电偶，由粗露双热端热电偶，由粗细不同的两对热电偶组细不同的两对热电偶组成。测量后可利用两对成。测量后可利用两对热

22、电偶示值通过计算修热电偶示值通过计算修正指示温度，从而获得正指示温度，从而获得较为准确的气流温度。较为准确的气流温度。4 12 4 12 1)(TTddTTTTddTTg两热电偶材料相同，它们和冷两热电偶材料相同，它们和冷壁之间的换热系数相同壁之间的换热系数相同。双热电偶测温抽气式热电偶当高压蒸汽或压缩空气从喷嘴当高压蒸汽或压缩空气从喷嘴2喷出时，由于速度很大，喷出时，由于速度很大，在喷嘴处局部产生了负压，在在喷嘴处局部产生了负压，在这这负压的作用下，在热电偶负压的作用下，在热电偶处形成了高速气流，使放热系数处形成了高速气流，使放热系数1增大。抽气的速度越增大。抽气的速度越大，大，1越大，误差

23、就越小。为了减小热辐射损失，在热越大，误差就越小。为了减小热辐射损失，在热电偶外装设了隔离罩。电偶外装设了隔离罩。(2) 工业摄像工业摄像(CCD摄像机摄像机) 视频图像卡视频图像卡 图像图像 灰度信号灰度信号(存入计算机存入计算机) 图像处理图像处理 灰度与温灰度与温度关系度关系 平均灰度平均灰度 数字滤波数字滤波 现场标现场标定定 窑内温度。窑内温度。3) 基于图像处理的彩色基于图像处理的彩色CCD测温法测温法火焰图像在计算机内实际上是以火焰图像在计算机内实际上是以R、G、B为波长的三色图像。为波长的三色图像。投影温度场的计算方法即是建立在这样的一个投影温度场的计算方法即是建立在这样的一个

24、CCD色度学的基色度学的基础上，根据三种颜色的不同组合来进行计算的。础上，根据三种颜色的不同组合来进行计算的。 （1）工业摄像(CCD摄像机) 视频图像卡 R、B、G三基色 R/B Q值 QT 关系表 查表 T图像 伪彩色温度分布图像(3)工业摄像工业摄像(CCD摄像机摄像机) 视频图像卡视频图像卡 图像图像 亮度亮度 灰度灰度(量化量化) 对灰度级进行温度标定对灰度级进行温度标定 建立灰度与温度关系表建立灰度与温度关系表 灰度标定灰度标定 灰度变换灰度变换 温度伪彩色处理温度伪彩色处理 温度温度 原始图像及其直方图原始图像及其直方图 均衡化后的图像及其直方图均衡化后的图像及其直方图 图像分割图像分割 分割的意义：图像分割是将图像划分为若干互不相交的小区域分割的意义：图像分割是将图像划分为若干互不相交的小区域的过程。的过程。 休休 息息 一一 下下