3.6　辐射式温度计

工业生产中，通常采用前述的接触式温度传感器。接触式测温方法虽有结构简单、可靠、准确度高等优点，但在某些场合下（如等离子体加热或受控热核反应等），必须采用非接触式测温。较接触式温度传感器而言，非接触式温度传感器技术相对较新，还处于动态发展上升阶段。

热交换的基本形式有：热传导、热对流、热辐射三种形式。

热传导：在同一物体内，热量自高温部分传至低温部分，或相互接触的物体，热量由高温物体传递给低温物体的过程称为热传导。

热对流：流体（气、汽或液体）和固体壁面接触时，相互间的热传递过程称为热对流。

热辐射：高温物质通过电磁波形式把热量传递给低温物质的过程称为热辐射。

物体受热，激励了原子中带电粒子，使一部分热能以电磁波的形式向空间传播，它不需要任何物质作为媒介（即在真空条件下也能传播），将热能传递给对方，这种能量的传播方式称为热辐射（简称辐射），传播的能量称为辐射能。物体辐射能的大小与波长、温度有关。辐射式温度传感器是通过被测对象发出的热辐射强度来测量其温度的。其优点是能够测量运动物体的温度并且不破坏其被测温度场，又可以在中温或低温领域进行测量。常用的辐射式温度传感器包括光学高温计、光电高温计、辐射高温计、比色温度计、红外温度计或热像仪等。

3.6.1　测温原理

在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm的红外线。热辐射波段为0.3～40μm，主要工作在可见光和红外光的某些波段，如图3-19所示。

辐射换热是三种基本的热交换形式之一。在低温时，物体辐射能很小，主要发射的是红外线。随着温度的升高，辐射能急剧增加，辐射光谱也向短的方向移动，在500℃左右时，辐射光谱包括了部分可见光；到800℃时可见光大大增加，即呈现“红热”；如果到3000℃时，辐射光谱包括了更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。辐射测温的基本原理是观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度。

不同温度的辐射曲线永远不会相交。随温度的增加，辐射能增大而峰值波长减小，波长与温度成反比，如图3-20所示。

1.热辐射测温的基本定律

（1）普朗克定律（单色辐射强度定律）。

辐射出射度M：离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，单位为瓦/米2（W/m2）。

全辐射体的辐射出射度M0λ与波长λ和温度T关系为

式中，λ为波长；C1=3.743×10-6W·m2为普朗克第一辐射常数；C2=1.439×102m·K为普朗克第二辐射常数。

使用条件：温度低于3000K时，波长较短的可见光范围内，用维恩公式代替普朗克定律，误差不超过1，即

（2）斯特藩-玻尔兹曼定律（全辐射强度定律，又称四次方定律）

①M0与M0λ的关系。M0是波长λ从0～∞之间全部光谱辐射出射度的总和

②M0的公式（斯特藩-玻尔兹曼定律）

式中：σ——斯特藩-玻尔兹曼常数，等于5.67032×10-8W/（m2·K4）。

物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比，式（3-28）就是辐射式温度计测温的理论根据。全辐射强度定律是单色辐射强度在全波长内积分的结果。

由于实际物体不是全辐射体，所以需要修正：

①光谱辐射出射度Mλ（普朗克定律）：

②维恩公式：

③斯特藩-玻尔兹曼定律：

M=εσT4　　（3-31）

发射率ε：实际物体辐射出射度和同一温度下全辐射体的辐射出射度之比称为发射率。

注意：光谱发射率ελ和发射率ε，其值在0～1之间，都不是常数，可用实验的方法测定。ε与温度、该物体的特性和表面情况有关，ελ按基尔霍夫定律还与l有关。

在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大值，这种物质称为黑体，并设定它的反射系数为1；其他的物质反射系数小于1，称为灰体，由于黑体的光谱辐射功率P（λT）与绝对温度T之间满足普朗克定律。说明在绝对温度T下，波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为P（λT）。根据这个关系可以得到：

①随着温度的升高，物体的辐射能增强。这是红外辐射理论的出发点，也是单波段红外测温仪的设计依据。

②随着温度升高，辐射峰值向短波方向移动（向左），且满足维恩位移定理，峰值处的波长与绝对温度T成反比，所以高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处。

③辐射能随温度的变化率，短波处比长波处大，即短波处工作的测温仪相对信噪比高（灵敏度高）、抗干扰性强，测温仪应尽量选择工作在峰值波长处，特别是低温小目标的情况下，这一点显得尤为重要。

2.辐射测温的常用方法

（1）亮度测温。亮度测温通过测出物体在某一波长上的辐射能量，确定被测物体的温度。

（2）全辐射测温。全辐射测温通过测出物体在整个波长范围内的辐射能量，确定被测物体的温度。

（3）比色测温。比色测温通过测出物体在两个特定波长范围上的辐射能量之比，确定被测物体的温度。

3.6.2　光学高温计及光电高温计

光学高温计发展最早，应用最广。在确定波长下，根据普朗克定律，通过测量单色辐射强度即单色辐射亮度来测量温度。它具有结构简单、使用方便、测温范围广（700～3200℃）的特点，常用于测量高温炉窑的温度。

1.光学高温计

物体在高温状态下会发光，也就是具有一定的光亮度，物体的波长为λ的光亮度Bλ和它的辐射强度Mλ是成正比的，即

Bλ=CMλ　　（3-32）

式中：C——比例常数。

由于Mλ与温度有关，因此受热物体的亮度大小反映了物体温度的高低。但因为各种物体的黑度ελ是不同的，因此即使它们的亮度相同，它们的温度也是不相同的。这样若按某一物体的温度刻度的光学高温计就不可以用来测量黑度不同的另一物体的温度，所以仪表是按黑体的温度刻度的。当测量实际物体的温度时，所测量出的结果不是物体的真实温度，而是相当黑体的温度，即所谓被测物体的亮度温度。然后通过修正求得被测物体的真实温度。

亮度温度的定义：当物体在辐射波长为λ、温度为T时的亮度Bλ，和黑体在辐射波长为λ、温度为TS时的亮度B0λ相等，则把TS称为这个物体在波长为λ时的亮度温度。将维恩公式代入式（3-32），得到物体和黑体的亮度公式分别为

若两者的亮度相等，则

式中，λ=0.66μm为红光波长；TS为亮度温度，K；ελ为黑度系数（物体在波长λ下的吸收率）；C2为普朗克第二辐射常数。

在已知物体的黑度ελ和高温计测得的亮度温度TS之后，就可用式（3-36）求出物体的真实温度T。由式（3-36）可以看出ελ越小，则亮度温度与真实温度间的差别也就越大。因0<ελ<1，因此测得物体的亮度温度总是低于真实温度。

由于直接测量光谱辐射亮度较难实现，因此光学高温计采用了亮度比较的方法。工业用光学高温计分为隐丝式和恒定亮度式。隐丝式是利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度；恒定亮度式是利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。由于隐丝式光学高温计的结构和使用方法都优于恒定亮度式，所以应用广泛。

隐丝式光学高温计由光学系统和电测系统两部分组成，如图3-21所示。光学系统包括目镜、物镜、灯泡、红色滤波片和灰色吸收玻璃等。加入红色滤光片，造成窄的光谱段，使其在波长范围0.6～0.7μm内进行亮度比较。由于温度超过1400℃时，钨丝易发生升华，（电阻值改变，且在灯泡玻璃上形成薄膜，改变了灯丝的温度-亮度特性），造成测量误差。加入灰色吸收玻璃，在1400℃以上时，可减弱热源进入仪表的亮度，再和灯丝亮度比较，加大了光学高温计的测量范围。电测系统包括指示仪表、灯泡、电源和调节电阻四部分。

使用光学高温计时，人眼看到的图像如图3-22所示。测量时，如灯丝亮度比辐射热源（被测物体）亮度低，则灯丝就在这个背景下呈现出暗的弧线；如灯丝亮度比辐射热源（被测物体）亮度高，则灯丝就在较暗的背景下呈现出亮的弧线；如两者亮度一样，则灯丝就隐灭在发光背景里。由指示仪表的读数可知被测物体的亮度温度，这种光学高温计称为隐丝式光学高温计。

使用光学高温计应注意的事项：

（1）非黑体的影响：被测物体往往是非绝对黑体，而且物体的黑度ελ不是常数，它和波长λ、物体的表面情况及温度高低均有关系。物体黑度的变化有时是很大的，这给测量带来很不利的影响。为了消除ελ的影响，可以人为地创造黑体辐射的条件，譬如测量炉膛温度，可以插入一根细长而有底的陶瓷管，在充分受热以后，这个管子底部的辐射就可以近似认为是绝对黑体了。为得到足够的黑度，管子的长度与管子的内径之比不得小于10。

（2）中间介质的影响：光学高温计和被测物体之间的灰尘、烟雾和二氧化碳等气体，对热辐射会有吸收作用，因而造成测量误差。在实际测量时很难做到没有灰尘，因此光学高温计不要距离被测物体太远，一般在1～2m之内比较合适。

（3）光学高温计不宜测量反射光很强的物体，否则会产生误差。

光学高温计由于受被测物体黑度的影响，测量的精度要比热电偶、热电阻低，且结构复杂、价格高，不能测物体内部点的温度，因此在使用上受到限制。由于人眼是感受件，只能看到可见光，这限制了被测物体的温度不能低于700℃

光学高温计测量时要手动平衡亮度。由人判定平衡点，平衡点可能因人而异。故它不是连续性测量仪表，难以做到被测温度的自动记录。

2.光电高温计

光电高温计用光电器件代替人眼，作为仪表的感受件感受辐射源的亮度变化，并转换成与亮度成比例的电信号。此信号经电子放大器放大后被测量，其大小对应被测物体的温度。光电高温计能自动平衡亮度和自动连续记录被测温度，所以得到广泛使用。

光电高温计是在光学高温计的基础上发展起来的，它克服了光学高温计的缺点，能够连续自动地测量温度，而且能够自动记录和控制温度。它与光学高温计的本质区别就在于它利用光电器件作为敏感元件，代替人的眼睛判断辐射源和灯丝亮度的变化，并将亮度转换成电信号。光电高温计工作原理图如图3-23所示。

测量时，从被测物体17的表面发生的辐射能由物镜1聚焦后。经孔径光阑2和遮光板6上的孔3，透过装于遮光板内的红色滤光片，射到硅光电池4上，反馈灯15发出的辐射能通过遮光板上的孔5和红色滤光片也照射到硅光电池上。在遮光板的前面装有每秒钟振动50次的光调制器7，它交替地打开和遮住孔3和孔5，使被测物体的辐射能和反馈灯的辐射能交替地照射到硅光电池上。当两个能量不相等时，硅光电池将产生一个与两个辐射亮度差成正比的脉冲光电流，经前置放大器13放大后，再送到由倒相器、差动相敏放大器和功率放大器组成的主放大器14做进一步放大后，输出驱动反馈灯；反馈灯的辐射能随着驱动电流的改变而相应变化。以上过程一直持续到被测物体和反射灯照射到硅光电池上的辐射能相等为止。这时硅光电池的脉冲光电流接近于零，而流经反馈灯电流数值的大小就代表了被测物体的亮度温度。此电流值转换成电压后由电位差计16自动指示和记录被测物体的亮度温度。图3-23中的前置放大器透镜10、反射镜11和观察孔12组成了一个人工观察瞄准系统，其作用是使光电高温计得以对准被测物体。

光电高温计的优点如下：

（l）无700℃的下限。因光电器件可感受可见光、红外光波长。

（2）分辨率高。光学高温计最高为0.5℃，而光电高温计分辨率为0.01～0.05℃。

（3）精确度高。由于采用性能良好的单色器故光电高温计精确度高。

（4）可连续自动测量，响应快。

光电高温计的缺点：光学元件互换性很差，更换元件时，整个仪表要进行重新调整和分度。

3.6.3　全辐射高温计

全辐射高温计习惯上称为全辐射温度计，是专指以热电堆为热接受元件的辐射感温器与电压指示或记录仪表构成的温度测量仪表，是基于被测物体的辐射热效应而进行工作的。其优点是灵敏度高、坚固耐用、可测较低温度；缺点是测量易受环境中的水蒸气、二氧化碳的影响。

全辐射高温计的工作原理

全辐射高温计是根据物体的热辐射效应测量物体表面温度的仪器。

物体受热后会发出各种波长的辐射能，其中有许多是人们眼睛看不到的，譬如铁块在未烧红前并不发出“亮”光来，也就无法使用光学高温计来测量它的温度。虽然物体辐射出来的能量看不见，但可以把它辐射出来的所有能量集中于一个感温元件（如热电偶）上。热电偶的工作端感受到这些热能后，就有热电势输出。并配以动圈式显示仪表或自动平衡显示仪表测出，这就是全辐射高温计的工作原理。

绝对黑体的热辐射能量与温度之间的关系可由斯特藩-玻尔兹曼定律表述，即

E0=σT4　　（3-37）

式中：σ——斯特藩-玻尔兹曼常数，等于5.67032×10-8W/（m2·K4）；

T——绝对黑体表面温度，K。

所有物体的全辐射吸收系数εr均小于1，即0<εr<1，其辐射能与温度之间的关系为

E0=εrσT4　　（3-38）

由于不同物体的辐射强度在同一温度时并不相同，所以全辐射高温计的刻度也是选择黑体作为标准体，按黑体的温度来分度仪表。这对用全辐射高温计所测到的是物体辐射温度，即相当于黑体某一温度TP。在辐射感温器工作频谱区域内，当表面温度为T的物体之积分辐射能量和表面温度为TP的黑体之积分辐射能量相等时，，所以物体实际的表面温度为

因此，当知道了物体的全部辐射吸收系数εr和辐射高温计显示的辐射温度TP，就可得到被测物体的实际表面温度。

全辐射高温计工作原理图如图3-24所示。被测物体的辐射能经物镜聚焦在铂箔上，使铂箔温度升高，由热电堆测其温度输出热电势信号。

热电堆由几支同样的热电偶同向串联而成，其作用是增加输出的热电势，提高灵敏度。热电偶的热端汇集到中心一点，冷端位于受热片的四周，受热片输出热电势为所有热电偶输出电势之和，如图3-25（a）所示。

由于辐射感温器的热接受元件是热电堆，当环境温度发生变化时，冷端温度也发生变化，输出电势发生相应的变化，会产生测量误差。为了稳定冷端温度，热电堆的冷端补偿采取以下几种方法：

（1）加水冷套。

（2）加冷端自动补偿器。图3-25（b）所示的补偿光阑是常用的冷端自动补偿器。补偿光阑由双金属片控制，双金属片的一端固定，补偿片垂直焊接在双金属片的自由端。当环境温度升高，热电堆的热电势输出减少。同时双金属片的温度也升高，双金属片由轴心向外伸展，补偿片向外移动，光阑的孔径相应扩大，射到热电堆上的辐射能增加，热电堆的输出电势得到补偿。

3.6.4　比色温度计

比色温度计是通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的。其特点是测温准确度高、响应快、可测量小目标，适用于冶金、水泥、玻璃等行业，常用于测量铁液、锅液、熔渣及回转窑物料温度等。

比色温度计也是一种辐射式温度计。辐射定律表明，绝对黑体的最大单色辐射强度当温度增高时是向波长减小方向移动的。这样，就使两个固定波长为λ1及λ2的亮度比会随温度而变化。因此，只要测定此亮度比值，即可由计算式算得绝对黑体的相应温度，如温度为T的实际物体在两个波长下的亮度比与温度为TC的黑体在同样两波长下的亮度比相等，则将TC称为该实际物体的比色温度。实际物体的温度T与比色温度TC之间存在一定计算关系。

通过测波长λ1，λ2下的光谱辐射亮度

式（3-40）与式（3-41）相除后取对数，整理后得

实际物体（温度T）在两个波长λ1和λ2的相应亮度比等于绝对黑体在两个波长λ1和λ2的亮度比，绝对黑体的温度TC就称为实际物体的比色温度。

根据比色温度的定义，用维恩公式，可导出实际温度T和比色温度TC的关系：

比色温度计的特点如下：

（1）对于绝对黑体T=TC，因为；一般物体T不等于TC，由于不等于，对于金属物体，一般是短波λ1的大于长波λ2的，即，则，T<TC比色温度高于物体实际温度。对于其他物体，视和的大小而定。

（2）比色温度计和单色辐射高温计、辐射温度计相比较，测量准确度更高。因为实际物体一般和的比值变化相对要比ελ和ε的单位变化小得多。

（3）比色温度计可在周围环境较恶劣下测温。中间介质加水蒸气、二氧化碳、灰尘等对波长λ1和λ2的单色辐射强度均有吸收，尽管吸收律不一定相同，但对单色辐射强度比值的影响比较小。

比色温度计的结构分为单通道和双通道两种。所谓通道是指在比色温度计中使用探测器的个数。单通道是用一个探测器接收两种波长光束的能量，双通道是用两个探测器分别接收两种波长光束的能量。单通道分为单光路和多光路两种。所谓光路是指光束在调制前或调制后是否由一束分成两束进行分光处理。

国产WDS-Ⅱ双通道光电比色温度计原理图如图3-26所示。

被测物体的辐射能经物镜1聚焦后，经平行平面玻璃2、中间有孔的回零硅光电池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（≈1μm）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接收，并转换成电信号输入显示仪表。另一部分的能量则通过分光镜，经红外滤光片6将少量可见光滤掉，剩下波长为1μm的红外光被硅光电池E27接收，并转换成电信号。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，即可读出被测对象的温度值。

3.6.5　红外测温仪

红外辐射又称红外线。波长范围大致为0.76～1000μm，分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。波长范围在2～2.6μm、3～5μm和8～14μm的三个波段，红外线穿透能力强、透过率高，统称为“大气窗口”。

红外测温仪是红外辐射测温仪的简称，又称红外温度计。红外温度计也是一种辐射式温度计。任何物体只要其温度大于绝对零度，均会因分子热运动而发射红外线。物体发射的红外辐射能与其温度有关，红外温度计是根据这一特性进行温度测量的。当物体的温度低于1000℃时，物体向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测温度。如采用分离出所需要波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。

1.测量原理与结构

红外测温仪是根据热辐射体在红外波段的辐射能量来测量温度的，属部分辐射式温度传感器。按测量方式可分为固定式与扫描式，按光学系统的不同又可分为可变焦点式与固定焦点式等。具有使用寿命长、性能可靠、反应快等优点，在国外塑料、五金、食品和饮料行业等垂直市场中的应用非常广泛。

红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器、信号处理电路、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能，红外辐射能聚集在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。

图3-27是目前常见的红外测温仪结构图。它是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许8～14μm的红外辐射能通过的材料。调制电动机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。辐射体发出的红外辐射，进入光学系统，经调制器把红外辐射调制成交变辐射，由红外探测器转变成为相应的电信号。该信号经过信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值，并显示在显示器上。

红外探测器的作用是把接收到的红外辐射强度转变成电信号，分为光电型和热敏型。光电型红外探测器是利用光敏元件吸收红外辐射后其电子改变运动状况而使电气性质改变的原理工作的。常用的光电型红外探测器有光电导型和光生伏特型。热敏型红外探测器是物体吸收红外辐射后温度升高的性质来测量温度的。根据测温元件的不同分为热敏电阻型、热电偶型及热释电型。

红外温度计的光学系统有透射式和反射式两种，分别使被测物体的红外辐射能通过透射或反射两种方式输至红外探测器。

2.影响红外测温仪准确性的主要因素

（1）测温目标大小与测温距离。在不同距离处，可测的目标的有效直径D是不同的，因而在测量小目标时要注意目标的距离。

红外测温仪距离系数K的定义：被测目标的距离L与被测目标的直径D之比，即KL/D。

（2）被测物质发射率。红外测温仪一般都是按黑体（发射率ε=1.00）分度的，而实际上，物质的发射率都小于1.00。因此，在需要测量目标的真实温度时，必须设置发射率值。

（3）强光背景。若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯直射），则测量的准确性将受到影响，因此可用物遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。

3.红外测温仪的优点

（1）非接触测量。它不需要接触到被测温度场的内部或表面，因此，不会干扰被测温度场的状态，红外测温仪本身也不受温度场的损伤。

（2）测量范围广。因其是非接触测温，所以红外温度计并不处在较高或较低的温度场中，而是工作在正常的温度或红外温度计允许的条件下。一般情况下可测量负几十摄氏度到三千多摄氏度。

（3）测温速度快。即响应时间短，只要接收到目标的红外辐射，即可在短时间内测温。

（4）测量精度高。红外测温不与接触式测温一样破坏物体本身温度分布，因此测量精度高。

（5）灵敏度高。只要物体温度有微小变化，辐射能就有较大改变，易于测出。可进行微小温度场的温度测量和温度分布测量，以及运动物体或转动物体的温度测量。使用安全及使用寿命长。

4.红外测温仪的缺点

（1）易受环境因素影响（环境温度、空气中的灰尘等）。

（2）对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大。

（3）只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度。

5.红外测温仪的使用注意事项

（1）必须准确确定被测物体的发射率。

（2）避免周围环境高温物体的影响。

（3）对于透明材料，环境温度应低于被测物体温度。

（4）红外温度计要垂直对准被测物体表面，在任何情况下，角度都不能超过30°。

（5）最好不用于光亮或抛光的金属表面的测温，不能透过玻璃进行测温。

（6）正确选择跟离系数，目标直径必须充满视场。

（7）如果红外测温仪突然处于环境温度差为20℃或更高的情况下，测量数据将不准确，温度平衡后再取其测量的温度值。

由于红外温度传感器实现了非接触测温、远距离测量高温等功能，进而将大部分操作人员从较恶劣的环境中解放出来，原来必须要穿防高温工作服才能工作的操作人员，现在不用再穿上那些不方便的工作服，而且可以在一个更加安全、舒适的环境中工作。