CH 10 溫度的測量第第1010章章 溫度的測量溫度的測量Temperature Measurement10.0 序序 (Introduction)10.1 溫度標準和測量方法溫度標準和測量方法 (Temperature Standard and Its Measuring Method)10.2 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (Thermocouple Based Thermometer)10.3 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (Thermo-Resistor Based Thermometer)10.4 非接觸式測溫法非接觸式測溫法 (Non-contacted Measuring of Temperature)CH 10 溫度的測量溫度是國際單位制中七個基本物理量之一。溫度是國際單位制中七個基本物理量之一。溫度的宏觀概念是表示物體的冷熱程度，當兩個物體互為熱平衡溫度的宏觀概念是表示物體的冷熱程度，當兩個物體互為熱平衡時其溫度相等。溫度的微觀概念是大量分子運動的平均強度的表時其溫度相等。溫度的微觀概念是大量分子運動的平均強度的表示。分子運動愈激烈，其溫度表現越高。示。分子運動愈激烈，其溫度表現越高。10.0 序序 (Introduction)CH 10 溫度的測量10.1 溫度標準和測量方法溫度標準和測量方法 (Temperature Standard and Its Measuring Method)10.1.1 溫度的測量方法溫度的測量方法 接觸式測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換達到熱平衡，這時，感溫元件的某一物理參數的量值就代表了被測對象的溫度值。非接觸測溫通過輻射進行熱交換，可避免接觸測溫法的缺點，具有較高的測溫上限。此外，非接觸測溫法熱慣性小，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。但受到物體的發(fā)射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。 溫度測量可分為接觸式和非接觸式測量。 接觸式測溫直觀可靠。但因測溫元件與被測介質之間的熱交換需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的延遲現象；受耐高溫材料的限制，不能應用于很高的溫度測量。感溫元件會影響被測溫度場的分布，接觸不良等也會帶來測量誤差。另外，腐蝕性介質對感溫元件的性能和壽命會產生不利影響。CH 10 溫度的測量測量方式 儀表名稱測溫原理精度范圍特點測溫范圍/接觸式測溫儀表雙金屬溫度計固體熱膨脹變形量隨溫度變化12.5 結構簡單，指示清楚，讀數方便；精度較低，不能遠傳-100600一般-80600壓力式溫度計氣(汽)體、液體在定容條件下，壓力隨溫度變化12.5 結構簡單可靠，可較遠距離傳輸T0），則在回路中會產生電流。這個物理現象稱為熱電效應或塞貝克效應，相應的電動勢稱為塞貝克電動勢?；芈分挟a生的熱電動勢大小僅與組成回路的兩種導體或半導體A、B的材料性質及兩個接點的溫度T、T0有關，熱電動勢用符號EAB(T, T0)表示。 CH 10 溫度的測量在熱電偶回路中，產生的熱電動勢由兩部分組成：溫差電動勢和接觸電動勢。 l 溫差電勢 + + A + TT0EsEA(T, T0)當一根均質金屬導體 A上存在溫度梯度時，處于高溫端的電子能量比低溫端的電子能量大，所以從高溫端向低溫端移動的電子數比從低溫端向高溫端移動的電子數多得多。結果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因得到電子而帶負電，在高、低溫兩端之間便形成一個從高溫端指向低溫端的靜電場Es 。這個靜電場將阻止電子進一步從高溫端向低溫端移動，并加速電子向相反的方向轉移而建立相對的動態(tài)平衡。此時，在導體兩端產生的電位差稱為溫差電動勢。 溫差電動勢用 EA(T, T0)表示。括號中T和T0的順序決定了電動勢的方向。 ),(),(0A0ATTETTE熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (2/17)CH 10 溫度的測量TTTTNTNeKTTE0)(d)(1),(AA0A式中： EA(T, T0)和EB(T, T0) 導體A和B在兩端溫度分別為T和T0時的 溫差電動勢； e 電子電荷量，e=1.61019C。 K 玻爾茲曼常數，K1.381023J/K。 NA(T)和NB(T) 金屬導體A和B在溫度為T時的電子密度。 上述兩式表明，溫差電動勢的大小只與導體的種類及導體兩端溫度。EA(T, T0)可表示為TTTTNTNeKTTE0)(d)(1),(BB0B同理：熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (3/17)CH 10 溫度的測量l 接觸電勢 +A +EsEAB(T) B當兩種不同導體A、B接觸時，由于兩者電子密度不同，如 NA NB，則在接觸面處產生自由電子擴散現象，從A到B擴散的電子數比從B 到A的多，導致導體 A、B接觸處形成一個由A到B的靜電場Es ，阻止電子擴散的繼續(xù)進行，并加速電子向相反的方向轉移。當電子擴散的能力與靜電場的阻力達到動態(tài)平衡時， A 、B 之間所形成的電位差稱為接觸電動勢。A和B的接觸點在溫度為T時的接觸電動勢用符號EAB(T)表示，其腳注AB的順序代表電位差的方向。)()(ln)(BAABTNTNeKTTE式中：e 電子電荷量，e=1.61019 C。 K 玻爾茲曼常數，K1.381023 J/K。 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (4/17)CH 10 溫度的測量l 熱電偶回路的熱電動勢 當兩種不同的均質導體A和B首尾相接組成閉合回路時，如果 NA NB， 而且T T0，則在這個回路內，將會產生兩個接觸電動勢EAB(T)、 EAB(T0)和兩個溫差電動勢EA(T，T0)、 EB(T，T0)。熱電偶回路的熱電動勢EAB(T，T0)為),()(),()(),(0A0AB0BAB0ABTTETETTETETTETTTTNTNeKTNTNeKT0)(d)(1)()(lnBBBATTTTNTNeKTNTNeKT0)(d)(1)()(lnAA0B0A0TTNTNeKTTETTd)()(ln),(0BA0AB即熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (5/17)CH 10 溫度的測量由于溫差電動勢比接觸電動勢小，而又有T T0，所以在總電動勢EAB(T, T0)中，EAB(T)所占的比例最大，總電動勢方向取決于 EAB(T) 的方向。在熱電偶的回路中，因NA NB，所以導體A為正極，B為負極。易見當熱電極的材料一定時，熱電偶的總電動勢EAB(T, T0)僅是兩個接點溫度T和T0的函數差，可表示為TTNTNeKTTETTd)()(ln),(0BA0AB由式：)()(),(0ABAB0ABTfTfTTE若 T0 恒定，則 fAB(T0)為常數，熱電動勢只與熱電偶測量端的溫度 T 成單值函數關系，即)()(),(ABAB0ABTCTfTTE通常，熱電偶的熱電動勢與溫度的關系，都是規(guī)定熱電偶冷端溫度為 0 時，按熱電偶的不同種類，分別列成表格形式，這些表格稱為熱電偶的分度表。 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (6/17)CH 10 溫度的測量10.2.2 熱電偶基本定律熱電偶基本定律l 均質導體定律 如果只用一種均質導體組成閉合回路，則不論其導體是否存在溫差，回路中均不會產生電流（即不產生電動勢）；反之，如果回路中出現電流，則證明此導體是非均質的。 推論 1：組成熱電偶的材料必須是均質導體，否則將會給測量帶來附加誤差。推論 2：熱電偶必須由兩種不同性質的導體或半導體A、B組成，否則即使兩結點的溫度不同，在回路中也不會產生溫差電動勢。 l 中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種均質材料的導體后，只要中間接入的導體兩端具有相同的溫度，就不會影響熱電偶的熱電動勢。 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (7/17)CH 10 溫度的測量l 中間溫度定律 熱電偶AB在接點溫度為T1、T3時的熱電動勢 EAB(T1, T3)等于熱電偶 AB在接點溫度為T1、T2和T2、T3時熱電動勢EAB(T1, T2)和EAB(T2, T3)的代數和，即 EAB(T1, T3)EAB(T1, T2)EAB(T2, T3)中間溫度定律為制定熱電偶的分度表奠定了理論基礎。而且，這條基本定律也是工業(yè)測溫中應用補償導線的理論依據，因為只要匹配與熱電偶的熱電性質相同的補償導線，便可使熱電偶的冷端遠離熱源，而不影響熱電偶的測量精度。 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (8/17)CH 10 溫度的測量10.2.3 標準化熱電偶標準化熱電偶l 標準化熱電偶 工業(yè)用熱電極材料應滿足以下要求：1) 物理和化學性質穩(wěn)定，溫差電特性顯著，復現性好，同種材料的電極之間具有良好的互換性，且不為測溫介質所腐蝕，高溫下不被氧化。2) 電阻溫度系數小，電導率高，組成電偶對輸出的溫差電動勢大，且與溫度呈線性或簡單的函數關系，以便于提高儀表的靈敏度和準確度，并便于儀表的刻度和測量。3) 材質均勻，塑性好，易拉絲，成批生產。 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (9/17)CH 10 溫度的測量n 鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號B）也稱雙鉑銠熱電偶，是典型的高溫熱電偶。以鉑銠30（ 鉑 70% ，銠30%）為正極，鉑銠6（鉑 94%，銠 6%）為負極。由于兩個熱電極都是鉑銠合金，因而提高了抗污染能力和機械強度，在高溫下其熱電特性較為穩(wěn)定，宜在氧化性和中性介質中使用。長期使用的最高溫度可達1 600 ，短期使用溫度可達1 800 。這種熱電偶的熱電動勢較小，因此冷端溫度在40以下使用時，一般不必進行冷端溫度的補償。 n 鉑銠10-鉑熱電偶（分度號S）鉑銠10為正極，純鉑絲為負極。適宜在氧化性及中性介質中長期使用。其測溫上限長期使用可達1 300 ，短期可達1 600 。缺點：熱電動勢較小，價格昂貴，機械強度低；不宜在還原性介質中使用。 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (10/17)CH 10 溫度的測量n 鎳鉻-鎳鋁或鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號K） 以鎳鉻合金為正極，鎳鋁 (或鎳硅)合金為負極，是一種廉價金屬熱電偶。具有較好的抗氧化性和抗腐蝕性；復現性較好；熱電動勢大；熱電動勢與溫度關系近似于線性關系；其成本較低，雖然測量精度不高，但能滿足工業(yè)測溫的要求，是工業(yè)上最常用的熱電偶；其長期使用的最高溫度為1 000 ，短期使用溫度可達1 200 。 n 鎳鉻-康銅熱電偶（分度號F） 以鎳鉻合金為正極，康銅(含鎳40%的鎳銅合金)為負極。由于康銅在高溫下容易氧化，其測溫范圍為 -200870 。熱電動勢大，價格便宜，低溫下性能穩(wěn)定，尤其適宜在0 以下使用。 n 銅-康銅熱電偶（分度號T） 以純銅為正極，康銅為負極，其測溫范圍為 -200300 。銅熱電極容易氧化，一般在氧化性氣體中使用不宜超過300 。其熱電動勢較大，熱電特性良好，材料質地均勻，成本低。 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (11/17)CH 10 溫度的測量l 熱電偶的結構 普通型熱電偶 由熱電極、絕緣子、保護套管及接線盒四部分組成。常用的有螺紋和法蘭兩種連接方式，還有卡套等連接方式。 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (12/17)CH 10 溫度的測量鎧裝熱電偶 將熱電偶絲與絕緣材料及金屬套管經整體復合拉伸工藝加工而成可彎曲的堅實組合體。鎧裝熱電偶較好地解決了普通熱電偶體積及熱慣性較大，在彎曲結構復雜的對象上不便安裝等問題 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (13/17)CH 10 溫度的測量l 熱電偶的冷端補償熱電偶產生的熱電動勢與兩端溫度有關。只有將冷端的溫度恒定，熱電動勢才是熱端溫度的單值函數。但在實際應用中，熱電偶的冷端通?？拷粶y對象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的。為此，必須采取一些相應的措施進行補償或修正。n 冰浴法 將熱電偶冷端置于冰點恒溫槽中，使冷端溫度恒定在0時進行測溫。冰浴法適用于實驗室或精密溫度測量。 n 冷端溫度修正 熱電偶分度表是以冷端溫度為 0 為基礎而制成的，如果直接利用分度表，根據顯示儀表的讀數求得溫度必須使冷端溫度保持為0。如果冷端溫度不為0，如冷端溫度恒定在T0 0 時，則測得的熱電勢將小于該熱電偶的分度值，為了求得真實溫度，可利用 EAB(T1, T3) EAB(T1, T2)EAB(T2, T3)修正。熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (14/17)CH 10 溫度的測量n 冷端補償導線 用補償導線代替部分熱電偶絲作為熱電偶的延長部分，使冷端移到離開被測介質較遠的地方。補償導線的熱電特性須與所取代的熱電偶絲一樣。 補償導線在測溫回路中的連接 注意，對于具有補償導線的熱電偶，其冷端溫度應該是補償導線的末端溫度。 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (15/17)CH 10 溫度的測量常用熱電偶補償導線熱電偶名稱補償導線工作端為100 冷端為0 時的標準熱電勢/mV正極負極材料顏色材料顏色鉑銠-鉑銅紅鎳銅白0.640.03鎳鉻-鎳硅銅紅康銅白4.100.15鎳鉻-康銅鎳鉻褐綠康銅白6.950.30銅-康銅銅紅康銅白4.100.15熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (16/17)CH 10 溫度的測量n 冷端補償器 利用不平衡電橋所產生的不平衡電壓來補償熱電偶參考端溫度變化而引起的熱電動勢的變化。 限流電阻 冷端溫度與電阻 Rcu 所處的溫度一致。在常溫下（取冷端溫度t0 20 ）使電橋平衡，當t0偏離20 ，如 t0升高時，Rcu 隨t0 升高而增大，則橋路輸出uab也隨之增大, 而熱電偶回路中的總熱電動勢隨 t0 的升高而減小。適當選擇橋路電流, 使uab的改變量與熱電動勢的改變量相同，使uab與熱電動勢疊加后保持電動勢不變，從而實現冷端補償。 采用這種溫度補償電橋時，應將顯示儀表的零位預先調整到電橋平衡溫度。 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 (17/17)CH 10 溫度的測量10.3 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (Thermo-Resistor Based Thermometer)金屬材料或半導體材料的電阻值會隨著溫度而變化，電阻值和溫度之間具有單一的函數關系。利用這一函數關系來測量溫度的方法，稱為熱電阻測溫法，而用于測溫的材料稱為熱電阻。熱電阻性能穩(wěn)定，測量精度高。工業(yè)上廣泛用于測量-200850 范圍內的溫度。制作電阻的金屬和合金應具有以下條件：溫度系數較高，電阻溫度關系線形良好，材料的化學與物理性能穩(wěn)定，容易提純和復制，機械加工性能好等。常用熱電阻的金屬材料有鉑、銅、鎳、銦、銠等。半導體材料電阻主要有鍺電阻、熱敏電阻、碳電阻等。按感溫元件的材料分，熱電阻可分為金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。CH 10 溫度的測量10.3.1 金屬電阻溫度計金屬電阻溫度計l 電阻溫度系數熱電阻材料應具有較高的電阻溫度系數（ 值）。金屬的純度對電阻溫度系數影響很大，純度越高， 值越大。溫度系數的定義為1001) 1(100010000100RRRRRR0和R100分別為0 和100 時熱電阻的電阻值。 鉑的純度通常用W(100)= R100/R0表示， R100/R0越大，純度越高， 值也越大。 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (2/12)CH 10 溫度的測量n 鉑熱電阻 鉑絲具有下列特點：純度高、物理化學性能穩(wěn)定、電阻值與溫度之間線性關系好、電阻率高、機械加工性能好、長時間穩(wěn)定的復現性可達0.000 1 K。 通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為 100 ， 電阻變化率為0.385 1 /。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（ -200850 ）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標準溫度計（涵蓋國家和世界基準溫度）供計量和校準使用。鉑電阻溫度/電阻特性： )100(1 320ttCBtAtRRt)1 (20BtAtRRt (-200 t0 ) (0 t850 )式中：Rt為t時的電阻值； R0為0時的電阻值；A、B、C為與鉑純度有關的分度常數。 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (3/12)CH 10 溫度的測量n 銅熱電阻 工業(yè)用銅熱電阻的測溫范圍為 -50150 ，它的電阻-溫度關系可以近似表示為 )1 (0tRRt銅熱電阻溫度計的優(yōu)點是價格便宜，容易得到較純的銅。它具有較高的電阻溫度系數 ，而且電阻和溫度的關系是線性的。國內工業(yè)用銅熱電阻的分度號有Cu50和Cu100兩種，其 R0 分別為50 和100 。 缺點是容易氧化，因此只能在較低溫度和無水分及無腐蝕性的環(huán)境下工作。它的電阻率小，因此銅熱電阻的體積大，熱慣性也大。熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (4/12)CH 10 溫度的測量n 普通熱電阻l 熱電阻的結構普通熱電阻n 鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻1不銹鋼管；2感溫元件；3內引線；4氧化鎂絕緣材料熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (5/12)CH 10 溫度的測量n 熱電阻引線兩線制：在熱電阻的兩端各連一根導線的引線形式為兩線制。這種引線形式配線簡單，但要帶入引線電阻的附加誤差，用于測量精度要求不高的場合，并且導線的長度不宜過長。三線制：在熱電阻的一端連接兩根導線的引線，另一端連接一根引線，這種引線形式為三線制。設與熱電阻Rt連接的三根引線阻值均為r。電橋平衡時， )()(312rRRrRRt如果R1=R2，則有 Rt=R3 ，即 r 的存在不影響電橋平衡。該連接方法可以消除引線電阻的附加誤差，精度高于兩線制，應用很廣。 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (6/12)CH 10 溫度的測量四線制：在熱電阻的兩端各連兩根導線的引線形式為四線制，在高精度測量時采用。 由恒流源供給的已知電流I 流過熱電阻 Rt ，使其產生電壓降U，電位差計測得 U ，便可得到Rt（Rt U/I ）。盡管引線存在電阻，但有電流流過的引線上，電壓降 rI 不在測量范圍內； 連接電位差計的引線雖然存在電阻， 但沒有電流流過， 所以四根引線的電阻對測量均無影響。 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (7/12)CH 10 溫度的測量l 熱電阻測溫電路R1、R2和R3是固定電阻， Rt是熱電阻， Rref 和RFS是錳銅電阻，兩者分別等于熱電阻在起始溫度（如0）及滿度（如100）時的電阻值。首先將開關T接在位置“1”，調節(jié)R0使指示儀表指示為零；然后將開關T接在位置“3”，調節(jié)RF 使指示儀表滿度偏轉；最后將開關T接在位置“2”上，就可以正常工作。 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (8/12)CH 10 溫度的測量10.3.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻熱敏電阻是一種電阻值隨溫度呈指數變化的多晶半導體感溫元件，由過渡金屬氧化物的混合物組成。根據熱敏電阻的溫度特性劃分，熱敏電阻有負溫度系數熱敏電阻，正溫度系數熱敏電阻和臨界溫度系數熱敏電阻。用于低溫的元件是由錳、鎳、鈷、銅、鉻、鐵等復合氧化物燒結而成，具有負溫度系數。用于高溫的元件是由氧化鈷等稀土元素的氧化物燒結而成，具有正溫度系數。用于溫度測量的熱敏電阻主要是負溫度系數熱敏電阻，溫度測量范圍是-100300。 熱敏電阻的形狀有珠型和片型等多種。 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (9/12)CH 10 溫度的測量熱敏電阻的主要特點：輸出信號大，靈敏度比熱電偶和金屬熱電阻高；體積小、結構簡單、便于成形；熱容量小，響應時間短；復現性好；互換性好；穩(wěn)定性好等。 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (10/12)CH 10 溫度的測量l 負溫度系數熱敏電阻（NTC，negative temperature coefficient） 電阻值隨溫度升高而呈指數降低。其電阻溫度特性表示為 )11(00eTTBTRR式中：T 被測溫度，K； T0 參考溫度，K； RT、R0 溫度分別為T和T0時的熱敏電阻阻值； B 熱敏電阻的材料常數，又稱為熱敏指數。 熱敏電阻的溫度系數： 2TB熱敏電阻溫度系數是常數B和溫度T的函數，與電阻R無關。同時， 隨溫度的變化而變化。熱敏電阻的溫度系數比金屬絲的高很多，所以它的靈敏度較高。 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (11/12)CH 10 溫度的測量l 正溫度系數熱敏電阻（PTC，positive temperature coefficient） 電阻值隨溫度升高而呈指數增加。其電阻溫度特性表示為 )(00eTTBTRR有的正溫度系數熱敏電阻達到某一溫度時，其阻值會突然增大，可以起報警作用。 l 臨界溫度系數熱敏電阻（CTR，critical temperature resistor） 熱電性質與NTC相似，不同之處是在某一溫度下，其阻值急劇下降，因而可用于低溫臨界溫度報警。 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 (12/12)CH 10 溫度的測量10.4 非接觸式測溫法非接觸式測溫法 (Non-contacted Measuring of Temperature)非接觸測溫主要是利用熱輻射來測量物體溫度。任何物體溫度高于絕對零度時，其內部帶電粒子在原子或分子內會始終不斷地處于振動狀態(tài)，并能自發(fā)地向外發(fā)射能量。這種依賴于物體本身溫度向外輻射能量的過程稱為熱輻射。輻射能以波動形式表現出來，其波長的范圍極廣，從短波、X光、紫外光、可見光、紅外光到電磁波。在溫度測量中主要是可見光和紅外光。輻射測溫的物理基礎是基本的輻射定律，它的溫度可以和熱力學溫度直接聯系起來，因此可以直接測量熱力學溫度。 CH 10 溫度的測量響應時間短，最短可以達到微秒級，容易進行快速測量和動態(tài)測量。 可以進行遠距離遙測。輻射測溫的缺點：不能測量物體內部的溫度；受發(fā)射率的影響較大；受中間環(huán)境介質的影響較大；設備復雜，價格較高等。 根據測溫的原理不同，輻射測溫可以分為全輻射測溫法、亮度測溫法、紅外測溫法、光纖測溫法等。輻射測溫優(yōu)點：非接觸測量，測量過程中不干擾被測物體的溫度場，從而測量精度較高。 測溫范圍廣，從理論上講，輻射測溫無上限。非接觸式測溫法非接觸式測溫法 (2/10)CH 10 溫度的測量10.4.1 全輻射溫度計全輻射溫度計全輻射溫度計測溫的理論基礎是斯忒藩玻耳茲曼定律，它通過測量輻射物體的全波長的熱輻射來確定物體的輻射溫度。全輻射溫度計測的是被測對象的輻射溫度，在實際測量中，需要將輻射溫度換算成真實溫度。 全輻射溫度計能自動測量溫度，其輸出量為電量，適于遠傳和自動控制，是在線溫度檢測常用的一種儀表。 非接觸式測溫法非接觸式測溫法 (3/10)CH 10 溫度的測量隱絲式光學高溫計 10.4.2 亮度高溫計亮度高溫計亮度溫度計是根據普朗克定律，通過測量物體在一定波長下的單色輻射亮度來確定它的亮度溫度的，又稱為單波段溫度計。亮度溫度計可以分為兩類：光學高溫計和光電高溫計。 l 光學高溫計 調整物鏡系統(tǒng)，使被測物成像在高溫計燈泡的燈絲平面；調整目鏡系統(tǒng)，使人眼清晰地看到被測物和燈絲的成像。再調整電測系統(tǒng)可變電阻，改變燈絲電流，使被測物或輻射源的亮度在紅色濾光片的光譜范圍內處于平衡，即相互間處于相同的亮度溫度。由于高溫燈泡在檢定時其亮度溫度與通入電流之間的對應關系已知，因而可確定被測物體在紅色濾光片波長范圍內的亮度溫度。 非接觸式測溫法非接觸式測溫法 (4/10)CH 10 溫度的測量在使用光學高溫計的過程中，最經常的工作是用人眼進行亮度平衡。即通過調節(jié)電流，用人眼觀察的高溫計燈絲瞄準區(qū)域均勻地消失在輻射源或被測物體的背景上，即“隱絲”或“隱滅”。亮度比較情況示意圖 在“隱絲”時，燈絲與瞄準目標相交的邊界無法分辨出來。即它們在高溫計視野上具有相同的亮度和亮度溫度。高溫計電流過高或過低都不能出現“隱絲”，也就是不能產生亮度平衡。由于使用這種高溫計測溫時，必須使被測物背景與小燈泡燈絲間的亮度達到“隱絲”程度，所以這種光學高溫計又稱為隱絲式光學高溫計。非接觸式測溫法非接觸式測溫法 (5/10)CH 10 溫度的測量l 光電高溫計 光學高溫計測溫靠手動的辦法改變光學高溫計小燈泡電流，并用人眼進行觀察，實現亮度平衡。該方法受到人為因素影響，導致測量誤差。 光電高溫計采用硅光電池作為光敏元件，代替人眼睛感受被測物體輻射亮度的變化，并將此亮度信號轉換成電信號，經濾波放大后送檢測系統(tǒng)進行后續(xù)轉換處理，最后顯示出被測物體的亮度溫度。 與光學高溫計相比，光電高溫計具有下列特點：靈敏度高；準確度高；使用波長范圍寬；測溫范圍寬；響應時間短；自動化程度高等。 非接觸式測溫法非接觸式測溫法 (6/10)CH 10 溫度的測量10.4.3 比色高溫計比色高溫計比色高溫計利用物體的單色輻射現象來測溫，但是它是利用同一被測物體在兩個波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化這一特性作為測溫原理的。采用比色高溫計測量物體表面溫度時，可以減少被測表面發(fā)射率的變化和光路中水蒸氣、塵埃等的影響，提高了測量精度。 在用比色高溫計測量物體溫度時，沒有必要精確地知道被測物體的光譜發(fā)射率，而只需知道兩個波長下光譜發(fā)射率的比值即可。一般說來，測量光譜發(fā)射率的比值要比測量光譜發(fā)射率的絕對值簡便和精確。 非接觸式測溫法非接觸式測溫法 (7/10)CH 10 溫度的測量單光路調制比色高溫計1 被測對象；2 透鏡；3 光敏元件；4 運算放大器；5 顯示裝置；6 調制盤；7 電動機；8 濾光片；9 濾光片由被測對象 1 輻射來的射線經光學系統(tǒng)聚焦在光敏元件上，在光敏元件之前放置開孔的旋轉調制盤6，這個圓盤由電動機7帶動，將光線調制成交變的。在圓盤的開孔上附有兩種顏色的濾光片8和9，一般多為紅、藍色。這樣使紅光、藍光交替地照在光敏元件上，使光敏元件輸出相應的紅光和藍光信號，再將這個信號放大并經運算后送顯示儀表。 非接觸式測溫法非接觸式測溫法 (8/10)CH 10 溫度的測量10.4.4 紅外測溫紅外測溫紅外線是一種不可見的電磁波，波長約為0.751 000 m，由于其在電磁波的波譜圖中位于紅光之外，所以稱為紅外線。 紅外測溫原理與輻射測溫相同，不同是輻射測溫所選用的波段一般為可見光，而紅外測溫所選用的波段為紅外線 。紅外溫度計將被測物體表面發(fā)射的紅外波段輻射能量通過光學系統(tǒng)匯聚到紅外探測元件上，使其產生電信號，經放大、模數轉換等處理，最后以數字形式顯示溫度值。 紅外測溫方法幾乎可在所有溫度測量場合使用。例如，各種工業(yè)窯爐、熱處理爐溫度測量、感應加熱過程中的溫度測量。尤其是鋼鐵工業(yè)中的高速線材、無縫鋼管軋制，有色金屬連鑄、熱軋等過程的溫度測量等。軍事方面的應用，如各種運載工具發(fā)動機內部溫度測量、導彈紅外（測溫）制導、夜視儀等。在一般社會生活方面，如快速非接觸人體溫度測量、防火監(jiān)測等。 非接觸式測溫法非接觸式測溫法 (9/10)CH 10 溫度的測量物鏡是由橢球面-球面組合的反射系統(tǒng)，主鏡為橢球反射面，反射面真空鍍鋁，反射率達95%以上。光學系統(tǒng)的焦距通過改變次鏡位置調整，使最佳成像位置在熱敏電阻表面。次鏡到熱敏電阻的光路之間裝有透過波長215 m、傾斜45角的鍺單晶濾光片，它使紅外輻射透射到熱敏電阻上，而可見光反射到目鏡系統(tǒng)，以便對目標瞄準。機械調制片是邊緣等距開孔的旋轉圓盤，光線通過圓盤小孔照射到熱敏電阻上，圓盤由電動機帶動旋轉，使照射到熱敏電阻上光線強度為交變的，再經熱敏電阻轉換為交流電信號以便進行交流放大。 1 次鏡；2 主鏡；3 目鏡系統(tǒng)；4 鍺單晶濾光片； 5 機械調制片；6 熱敏電阻；非接觸式測溫法非接觸式測溫法 (10/10)