辐射式温度计的原理简析及在轧钢厂的应用

前 言

    辐射式测温仪表是目前冶金行业高温测量中应用广泛的一种仪表，主要应用于冶炼、铸造、轧制、热处理及耐火材料等生产工序中。物理学中，当任何物体处于绝对零度以上时，因其内部带电粒子的运动，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量，但这种能量随温度变化按一定趋势变化。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。在测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体（不必与物体接触），即可测量运动物体的温度，而不会破坏物体的温度场。由于测温仪感温元件具有接收辐射能而不必达到被测物体温度的特性，从理论上讲测量的物理性是没有限制的，测量工序中高温是可行的。
    辐射式温度计由辐射感温器和显示仪表两部分组成，它用来测量400-2000 ℃的高温，近来随着红外技术的发展，测温的下限己达到常温区，大大扩展了辐射式测温方法的使用范围。

1 辐射式温度计的工作原理

    1.1普朗克定律（单色辐射强度定律）
    物理学中，高于绝对零度的物体都具有与周围物体进行以辐射形式进行交换的能量。某物体一方面向周围辐射能量，另一方面又吸收来自周围其他物体的能量。辐射的能量或吸收的能量均是按波长分布的，波长的范围是0-∞。普通物体在某些波长或波段上辐射或吸收的能量多些，而在另一些波长或波段上少些甚至没有。为了便于研究，科学家假想出一种理想的物体—黑体，设想其在所有波段上都向外界辐射能量和吸收来自外界的能量。黑体向外界发射的能量W（λ，Τ），D符合普朗克公式，见式（1）：
              （1）
    式（1）中，C₁，C₂为常数，λ为波长，T为黑体的绝对温度。
    黑体辐射有如下特性：
    ① 总的辐射出射度W（λ_T）是随温度的升高而迅速增加的，温度越高则光谱辐射出射度越大。
    ② 当温度一定时，光谱辐射出射度随波长的不同按一定的规律变化，曲线有一个极大值λ_m，当波长小于λ_m时，辐射出射度随波长增加而增加；当波长大于λ_m时，变化规律相反。
    ③ 当温度在高温波段增加时，光谱辐射出射度的峰值波长会向短波方向移动。
    有了黑体的名称，其他物体就称为非黑体了。由于现实的被测物体不是黑体，因此按黑体的辐射公式制作的辐射类温度计，在测量实际物体的温度时，就存在一个修正问题，通常称为发射率ε（λ，Τ）修正。这是这类温度计的一个先天不足地方。实际上物体的发射率ε（λ，Τ）不但与波长λ和温度T有关，而且还与被测物体的表面状态有关，如粗糙度。

    1.2 斯蒂芬-玻耳兹曼定律
    也称为：全辐射强度定律、四次方定律。该定律指出：温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比，见式（2）：
              （2）
    σ——斯蒂芬-玻耳兹曼常数，为5.66961×10-3W/（m3K4）
    上式（2）就是辐射温度计测温的理论根据。全辐射强度定理是单色辐射强度定理在全波长内积分的结果。

2 辐射式温度计的分类及特点分析

    2.1 辐射式温度计的分类
    ① 按温度计所用的波段数量来分类，可分成单波段温度计、双波段温度计和多波段温度计。
    ② 按波段的宽窄分类，可分成宽波段温度计和窄波段温度计。
    ③ 按所用波段在光谱中位置分类，可分成短波温度计和长波温度计。
    ④ 按可测温度的高低分类，可分成高温温度计和低温温度计。
    ⑤ 按被测目标的几何子分类，可分成点温度计、面温度计。
    每一种分类，除和测温计的结构及所选用的元器件有关外，都和使用现场有关；现场的安装、使用如有不当，必定影响生产工序测温参数的精度。对用户而言，按不同分类方法选用适用的测温计是达到生产工序测温预期目的的首要前提。

    2.2 单波段温度计
    这种测温计的优点是容易做到根据被测对象的光谱特征确定温度计的工作波段，以取得预期结果。例如玻璃在可见光的波段内是透明的，发射率近于1，非常接近黑体，这时选用4.8-5.6 μm波段作温度计的工作波段，温度测量精度非常高。而在测量一般不透明物体如钢板的情况下，选用工作波段处于短波的温度计较好。
    一般的不透明物体的发射率ε（λ，Τ）不为1，且随波长有明显地变动，若操作者不知道发射率的具体数值，而人为凭经验也只能将发射率进行部分修正，但对影响测量结果的发射率的波动部分，尤其是随温度变化的部分是难以修正的。一般说来，发射率及其变化对短波温度计测温精度的影响小，对长波温度计的影响大。