CN101000264A - 光谱极值测温方法 - Google Patents

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Abstract

光谱极值测温方法，它涉及一种测温方法。本发明解决了目前测量物体温度方法的测量精度低、测量范围窄的问题。本发明方法的步骤如下：被测物体(1)的红外辐射射线(2)经聚光镜(3)汇进入傅立叶分析光谱仪(4)，傅立叶光谱仪(4)进行光谱扫描，光谱曲线记录并存入计算机(5)，计算机(5)通过光谱曲线的峰值波长根据维恩位移定律直接计算得到被测物体(1)的温度，最后在显示屏(6)上显示被测物体(1)的温度。本发明方法测量温度的范围为300～3000K。本发明具有测量精度高、测量范围宽的优点。

Description

光谱极值测温方法
技术领域
本发明涉及一种测温方法。
背景技术
温度是确定物质状态的最重要参数之一，它的测量与控制在科学实验及工农业生产中等方面具有十分重要的作用。特别是高温测量在航天、材料、能源、冶金等领域中占有极重要地位。
温度的测量方法大致可分为两种：接触法和非接触法。在接触测温法中，热电偶和热电阻温度计应用最为广泛，该方法的优点是设备和操作简单，测得的是物体的真实温度等，其缺点是动态特性差，由于要接触被测物体，故对被测物体的温度分布有影响，且不能应用于甚高温测量。目前非接触测温法仍以辐射测温法为主，在过去相当长的时间里，辐射测温法的可靠性和抗干扰性都不太高，且测量范围往往仅限于较高温度。但近二十多年，由于电子技术的飞快发展，半导体材料的进步及计算机技术的发展与应用，又由于辐射温度计具有无测量上限，响应速度快及不接触被测对象，因而不影响被测温场等特点，辐射测温技术得到长足的进步和发展。仪器的制造水平、性能指标已有了显著提高，辐射真温测量研究、标定技术研究及应用技术研究方面亦取得了丰硕成果。
目前人们经常使用的单波长光学(电)高温计、比色温度计及全波长辐射温度计等，测得的不是物体的真实温度，只是分别为亮度温度，颜色温度及辐射温度等。必须知道物体的另一参数——材料发射率(黑度系数)，才可求得物体真实温度。众所周知，物体的材料发射率不仪与物体的组份，其表面状态及考察波长有关，还与它所处的温度有关。一般不易在线测量，且易随表面状态改变而改变，因此，用辐射法测量物体真实温度是辐射测温领域中重要而困难的研究课题，其研究状况亦成了表征辐射测温技术发展的一个重要方面。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前测量物体温度方法的测量精度低、测量范围窄的问题，提供了一种光谱极值测温方法。本方明基于光谱测量技术提出了一种新的辐射测温法-光谱极值测温法。本发明方法的步骤如下：被测物体的红外辐射射线经聚光镜汇进入傅立叶分析光谱仪，傅立叶光谱仪进行光谱扫描，光谱曲线记录并存入计算机，计算机通过光谱曲线的峰值波长根据维恩位移定律直接计算得到被测物体的温度，最后在显示屏上显示被测物体的温度。本发明方法测量温度的范围为300～3000K。
本发明的原理及灵敏度分析
本发明原理的依据是维恩位移定律，维恩位移定律公式为：
λmax·T＝2897μm·K    (1)
维恩位移定律表明黑体在峰值波长λmax处有单侧辐射能力的峰值，随着黑体温度的升高，峰值波长向短波方向移动。用此式可算出黑体在3600K以下时其峰值波长都在红外区。
通过光谱仪完全可以测量出λmax，那么就可以通过式(2)计算出被测物体的温度T。
T＝2897/λmax    (2)
通过对式(2)求导就可得到温度灵敏度的公式(3)
dT/dλmax＝-2897/λ2 max    (3)
通过式(3)计算各温度下的测温灵敏度见表1(光谱极值法测温的温度灵敏度表)，测温灵敏度是λmax每1nm的变化所能引起的温度的变化值。参见表1，在3000K时，在光谱1nm的分辨率的情况下，温度的分辨率也可以达到3K。参见表2(不同测量误差所需的光谱测量精度表)，可见很多情况下，光谱的理论测量精度要高于1nm。可见光谱极值法测量温度可以达到较高的精度的。
表1：
  T(K)     λmax(μm)     dT/dλmax(K/nm)     T(K)   λmax(μm)     dT/dλmax(K/nm)
  300     9.65666     0.031     1600   1.81063     0.884
  500     5.79400     0.086     2000   1.44850     1.381
  800     3.62165     0.221     2500   1.15880     2.170
  1200     2.41416     0.497     3000   0.96566     3.108
表2
 T(K)  λmax(μm)     ΔT(K)     Δλmax(nm)   T(K)   λmax(μm)     ΔT(K)     Δλmax(nm)
 300  9.65666     0.1     3.21   1600   1.81063     0.1     0.11
1.0 32.18 1.0 1.13
    50.0     1609.44     50.0     56.58
 500  5.79400     0.1     1.16   2000   1.44850     0.1     0.07
    1.0     11.58     1.0     0.72
    50.0     579.40     50.0     36.21
 800  3.62165     0.1     0.45   2500   1.15880     0.1     0.05
    1.0     4.53     1.0     0.46
    50.0     226.37     50.0     23.17
 1200  2.41416     0.1     0.20   3000   0.96566     0.1     0.03
    1.0     2.01     1.0     0.32
    50.0     100.59     50.0     16.09
实际物体不是黑体，非黑体的热辐射性质与黑体不同。黑体的辐射分布只依赖于辐射波长和温度，与构成黑体的材料无关。然而实际物体的辐射除了依赖于波长和温度外，还与构成物体的材料性质有关。为此引入一个与材料性质有关的物理量，即发射率。国际上对于发射率模型，通常是假定发射率随波长变化而变化。常用的发射率四种模型参见图2～图5，表3是实际物体的温度测量误差分析。参见表3，在发射率变化的情况下，温度测量误差可以控制在一定的范围内，即使温度在3000K时(发射率为模型D时)温度差为111.74K，这在实际中测量中已经是具有较高的测量精度了。由此可见采用光谱极值法测温不需要标定，并且具有较高的测温精度。
表3
ε   T(K)   λmax(μm)   Tm(K)   λmax(μm)   Δλmax(μm)   ΔT(K)
A   300   9.65666   277.15   10.45288   -0.79622   22.85
  500   5.79400   473.74   6.11513   -0.32113   26.26
  800   3.62165   771.40   3.75553   -0.13388   28.60
  1200   2.41416   1169.87   2.47635   -0.06219   30.13
  1600   1.81063   1569.01   1.84638   -0.03575   30.99
  2000   1.44850   1968.44   1.47172   -0.02322   31.56
  2500   1.15880   2459.55   1.17786   -0.01906   40.45
  3000   0.96566   2967.54   0.97623   -0.01057   32.46
B   300   9.65666   316.43   9.15518   0.50148   -16.43
  500   5.79400   515.21   5.62294   0.17106   -15.21
  800   3.62165   814.52   3.55670   0.06496   -14.52
  1200   2.41416   1214.09   2.38616   0.02801   -14.09
  1600   1.81063   1613.82   1.79512   0.01551   -13.82
  2000   1.44850   2013.62   1.43871   0.00980   -13.62
  2500   1.15880   2513.41   1.15262   0.00618   -13.41
  3000   0.96566   3013.22   0.96143   0.00423   -13.22
C   300   9.65666   332.63   8.70949   0.94717   -32.63
  500   5.79400   547.55   5.29088   0.50312   -47.55
  800   3.62165   851.80   3.40102   0.22063   -51.80
  1200   2.41416   1253.28   2.31153   0.10263   -53.28
  1600   1.81063   1653.78   1.75174   0.05889   -53.78
  2000   1.44850   2053.98   1.41043   0.03807   -53.98
  2500   1.15880   2554.07   1.13427   0.02453   -54.07
  3000   0.96566   3054.06   0.94857   0.01709   -54.06
D   300   9.65666   287.50   10.07654   -0.41988   12.5
  500   5.79400   463.03   6.25666   -0.46266   36.97
  800   3.62165   740.02   3.91474   -0.29309   59.98
  1200   2.41416   1121.24   2.58375   -0.16959   78.76
  1600   1.81063   1509.25   1.91949   -0.10886   90.75
  2000   1.44850   1900.95   1.52397   -0.07547   99.05
  2500   1.15880   2393.56   1.21032   -0.05152   106.44
  3000   0.96566   2888.26   1.00303   -0.03737   111.74
表中T为目标的温度，Tm为测量的温度，λmax为峰值波长，ΔT为温度差，Δλmax为峰值波长差，ε为发射率。
随着光谱技术的发展和成熟，光谱仪的成本降低和性能有很大的提高，使采用本发明方法的设备成为在线测量的实用性工具。
本发明具有测量精度高、测量范围宽的优点。
附图说明
图1是具体实施方式一方法的示意图，图中1表示被测物体，2表示红外辐射射线，3表示聚光镜，4表示傅立叶分析光谱仪，5表示计算机，6表示显示屏；图2是模型A的发射率图；图3是模型B的发射率图；图4是模型C的发射率图；图5是模型D的发射率图。
具体实施方式：
具体实施方式一：本实施方式方法的步骤如下：被测物体1的红外辐射射线2经聚光镜3汇进入傅立叶分析光谱仪4，傅立叶光谱仪4进行光谱扫描，光谱曲线记录并存入计算机5，计算机5通过光谱曲线的峰值波长根据维恩位移定律直接计算得到被测物体1的温度，最后在显示屏6上显示被测物体1的温度。
具体实施方式二：本实施方式中聚光镜3为凸透镜。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式中傅立叶分析光谱仪4为傅立叶纤外分析光谱仪。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式中维恩位移定律为T＝2897/λmax。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式的方法测量温度的范围为300～3000K。其它与具体实施方式一相同。
通过实验证明本发明测量温度的精度高于1nm。其它与具体实施方式一相同。

Claims (5)

1、一种光谱极值测温方法，其特征在于测量温度的方法的步骤如下：被测物体(1)的红外辐射射线(2)经聚光镜(3)汇进入傅立叶分析光谱仪(4)，傅立叶光谱仪(4)进行光谱扫描，光谱曲线记录并存入计算机(5)，计算机(5)通过光谱曲线的峰值波长根据维恩位移定律直接计算得到被测物体(1)的温度，最后在显示屏(6)上显示被测物体(1)的温度。
2、根据权利要求1所述的光谱极值测温方法，其特征在于聚光镜(3)为凸透镜。
3、根据权利要求1所述的光谱极值测温方法，其特征在于傅立叶分析光谱仪(4)为傅立叶红外分析光谱仪。
4、根据权利要求1所述的光谱极值测温方法，其特征在于维恩位移定律为T＝2897/λmax。
5、根据权利要求1所述的光谱极值测温方法，其特征在于方法测量温度的范围为300～3000K。
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