比色高温计原理

2015-5-20 08:19| 编辑:电工学习网| 查看: 14883| 评论: 0

　　维恩位移定律指出：当温度升高时，绝对黑体辐射能量的光谱分布要发生变化。一方面，辐射峰值向波长短的方向移动，另一方面光谱分布曲线的斜率将明显增加；斜率的增加致使两个波长对应的光谱能量比发生明显的变化。把根据测量两个光谱能量比（两波长下的亮度比）来测量物体温度的方法称比色测温法；把实现此种测量的仪器称为比色高温计。用此种方法测量非黑体时所得的温度称之为“比色温度”或“颜色温度”。所以，可把比色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长λ₁和λ₂的亮度比等于被测辐射体在相应波长下的亮度比时，绝对黑体的温度就称为这个被测辐射体的比色温度。

　　绝对黑体，对应于波长λ₁与λ₂的光谱辐射亮度之比R，可用下式表示：

　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　两边取自然对数，得

　　　　　　　　　　　　　　（2）

　　整理得

　　　　　　　　　　　　　　　　（3）

　　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：

　　　　　　　　　　　　　　　　（4）

　　式中，T_B为绝对黑体温度，也即物体的比色温度；T为物体的真实温度；ε（λ₁，T）、， ε（λ₂，T）为物体在λ₁和λ₂，时的光谱发射率。

　　通常λ₁和λ₂为比色高温计出厂时统一标定的定值，由制造厂家选定。例如选0．8μm的红光和lμm的红外光。

　　对于灰体，由于其ε_λ1＝ε_λ2。所以灰体的真实温度与其比色温度相一致。由于很多金属或合金随波长的增大，其单色光谱发射率是逐渐减小的，故这类物体的比色温度是高于真实温度的。而相当多的金属其近似等于，故用比色高温计测量此类金属时所得的比色温度就近似等于它们的真实温度。以上这些是比色高温计的一个主要优点。其次，在测量物体的光谱发射率时，比色高温计测量它们相对比值的精度总高于测量它们绝对值的精度；另外由于采用两个波长亮度比的测量，故对环境气氛方面的要求可大大降低，中间介质的影响相对前述光谱辐射温度计要小得多。

　　综上所述，与光谱辐射温度计相比、比色高温计的准确度通常较高、更适合在烟雾、粉尘大等较恶劣环境下工作。国产WDS-Ⅱ光电比色高温计的原理示意图如图1所示。

　　由图1（a）可知，被测物体的辐射能经物镜l聚焦后，经平行平面玻璃2、中间有通孔的回零硅光电池3，再经透镜4到分光镜5。分光镜的作用是反射λ₁，而让λ₂通过，将可见光分成λ₁（-0．8μm）、λ₂（-1 μm）两部分。一部分的能量经可见光滤光片9，将少量长波辐射能滤除后，剩下波长约为0．8μm的可见光被硅光电池8（即E₁）接收，并转换成电信号U₁，输入显示仪表；另一部分的能量则通过分光镜5，经红外滤光片6将少量可见光滤掉。剩下波长为l／μm的红外光被硅光电池7（即E₂）接收，并转换成电信号U₂送入显示仪表。

　　由两个硅光电池输出的信号电压，经显示仪表的平衡桥路测量得出其比值B＝U₁／U₂，比值的温度数值是用黑体进行分度的。显示仪表由电子电位差计改装而成，其测量线路如图1（b）所示，当继电器J处于位置2时，两个硅光电池E₁、E₂输出的电势在其负载电阻上产生电压，这两个电压的差值送入放大器推动可逆电机M转动。电机将带动滑线电阻R₆上的滑动触点移动，直到放大器的输出电压是零为止。此时滑动触点的位置则代表被测物体的温度。继电器J处于位置1时，仪表指针回零。

　　在WDS-Ⅱ型光电比色高温计中选用的两波长分别为可见光与红外光。如果两个波长均选在红外光波段，则该仪表称为红外比色温度计，可用来测量较低温度。