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輻射式測(cè)溫儀表是目前冶金行業(yè)高溫測(cè)量中應(yīng)用廣泛的一種儀表，主要應(yīng)用于冶煉、鑄造、軋制、熱處理及耐火材料等生產(chǎn)工序中。物理學(xué)中，當(dāng)任何物體處于絕對(duì)零度以上時(shí)，因其內(nèi)部帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，都會(huì)以一定波長(zhǎng)電磁波的形式向外輻射能量，但這種能量隨溫度變化按一定趨勢(shì)變化。輻射式測(cè)溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。在測(cè)量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體（不必與物體接觸），即可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，而不會(huì)破壞物體的溫度場(chǎng)。由于測(cè)溫儀感溫元件具有接收輻射能而不必達(dá)到被測(cè)物體溫度的特性，從理論上講測(cè)量的物理性是沒(méi)有限制的，測(cè)量工序中高溫是可行的。

輻射式溫度計(jì)由輻射感溫器和顯示儀表兩部分組成，它用來(lái)測(cè)量400-2000 ℃的高溫，近來(lái)隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，測(cè)溫的下限己達(dá)到常溫區(qū)，大大擴(kuò)展了輻射式測(cè)溫方法的使用范圍。

1 輻射式溫度計(jì)的工作原理

1.1普朗克定律（單色輻射強(qiáng)度定律）

物理學(xué)中，高于絕對(duì)零度的物體都具有與周圍物體進(jìn)行以輻射形式進(jìn)行交換的能量。某物體一方面向周圍輻射能量，另一方面又吸收來(lái)自周圍其他物體的能量。輻射的能量或吸收的能量均是按波長(zhǎng)分布的，波長(zhǎng)的范圍是0-∞。普通物體在某些波長(zhǎng)或波段上輻射或吸收的能量多些，而在另一些波長(zhǎng)或波段上少些甚至沒(méi)有。為了便于研究，科學(xué)家假想出一種理想的物體—黑體，設(shè)想其在所有波段上都向外界輻射能量和吸收來(lái)自外界的能量。黑體向外界發(fā)射的能量W（λ,Τ）,D符合普朗克公式，見(jiàn)式（1）：

式（1）中，C1,C2為常數(shù)，λ為波長(zhǎng)，T為黑體的絕對(duì)溫度。

黑體輻射有如下特性：

①總的輻射出射度W（λT）是隨溫度的升高而迅速增加的，溫度越高則光譜輻射出射度越大。

②當(dāng)溫度一定時(shí)，光譜輻射出射度隨波長(zhǎng)的不同按一定的規(guī)律變化，曲線有一個(gè)極大值λm，當(dāng)波長(zhǎng)小于λm時(shí)，輻射出射度隨波長(zhǎng)增加而增加；當(dāng)波長(zhǎng)大于λm時(shí)，變化規(guī)律相反。

③當(dāng)溫度在高溫波段增加時(shí)，光譜輻射出射度的峰值波長(zhǎng)會(huì)向短波方向移動(dòng)。

有了黑體的名稱，其他物體就稱為非黑體了。由于現(xiàn)實(shí)的被測(cè)物體不是黑體，因此按黑體的輻射公式制作的輻射類溫度計(jì)，在測(cè)量實(shí)際物體的溫度時(shí)，就存在一個(gè)修正問(wèn)題，通常稱為發(fā)射率ε（λ,Τ）修正。這是這類溫度計(jì)的一個(gè)先天不足地方。實(shí)際上物體的發(fā)射率ε（λ,Τ）不但與波長(zhǎng)λ和溫度T有關(guān)，而且還與被測(cè)物體的表面狀態(tài)有關(guān)，如粗糙度。

1.2 斯蒂芬-玻耳茲曼定律

也稱為：全輻射強(qiáng)度定律、四次方定律。該定律指出：溫度為T的絕對(duì)黑體，單位面積元在半球方向所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射出射度與溫度T的四次方成正比，見(jiàn)式（2）

σ——斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)，為5.66961×10-3W/（m3K4）

上式（2）就是輻射溫度計(jì)測(cè)溫的理論根據(jù)。全輻射強(qiáng)度定理是單色輻射強(qiáng)度定理在全波長(zhǎng)內(nèi)積分的結(jié)果。

2 輻射式溫度計(jì)的分類及特點(diǎn)分析

2.1 輻射式溫度計(jì)的分類

① 按溫度計(jì)所用的波段數(shù)量來(lái)分類，可分成單波段溫度計(jì)、雙波段溫度計(jì)和多波段溫度計(jì)。
② 按波段的寬窄分類，可分成寬波段溫度計(jì)和窄波段溫度計(jì)。
③ 按所用波段在光譜中位置分類，可分成短波溫度計(jì)和長(zhǎng)波溫度計(jì)。
④ 按可測(cè)溫度的高低分類，可分成高溫溫度計(jì)和低溫溫度計(jì)。
⑤ 按被測(cè)目標(biāo)的幾何子分類，可分成點(diǎn)溫度計(jì)、面溫度計(jì)。

每一種分類，除和測(cè)溫計(jì)的結(jié)構(gòu)及所選用的元器件有關(guān)外，都和使用現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)；現(xiàn)場(chǎng)的安裝、使用如有不當(dāng)，必定影響生產(chǎn)工序測(cè)溫參數(shù)的精度。對(duì)用戶而言，按不同分類方法選用適用的測(cè)溫計(jì)是達(dá)到生產(chǎn)工序測(cè)溫預(yù)期目的的首要前提。

2.2 單波段溫度計(jì)

這種測(cè)溫計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是容易做到根據(jù)被測(cè)對(duì)象的光譜特征確定溫度計(jì)的工作波段，以取得預(yù)期結(jié)果。例如玻璃在可見(jiàn)光的波段內(nèi)是透明的，發(fā)射率近于1非常接近黑體，這時(shí)選用4.8-5.6 μm波段作溫度計(jì)的工作波段，溫度測(cè)量精度非常高。而在測(cè)量一般不透明物體如鋼板的情況下，選用工作波段處于短波的溫度計(jì)較好。

一般的不透明物體的發(fā)射率ε（λ,Τ）不為1，且隨波長(zhǎng)有明顯地變動(dòng)，若操作者不知道發(fā)射率的具體數(shù)值，而人為憑經(jīng)驗(yàn)也只能將發(fā)射率進(jìn)行部分修正，但對(duì)影響測(cè)量結(jié)果的發(fā)射率的波動(dòng)部分，尤其是隨溫度變化的部分是難以修正的。一般說(shuō)來(lái)，發(fā)射率及其變化對(duì)短波溫度計(jì)測(cè)溫精度的影響小，對(duì)長(zhǎng)波溫度計(jì)的影響大。

2.3 雙波段溫度計(jì)

這種溫度計(jì)是利用兩個(gè)波段上的信號(hào)之比值與被測(cè)溫度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行測(cè)溫的，見(jiàn)式（3）:

式中V1和V2分別是第一波段和第二波段產(chǎn)生的信號(hào)。從式中可以看出這種溫度計(jì)的特點(diǎn)：當(dāng)兩個(gè)波段上的信號(hào)同時(shí)增加或縮小相同信號(hào)數(shù)時(shí)，比值V1/V2不變，進(jìn)而溫度計(jì)測(cè)得的溫度值不變。

這種溫度計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合是：有完全不透明的低溫固體顆粒遮檔被測(cè)目標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)。因完全不透明的低溫顆粒造成V1和V2以相同比例衰減，所以溫度計(jì)的示值不變。這是單波溫度計(jì)做不到的。但當(dāng)遮擋目標(biāo)的顆粒是對(duì)波長(zhǎng)有選擇性的，即對(duì)V1和V2不是等比例衰減時(shí)，所造成的測(cè)溫誤差將比單波溫度計(jì)大得多。

3 輻射溫度計(jì)的溫度修正

被測(cè)對(duì)象為非黑體時(shí)，要通過(guò)修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。對(duì)于輻射溫度計(jì)，它是以絕對(duì)黑體的輻射為基準(zhǔn)對(duì)儀器進(jìn)行分度的，所以儀器測(cè)出的值稱為輻射溫度。輻射溫度的定義為：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻射能，此時(shí)黑體之溫度即為非黑體的輻射溫度。輻射高溫計(jì)測(cè)量的溫度稱為輻射溫度TF，根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，總輻射能相等，見(jiàn)式（4）：

式中T——-非黑體的真實(shí)溫度;
TF——-非黑體的輻射溫度;
εT——-非黑體的全輻射黑度系數(shù)（與溫度T有關(guān)）

因?yàn)榉呛隗wεT＜1，則TF＜T。因此用輻射溫度計(jì)測(cè)出的溫度要比物體真實(shí)溫度低。

在不同的使用環(huán)境，黑度系數(shù)的設(shè)置直接影響了測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性，是個(gè)參考值。隨著現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同、介質(zhì)分布的變化，輻射式測(cè)溫儀的測(cè)量值波動(dòng)較大。一般來(lái)講，測(cè)量鋼板時(shí)系數(shù)范圍為0.7-0.85，而測(cè)量鋁制品一般在0.3-0.6左右。

4 冶金生產(chǎn)中測(cè)量誤差存在的原因及其對(duì)策

輻射測(cè)溫計(jì)本身在信號(hào)變換與處理過(guò)程中不可避免地有機(jī)械振動(dòng)、溫度變化和電磁等方面的干擾。在被測(cè)目標(biāo)的輻射進(jìn)入輻射溫度計(jì)之前各種干擾己經(jīng)實(shí)際存在，這些干擾通常為光路中的干擾、外來(lái)光干擾和發(fā)射率的干擾等。

原因一:如在鋼板生產(chǎn)過(guò)程中，為了軋制機(jī)械不粘連、鋼板除鱗等，被測(cè)目標(biāo)表面上停留有水膜，在被測(cè)目標(biāo)表面附近還經(jīng)常存在著濃度經(jīng)常變化的水蒸汽等吸收性氣體。這些氣體介質(zhì)在光路中對(duì)來(lái)自被測(cè)鋼板有輻射能有選擇性的吸收，減弱了入射到溫度計(jì)中的輻射能，造成測(cè)量誤差。

解決方法:光路中存在有水蒸汽和水膜時(shí)，在短波段測(cè)量可減小測(cè)量誤差，同時(shí)引用壓縮空氣吹散水膜，用儀表風(fēng)清洗光路都是有效的。

原因二:生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)空氣中懸浮很多塵埃，這些塵埃對(duì)輻射能的吸收是沒(méi)有選擇性的，并常伴隨有漫射，減弱了入射到溫度計(jì)中的輻射能，造成測(cè)量誤差。

解決方法:增設(shè)空氣流通、潔凈裝置，并保持作業(yè)環(huán)境整潔使測(cè)量環(huán)境友好。

原因三:外來(lái)光的干擾（指從其它光源主射到被測(cè)表面上并且被反射出來(lái)，混入測(cè)量光的成分）。在測(cè)量鋼板表面溫度時(shí)，由于白晝光的干擾造成反射，形成測(cè)量誤差。

解決方法:安裝測(cè)溫儀時(shí)要避開(kāi)陽(yáng)光和環(huán)境照明光的反射位置和角度。對(duì)于一些固定的難以避免的光源，應(yīng)設(shè)置遮蔽裝置。

原因四:物體的發(fā)射率不僅與溫度、波長(zhǎng)有關(guān)，而且即使是同一種物質(zhì)也與其表面粗糙度、銹蝕和氧化程度等因素有關(guān)。

解決方法:改進(jìn)生產(chǎn)工藝，努力提高測(cè)量目標(biāo)的粗糙度、減少測(cè)量目標(biāo)的銹蝕程度、減少測(cè)量目標(biāo)的氧化狀況。

5 熱軋鋼板表面溫度的測(cè)量

鋼坯從加熱爐口被推出，經(jīng)過(guò)粗軋的入口和出口、精軋機(jī)的入口和出口以及在矯直機(jī)的入口和出口，按工藝要求都需設(shè)有溫度測(cè)量點(diǎn)，作為軋鋼工序的關(guān)鍵操作點(diǎn)來(lái)測(cè)量鋼板的表面溫度。熱軋工序?qū)囟葴y(cè)量有如下計(jì)量要求：

①由于軋制速度快，需選擇響應(yīng)速度快的輻射溫度計(jì)；

②在整個(gè)軋制過(guò)程中，最初從加熱爐出來(lái)的鋼坯到矯直機(jī)后，被軋制測(cè)量目標(biāo)的溫度測(cè)量范圍一般為500℃-1300℃（高低端溫差大）。

③由于軋制和冷卻多次反復(fù)進(jìn)行，鋼板表面的黑度和周圍水蒸濃度都有一定的變化。要求高低端測(cè)量誤差相近。

④帶鋼表面某些局部經(jīng)常有水膜且水膜的大小和附著點(diǎn)變化無(wú)常，并常有鱗片狀的銹、垢和灰塵等附著在鋼板表面上。要求測(cè)溫儀有適宜得當(dāng)?shù)男拚?br />
因此在選用輻射溫度計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到以上被測(cè)目標(biāo)環(huán)境特點(diǎn)和計(jì)量要求。經(jīng)過(guò)工作原理比較和實(shí)際使用篩選比對(duì)，硅光電池光電高溫計(jì)具有響應(yīng)速度快，工作波長(zhǎng)短（1μm左右），能躲過(guò)水蒸汽主要吸收峰，在1μm以下水膜透過(guò)率高等特點(diǎn)，選擇硅光電池光電高溫計(jì)測(cè)量軋制工序被測(cè)目標(biāo)表面溫度比較適宜。

6 小結(jié)

輻射溫度計(jì)是一種非接觸式測(cè)量?jī)x表，其工作原理是根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理即物體的總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的儀表。為在軋制工序現(xiàn)場(chǎng)高溫環(huán)境下達(dá)到計(jì)量要求，在輻射感溫器外加裝水冷夾套是個(gè)好辦法。目前這類溫度計(jì)的主要難題是還沒(méi)有找到從本質(zhì)上消除發(fā)射率和環(huán)境介質(zhì)影響測(cè)溫精度的更有效儀表型式和技術(shù)措施，有待繼續(xù)探索。