辐射式温度计的原理简析及在轧钢厂的应用

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欢迎访问e展厅 展厅 10 环境测量仪器展厅 风速仪, 气象仪器, 风向袋/风向标, 水文仪, 温度计, ... 摘要：本文主要介绍了辐射式温度计的工作原理和特点，以及应用的实践经验，着重分析了不同使用环境对辐射温度计测量精度和测量误差的影响,描述了在轧钢厂如何选配合适的辐射式温度计。 关键词：黑体、辐射式温度计、 亮度温度 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）： 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（λT）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λm，当波长小于λm时，辐射出射度随波长增加而增加；当波长大于λm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） 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。 2.3 双波段温度计 这种温度计是利用两个波段上的信号之比值与被测温度的函数关系进行测温的，见式（3）: 式中V1和V2分别是第一波段和第二波段产生的信号。从式中可以看出这种温度计的特点：当两个波段上的信号同时增加或缩小相同信号数时，比值V1/V2不变，进而温度计测得的温度值不变。 这种温度计的应用场合是：有完全不透明的低温固体颗粒遮档被测目标的现场。因完全不透明的低温颗粒造成V1和V2以相同比例衰减，所以温度计的示值不变。这是单波温度计做不到的。但当遮挡目标的颗粒是对波长有选择性的，即对V1和V2不是等比例衰减时，所造成的测温误差将比单波温度计大得多。 3 辐射温度计的温度修正 被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。对于辐射温度计，它是以绝对黑体的辐射为基准对仪器进行分度的，所以仪器测出的值称为辐射温度。辐射温度的定义为：黑体的总辐射能等于非黑体的总辐射能，此时黑体之温度即为非黑体的辐射温度。辐射高温计测量的温度称为辐射温度TF，根据全辐射强度定理，总辐射能相等，见式（4）： 式中T——-非黑体的真实温度; TF——-非黑体的辐射温度; εT——-非黑体的全辐射黑度系数（与温度T有关） 因为非黑体εT＜1，则TF＜T。因此用辐射温度计测出的温度要比物体真实温度低。 在不同的使用环境，黑度系数的设置直接影响了测量温度的准确性，是个参考值。随着现场环境的不同、介质分布的变化，辐射式测温仪的测量值波动较大。一般来讲，测量钢板时系数范围为0.7-0.85，而测量铝制品一般在0.3-0.6左右。 4 冶金生产中测量误差存在的原因及其对策 辐射测温计本身在信号变换与处理过程中不可避免地有机械振动、温度变化和电磁等方面的干扰。在被测目标的辐射进入辐射温度计之前各种干扰己经实际存在，这些干扰通常为光路中的干扰、外来光干扰和发射率的干扰等。 原因一:如在钢板生产过程中，为了轧制机械不粘连、钢板除鳞等，被测目标表面上停留有水膜，在被测目标表面附近还经常存在着浓度经常变化的水蒸汽等吸收性气体。这些气体介质在光路中对来自被测钢板有辐射能有选择性的吸收，减弱了入射到温度计中的辐射能，造成测量误差。 解决方法:光路中存在有水蒸汽和水膜时，在短波段测量可减小测量误差，同时引用压缩空气吹散水膜，用仪表风清洗光路都是有效的。 原因二:生产现场空气中悬浮很多尘埃，这些尘埃对辐射能的吸收是没有选择性的，并常伴随有漫射，减弱了入射到温度计中的辐射能，造成测量误差。 解决方法:增设空气流通、洁净装置，并保持作业环境整洁使测量环境友好。 原因三:外来光的干扰（指从其它光源主射到被测表面上并且被反射出来，混入测量光的成分）。在测量钢板表面温度时，由于白昼光的干扰造成反射，形成测量误差。 解决方法:安装测温仪时要避开阳光和环境照明光的反射位置和角度。对于一些固定的难以避免的光源，应设置遮蔽装置。 原因四:物体的发射率不仅与温度、波长有关，而且即使是同一种物质也与其表面粗糙度、锈蚀和氧化程度等因素有关。 解决方法:改进生产工艺，努力提高测量目标的粗糙度、减少测量目标的锈蚀程度、减少测量目标的氧化状况。 5 热轧钢板表面温度的测量 钢坯从加热炉口被推出，经过粗轧的入口和出口、精轧机的入口和出口以及在矫直机的入口和出口，按工艺要求都需设有温度测量点，作为轧钢工序的关键操作点来测量钢板的表面温度。热轧工序对温度测量有如下计量要求： ①由于轧制速度快，需选择响应速度快的辐射温度计； ②在整个轧制过程中，最初从加热炉出来的钢坯到矫直机后，被轧制测量目标的温度测量范围一般为500℃-1300℃（高低端温差大）。 ③由于轧制和冷却多次反复进行，钢板表面的黑度和周围水蒸浓度都有一定的变化。要求高低端测量误差相近。 ④带钢表面某些局部经常有水膜且水膜的大小和附着点变化无常，并常有鳞片状的锈、垢和灰尘等附着在钢板表面上。要求测温仪有适宜得当的修正。 因此在选用辐射温度计时应考虑到以上被测目标环境特点和计量要求。经过工作原理比较和实际使用筛选比对，硅光电池光电高温计具有响应速度快，工作波长短（1μm左右），能躲过水蒸汽主要吸收峰，在1μm以下水膜透过率高等特点，选择硅光电池光电高温计测量轧制工序被测目标表面温度比较适宜。 6 小结 辐射温度计是一种非接触式测量仪表，其工作原理是根据全辐射强度定理即物体的总辐射强度与物体温度的四次方成正比的关系来进行温度测量的仪表。为在轧制工序现场高温环境下达到计量要求，在辐射感温器外加装水冷夹套是个好办法。目前这类温度计的主要难题是还没有找到从本质上消除发射率和环境介质影响测温精度的更有效仪表型式和技术措施，有待继续探索。 作者简介 岳临萍（1972－），女（汉族），山东济南人，济南钢铁集团股份公司中厚板厂，硕士，从事现场计算机、仪器仪表的应用和维护。(end)

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