非接触式测温原理-课件.ppt
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- 接触 测温 原理 课件
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1、上一页下一页返 回 高温测量中应用最广泛高温测量中应用最广泛,主要应用行业为冶金、铸造、,主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。任何物体处于绝对零度以上时,都会以一定波长电磁任何物体处于绝对零度以上时,都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测温仪表就是利用物波的形式向外辐射能量。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。体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。测量时,只需把温度计光学接收系统对准被测物体,测量时,只需把温度计光学接收系统对准被测物体,而不必与物体接触,因此可以测量运
2、动物体的温度并而不必与物体接触,因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外,由于感温元件只接收不会破坏物体的温度场。此外,由于感温元件只接收辐射能,不必达到被测物体的实际温度,从理论上讲,辐射能,不必达到被测物体的实际温度,从理论上讲,它没有上限,可以测量高温。它没有上限,可以测量高温。非接触测温仪表分类非接触测温仪表分类:光学高温计、辐射式温度计:光学高温计、辐射式温度计6.4.1 热辐射基本定理热辐射基本定理6.4.2 光学高温计光学高温计6.4.3 光电高温计光电高温计6.4.4 辐射温度计辐射温度计6.4.5 比色温度计比色温度计上一页下一页返 回l 辐射换热辐射换热是三种
3、基本的热交换形式之一是三种基本的热交换形式之一波长范围波长范围:10-3m10-8ml在低温时,物体辐射能量很小,主要发射的是在低温时,物体辐射能量很小,主要发射的是红外线。随着温度的升高,辐射能量急剧增加,红外线。随着温度的升高,辐射能量急剧增加,辐射光谱也向短的方向移动,在辐射光谱也向短的方向移动,在5000C左右时。左右时。辐射光谱包括了部分可见光;到辐射光谱包括了部分可见光;到8000C时可见时可见光大大增加,即呈现光大大增加,即呈现“红热红热”;如果到;如果到30000C时,辐射光谱包括更多的短波成分,使得物体时,辐射光谱包括更多的短波成分,使得物体呈现呈现“白热白热”。l辐射测温的
4、基本原理辐射测温的基本原理:观察灼热物体表面的:观察灼热物体表面的“颜色颜色”来大致判断物体的温度,这就是来大致判断物体的温度,这就是上一页下一页返 回(1)热辐射的重要参数热辐射的重要参数(2)辐射能的分配辐射能的分配(3)基尔霍夫定律基尔霍夫定律 (4)黑体辐射定律黑体辐射定律上一页下一页返 回辐射能辐射能Q 以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能,单位为焦耳辐射能,单位为焦耳(J)。辐射能通量辐射能通量 是辐射能随时间的变化率,又称辐射率:是辐射能随时间的变化率,又称辐射率:(6.4.1)其单位是瓦特其单位是瓦特(W)。辐射强度辐射强度I 在给
5、定方向上的立体角单元内,离开点辐在给定方向上的立体角单元内,离开点辐射源射源(或辐射源面单元或辐射源面单元)的辐射功率除以该立体角单元,的辐射功率除以该立体角单元,称为该方向上的辐射强度,其单位为瓦称为该方向上的辐射强度,其单位为瓦/球面度球面度(W/sr)。dtdQ上一页下一页返 回辐射出射度辐射出射度M 离开辐射源表面一点处的面单元上的辐离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积,称为该点的辐射出射度,即射能量除以该单元面积,称为该点的辐射出射度,即 (6.4.2)辐射出射度的单位为瓦辐射出射度的单位为瓦/米米2(W/m2)。辐射亮度辐射亮度L和光谱辐射亮度和光谱辐射亮度 表面
6、一点处的面元在给定表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度,除以该面元在垂直于给定方向平方向上的辐射强度,除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积,称为该方向的辐射亮度面上的正投影面积,称为该方向的辐射亮度L。辐射亮。辐射亮度实际上包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱度实际上包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱中某一波长的辐射能量则称为在此波长下的光谱辐射中某一波长的辐射能量则称为在此波长下的光谱辐射亮度。亮度。dSdM上一页下一页返 回l当物体接受到辐射能量以后,根据物体本身的性质,当物体接受到辐射能量以后,根据物体本身的性质,会发生部分能量吸收、透射和反射会发生部分能量吸收、透射和反
7、射 RDAQQQQQQQQQQRDA1吸收率;透射率;反射率。上一页下一页返 回 黑体(绝对黑体):黑体(绝对黑体):照射到物体上的辐射能全部被吸收,既无反射照射到物体上的辐射能全部被吸收,既无反射也无透射。也无透射。透明体:透明体:照射到物体上的辐射能全部透射过去,既无吸照射到物体上的辐射能全部透射过去,既无吸收又无反射。收又无反射。镜体、白体:镜体、白体:照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑,反射具有一定规律,则该物体表现平整光滑,反射具有一定规律,则该物体称之为称之为“镜体镜体”;若反射无一定规律,则该物;若反射无一定规律,则该物体
8、称为体称为“绝对白体绝对白体”或者简称为或者简称为“白体白体”。上一页下一页返 回l在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。一般固体和液体的一般固体和液体的值很小或等于零,而气体值很小或等于零,而气体的的值较大。对于一般工程材料来讲,值较大。对于一般工程材料来讲,0而而+=1,称为,称为灰体灰体 l从传热学角度看,可以人为制造黑体从传热学角度看,可以人为制造黑体 上一页下一页返 回l各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同,和物体各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同,和物体的性质无关,是物体的温度和发射波长的函数的性质无关,是物体的温度和发射波长的函
9、数),(.),(),(),(),(),(),(221100TfTTMTTMTTM 式中:式中:M0(,T),M1(,T),M2(,T)物体的单色物体的单色()辐射出射度;辐射出射度;0(,T),2(,T),2(,T)物体的单色物体的单色()吸收率。吸收率。上一页下一页返 回l若物体若物体A0绝对黑体,那么绝对黑体,那么0(,T),根据基氏定律,根据基氏定律),(.),(),(),(),(02211TMTTMTTM物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同样的温度下,物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同样的温度下,相同波长时的辐射出射度。这是基氏定律的另一种说法。相同波长时的辐射出射度
10、。这是基氏定律的另一种说法。设设M(,T)为物体为物体A在波长为在波长为,温度为,温度为T下的辐射出射度。下的辐射出射度。),(),(),(),(0TTTMTM式中,式中,称为物体称为物体A的单色辐射率,或称为单色黑度系数。的单色辐射率,或称为单色黑度系数。它表明了在一定的温度和波长下,物体它表明了在一定的温度和波长下,物体A的辐射出射度与的辐射出射度与相同温度和波长下黑体的辐射出射度之比。相同温度和波长下黑体的辐射出射度之比。基尔霍夫定律说明,物体的辐射能力与它的吸收能力是相同的基尔霍夫定律说明,物体的辐射能力与它的吸收能力是相同的 上一页下一页返 回在全波长内,任何物体的全辐射出射度等于单
11、波长的辐射在全波长内,任何物体的全辐射出射度等于单波长的辐射出射度在全波长内的积分出射度在全波长内的积分)()(),()(),(),(),()(000000TMTAdTMTAdTMTdTMTM式中,式中,A(T)物体物体A在温度在温度T下的全吸收率,下的全吸收率,M0(T)黑体在温度黑体在温度T下的全辐射出射度。下的全辐射出射度。基氏定律的积分形式为基氏定律的积分形式为 TTATMTM)()()(0它表明了在一定的温度它表明了在一定的温度T下,物体下,物体A的辐射出射度与相同温度下的辐射出射度与相同温度下黑体的辐射出射度之比。一般物体的黑体的辐射出射度之比。一般物体的T1,T越接近越接近1,表
12、明它与黑体的辐射能力越接近。表明它与黑体的辐射能力越接近。上一页下一页返 回 普朗克定律普朗克定律(单色辐射强度定律单色辐射强度定律)维恩公式维恩公式 斯蒂芬波尔兹曼定律斯蒂芬波尔兹曼定律 (全辐射强度定律,也称为四次方定律)(全辐射强度定律,也称为四次方定律)上一页下一页返 回温度为温度为T的单位面积元的绝对黑体,在半球面方向所辐射的单位面积元的绝对黑体,在半球面方向所辐射的波长为的辐射出射度为的波长为的辐射出射度为1511520)1()1(2),(2TCTkhceCehcTM式中,式中,c光速;光速;h普朗克常数,普朗克常数,6.62617610-34Js;k波尔兹曼常数,波尔兹曼常数,1
13、.3806624410-23J/K;C1第一辐射常数,第一辐射常数,3.741810-16Wm2;C2第二辐射常数,第二辐射常数,1.438810-12mK;T绝对温度。绝对温度。公式结构比较复杂,但是它对于低温与高温都是适用的公式结构比较复杂,但是它对于低温与高温都是适用的 上一页下一页返 回l理论上说明了黑体在各种温度下能量波长分布的规律理论上说明了黑体在各种温度下能量波长分布的规律 TCeCTM2510),(公式简单,但是仅适用于不超过公式简单,但是仅适用于不超过3000K的温度范围的温度范围 黑体的辐射本领是波长和温度的函数,当波长一定时,黑体的辐射本领是波长和温度的函数,当波长一定时
14、,黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数,即黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数,即)(),(0TfTM上式就是光学高温计和比色高温计测温的上式就是光学高温计和比色高温计测温的理论根据理论根据 上一页下一页返 回l温度为温度为T的绝对黑体,单位面积元在半球方向上所发射的绝对黑体,单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度与温度的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比。的四次方成正比。0443245151000152)1(),()(2TThckdeCdTMTMTC式中,式中,斯蒂芬波尔兹曼常数,斯蒂芬波尔兹曼常数,5.6696110-3W/(m2K4)。上式就是上式就是辐射式温度计测温的理论根
15、据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定律在全波长内积分的结果。全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果。上一页下一页返 回精密光学高温计精密光学高温计用于科学实验中的精密测试;用于科学实验中的精密测试;标准光学高温计标准光学高温计用于量值的传递,例如,在物用于量值的传递,例如,在物质熔点、热容量和相变点的测定中使用。质熔点、热容量和相变点的测定中使用。光学高温计可用来测量光学高温计可用来测量80032000C的高温。的高温。由于采用用肉眼进行色度比较,所以测量误差由于采用用肉眼进行色度比较,所以测量误差与人的经验有关。与人的经验有关。光学高温计测量的温度称为亮
16、度温度光学高温计测量的温度称为亮度温度(TL),被,被测对象为非黑体时,要通过修正才能得到非黑测对象为非黑体时,要通过修正才能得到非黑体的真实温度。体的真实温度。上一页下一页返 回隐丝式隐丝式利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流,当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。亮度就代表了被测物体的亮度温度。恒定亮度式恒定亮度式利用减光楔来改变被测物体的亮度,使它与恒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,当两者亮度相定亮度温度的高温灯泡相比较,当两者亮度相等时
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