2.5　辐射式测温仪表

辐射式测温方法是利用物体辐射能与其温度相关的原理进行测温的。这种测温方法因测温元件与被测物体不直接接触而不会干扰或破坏被测对象的温度场，且有测温上限不受限制、动态性能好、灵敏度高等优点。随着红外技术的发展，辐射测温方法的测温范围已从主要用于高温范围（>800℃）逐步扩展到中温、常温甚至低温范围。

辐射测温仪表包括光学高温计、辐射高温计、比色温度计、红外测温仪以及红外热像仪等，如表1-2-14所示。

注：TE—热电势型；TC—热电阻型；PV—光生伏特型；PC—光电导型；PE—光电效应型。

2.5.1　光学高温计

光学高温计是一种非接触式的高温测量仪表，当测量温度高于热电偶使用上限或者热电偶不适用于现场条件时，一般可用光学高温计测量。目前，光学高温计已广泛用于测量浇铸、轧钢、玻璃熔融、锻打、热处理等的温度，成为冶金、化工等工业生产过程中不可缺少的高温测量仪表。

（1）工作原理

光学高温计是利用受热物体的单色辐射强度随温度升高而增强的原理进行高温测量的。对于绝对黑体，其单色强度 E 0λ 与温度的关系可用普朗克公式表示：

式中 C 1 ——常数， C 1 =3.7418×10 -16 W·m 2 ；

C 2 ——常数， C 2 =1.4388×10 -2 m·K；

λ ——波长；

T ——绝对黑体的温度，K。

WGG2型光学高温计采用亮度均衡法进行温度测量，亦即使被测物体成像于高温计灯泡的灯丝平面上，通过光学系统在一定波段（0.65μm）范围内比较灯丝与被测物体的表面亮度，调节滑线电阻，使灯丝的亮度与被测物体的亮度均衡，此时灯丝轮廓即隐灭于被测物体的影像中，并可由仪表示值直接读取被测物体的亮度温度。

光学高温计按绝对黑体进行温度刻度。但被测物体往往并非黑体（其单色辐射黑度系数 ε λ <1）， ε λ 值的大小是由各种物体的性质及其表面状态决定的。所以在同一真实温度下的各种物体，经单色辐射黑度系数 ε λ 修正后，才能求得该被测物体的真实温度。

（2）仪表结构和使用方法

以WGG2型光学高温计为例介绍仪表结构和使用方法。WGG2型光学高温计由两个主要部分组成——光学系统与电测系统，如图1-2-30、图1-2-31所示。

1—物镜；2—吸收玻璃；3—高温计灯泡；4—皮带；5—目镜；6—红色滤光镜；7—目镜定位螺母；8—零位调节器；9—滑线电阻盘；10—测量电表；11—刻度盘；12—干电池；13—按钮开关

1—物镜；2—吸收玻璃；3—高温计灯泡；4—目镜；5—红色滤光镜；6—测量电表；7—滑线电阻；K—按钮开关；E—干电池； R 1 ～ R 5 —电阻

①光学系统　它是由物镜1和目镜5（图1-2-30）所组成的望远系统，光学高温计灯泡3的灯丝置于系统中物镜成像位置。

调节目镜5的位置，使用者可清晰地看到灯丝。调节物镜1的位置，可使被测量物体清晰成像在灯丝平面上。在目镜5观测孔之间置有红色滤光镜6，测量时移入视场，使所利用的光谱的有效波长 λ 约为0.65μm，从观察孔可同时看到被测物体与灯丝的像，从而能清晰地观察灯丝的隐灭过程，在物镜1与灯泡3之间置有吸收玻璃2，当使用仪器第二量程时，转动吸收玻璃按钮，使吸收玻璃2移入视场中，用以减弱被测物体的亮度，目镜定位螺母7用于锁紧已经调节好的目镜筒位置。

WGG2-323型光学高温计，由于其测量对象的温度很高，因此在物镜头上固定安装一块吸收玻璃，用以减弱被测物体的亮度。当使用仪器第二量程时，仍须将吸收玻璃2移入视场。

②电测系统　由高温计灯泡3、滑线电阻7、按钮开关K、电阻 R 1 与两节1.5V的干电池通过导线连接而成。线路见图1-2-31。调节滑线电阻使灯丝亮度与被测物体的亮度均衡。测量电表6是电磁式直流电压表，用以测量灯丝在不同亮度时线路端的电压降。但指示值则以温度刻度表示，从而能由高温计的刻度盘上直接读取被测物体的亮度温度。

按钮开关K便于使用者在断续测量某些接近的温度值时，不必在每次测量后将滑线电阻盘转回“0”的标志上，因而可以减少测量的调节时间及耗电量。

采用WGG2型光学高温计对某量程进行测量时，应将吸收玻璃按钮拨向该量程所对应的位置，读数时，分别读取相应量程的温度刻度值。不同量程时吸收玻璃按钮所对应的位置，参见表1-2-15。

旋转滑线电阻盘，使流经灯丝的电流均匀地增大，调节灯丝亮度到灯丝顶部的像隐灭在被测物体的像中时，读取刻度盘上的指示值。光学高温计灯泡灯丝的隐灭如图1-2-32所示。

为获得正确的读数，应该逐渐调整高温计灯泡丝电流，先自低而高，再自高而低，每次调整到灯丝隐灭时读出温度读数，然后取其二次读数平均值作为最终读数。

光学高温计是按照绝对黑体标记温度刻度的，但在实际使用时，大部分被测物体单色辐射黑度系数 ε λ 均小于1，故用光学高温计测得的亮度温度 S ℃总是低于该物体的真实温度 T ℃，需要加以修正。

2.5.2　光电高温计

光电高温计的基本原理与光学高温计相同，主要差别是光电高温计用光电转换器件代替人眼比较亮度，因而测量结果不受人的主观因素影响。有的光电高温计采用光电倍增管作为转换器件，从而大大提高了仪器的灵敏度，并可进行连续测量和自动记录。

主要技术指标如下。

测温范围：

150～300℃；200～400℃；300～600℃；

400～800℃；600～1000℃；700～1100℃；

800～1200℃；900～1400℃；1100～1600℃；

1200～2000℃；1500～2500℃。

检测器输出：0～10mA。

允许基本误差：量程上限±1%。

反应时间（95%）：<1s。

距离系数： L / D =100（ L 为被测目标到检测器物镜之间的工作距离，即 L >0.5m； D 为被测物体的有效直径）。

工作光谱范围：硫化铅元件（PbS），1.8～2.7μm，用于400～800℃和以下测温范围；硅光电池元件（Si），0.85～1.1μm，用于600～1000℃和以上测温范围。

仪表电源：220V，50Hz。

检测器的负载电阻：<500Ω。

2.5.3　辐射高温计

（1）结构原理

辐射高温计（见图1-2-33）是根据黑体辐射原理进行温度测量的，由感温元件和指示部分组成，其感温元件为辐射感温器，工业上常用的有热电堆和真空热电偶。

绝对黑体的热辐射能量与温度之间的关系为

E 0 = σT 4 （1-2-5）

但所有物体的全发射率 ε T 均小于1，则其能量与温度之间的关系表示为

E 0 = ε T T 4 （1-2-6）

一般全辐射温度计选择黑体作为标准体进行分度，此时所测的是物体的辐射温度，即相当于黑体的某一温度 T p 。在辐射感温器的工作谱段内，当表面温度为 T p 的黑体的积分辐射能量和表面温度为 T 的物体的积分辐射能量相等时，即 时，物体的真实温度为

因此，当已知物体的全发射率 ε T 和辐射温度计指示的辐射温度 T p 时，便可计算出被测物体的真实表面温度。

辐射高温计的测温上限很高，最高可达2800℃甚至更高。辐射高温计是根据物体在整个波长范围内的辐射能量与其温度之间的函数关系设计制造的。用辐射感温器作为一次仪表，电子电位差计作为二次仪表，属于透镜聚焦式感温器。它具有铝合金外壳，前部是物镜，壳体内装有热电堆补偿光阑，在靠紧热电堆的视场光阑上有一块调挡板，其作用是调节照射到热电堆上的辐射能量，使产品具有统一的分度值；在可拆卸的后盖板上装有目镜，借以观察被测物体的影像。

辐射感温器把被测物体的辐射能，经过透镜聚焦在热敏元件上，热敏元件将辐射能转变为电参数，由已知的热电势与物体温度之间的关系通过二次仪表测出热电势，显示出温度值，该温度值需用物体的全辐射黑体系数予以校正或用铂铑10-铂热电偶直接插入高温浴炉中配以直流电位差计测量温度，然后与仪表显示温度对比，用以校准高温计测量温度的准确程度。

（2）辐射高温计的分类

辐射高温计分为全辐射高温计和部分辐射高温计。

①全辐射高温计　因为光学系统和探测元件对光谱辐射的响应具有选择性，不可能完全接收全波长的辐射，因此全辐射高温计也称为宽波段辐射温度计。根据物体的全波长辐射能与温度之间的关系测量温度。由光学系统、探测器、测量仪表和用于冷却及烟尘防护的辅助装置组成。被测物体向传感器方向发射的辐射经过透镜聚焦到探测元件上，所产生的相应信号可由测量仪表显示或记录。探测器通常采用响应波段较宽的热电堆。为提高灵敏度，热电堆往往需要由十几支、几十支的温差电偶串联组成，因而热惯性较大，时间常数一般为秒级以上。除此之外，热电堆的基准端温度应保持恒定或采取自动温度补偿措施。

全辐射高温计的优点是结构简单、使用方便、性能稳定、可自动记录和远距离传送信号等。测温范围为100～2000℃，测温误差绝对值为8～12℃。

②部分辐射高温计　利用被测物体的部分波段辐射能与温度之间的关系测量物体温度，又称为窄波段辐射温度计。部分辐射高温计由某一较窄响应波段的光学系统和探测元件组成。被测物体的部分热辐射经调制盘和滤色片后照到探测元件上，再经放大由仪表显示或记录。

（3）辐射高温计的测量误差

辐射高温计的测量误差主要来源：

①中间媒质（如大气等）的选择吸收作用，使到达接收器的辐射能量中红外部分损失较多；

②没有按规定的热源到高温计的距离进行测量（通常每种辐射高温计对于被观测面面积的直径与高温计透镜间的距离均规定了比值）；

③各种高温计中接收器的选择吸收特性不同，致使光谱发射率偏离选取值；

④热电堆冷热端温度的改变、仪表的误差等。

2.5.4　比色测温法

（1）比色温度

当黑体与非黑体的两个波长下的单色辐射亮度之比相等时，则黑体的温度称为该非黑体的比色温度，即

式中， T 为非黑体的真实温度； T c 为黑体的温度，即非黑体的比色温度。

比色温度所表示的是当黑体辐射与非黑体辐射在颜色上彼此最接近时的黑体温度。将式（1-2-4）代入上式，得

两边取对数，

式（1-2-10）表示了比色温度与被测物体真实温度之间的关系。根据发射率的不同，存在以下情况。

①当 时　发射率与波长无关，具有这种特性的物体称为灰体。在此情况下， T = T c ，即灰体的比色温度等于它的真实温度。

②当 λ 1 > λ 2 ， 时　发射率随波长的增大而减小的情况，大多数金属材料属于这种情况。这时 T c > T ，说明物体的比色温度大于它的真实温度。

③当 λ 1 > λ 2 ， 时　发射率随波长的增大而增大，大多数非金属材料属于这种情况。这时 T c < T ，说明物体的比色温度小于其真实温度。

由以上讨论可知，根据发射率的不同，比色温度可以等于、小于或大于物体的真实温度；而辐射温度和亮度温度总是小于物体的真实温度。

比色温度计的波长的选择非常重要，若所选的两个波长的发射率在数值上非常接近（即非常接近灰体），则可直接测量出物体的真实温度。

（2）比色温度计的分类和结构

比色温度计有两种基本形式：单通道式和双通道式。比色温度计基本结构与工作原理见表1-2-16。