CN102889934B - 实时测量温度的方法 - Google Patents

Abstract

一种实时测量温度的方法，其特征在于测量温度包含以下步骤：被测物体所发出的辐射光通过分光机构得到两个或两个以上多波长的辐射光束，由光电探测器接收不同波长的辐射能量，得到辐射能比值，根据黑体辐射理论公式计算相应的温度值，以高温范围内标准黑体辐射源所标定的温度值为基准获得单波长辐射能的修正系数，利用修正后的单波长辐射能计算得到低温范围内的温度值。本发明的优点是通过多波长光学测温技术减小了物体表面发射率、测温距离、测温角度以及气流、杂质等环境因素所带来的测量误差，提高了温度测量的准确性，同时通过修正后的单波长辐射测温提高测量精确度和稳定性，并极大地扩展了测量范围。

Description

实时测量温度的方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式温度测量方法，特别涉及一种实时测量温度的方法。

背景技术

温度测量方法大致可分为两种：接触法和非接触法。在接触式测温法中，广泛采用的是热电偶或热电阻等接触式温度传感器，该方法的优点是结构简单、可靠，准确度高，其缺点是不能用于动态测温，另外，对于高温以及超高温的温度测量，接触式测温法也不能胜任。目前非接触式测温法以辐射测温法为主，该方法具有测量范围广、不影响被测温度场及响应速度快等优点。近几十年来，由于电子技术、半导体材料以及计算机技术的飞速发展，辐射测温技术得到长足的进步，出现了多种高性能的辐射温度计。

目前应用较为广泛的辐射温度计有单波长光学高温计、全波长辐射温度计以及比色温度计。单波长光学高温计和及全波长辐射温度计灵敏度高，测量精度高，测温范围广，但必须已知被测物体的发射率，并且测量准确度容易受到测量距离、环境等因素的影响。比色温度计通过测量物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，由于同一物体在两个或多个相近波长发射率比值的变化比较小，并且环境等影响因素也可消除，因此这种测温方式的准确度比较高，但这种方法需要选择合适的波长，限制了其测量范围，在低于700度温度下，由于辐射能比较小，测量的误差比较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有测温技术存在的问题，提供了一种多波长与单波长相结合的实时测温方法。本发明的设备由调制盘、滤波片、光电探测器、分光镜、电路系统、显示系统组成。其中光路由分光镜、滤波片组成。

本发明测量温度包含以下步骤：被测物体所发出的辐射光通过分光机构得到两个或两个以上多波长辐射光束，得到多波长辐射光束的方法为通过两个或两个以上不同波长的滤波片分离得到多波长辐射光束，由光电探测器接收不同波长的辐射能量，得到辐射能比值，根据黑体辐射理论公式计算相应的温度值，以高温范围内辐射能比值方法测定的温度值为基准获得单波长辐射能测温所需的修正系数，利用修正后的单波长辐射能计算得到低温范围内的温度值。

本发明原理的依据是普朗克定律，该定律描述了物体的单色辐射力与温度以及波长之间的函数关系，普朗克公式为：

$E(\mathrm{\λ},T)=\frac{C_1{\mathrm{\λ}}^{-5}\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\exp (C_2/\left(\mathrm{\λT}\right))-1}---\left(1\right)$

其中，E(λ，T)为物体的光谱辐射亮度，λ为物体的辐射波长，T为物体的温度，ε(λ)为物体在波长为λ时的发射率，C₁为黑体辐射第一辐射常量3.742×10^-16Wgm²，C₂是黑体辐射第二辐射常量1.4388×10^-2mgK。

对于温度为T的物体，对应于波长λ₁和λ₂的辐射力之比R(T)为

$R\left(T\right)=\frac{K\·\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\frac{c_1{{\mathrm{\λ}}_1}^{-5}}{e^{c_2/\left({\mathrm{\λ}}_{1}T\right)}-1}}{K\·\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)\frac{c_1{{\mathrm{\λ}}_2}^{-5}}{e^{c_2/\left({\mathrm{\λ}}_{2}T\right)}-1}}=\frac{\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right){{\mathrm{\λ}}_2}^5(e^{c_2/\left({\mathrm{\λ}}_{2}T\right)}-1)}{\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right){{\mathrm{\λ}}_1}^5(e^{c_2/\left({\mathrm{\λ}}_{1}T\right)}-1)}---\left(2\right)$

其中K为光路上损失以及接收的面积相关的综合等效系数。选取合适的波长λ₁和λ₂使物体的表面发射率相等，即ε(λ₁)≈ε(λ₂)，则

$R\left(T\right)=\frac{{{\mathrm{\λ}}_2}^5(e^{c_2/\left({\mathrm{\λ}}_{2}T\right)}-1)}{{{\mathrm{\λ}}_1}^5(e^{c_2/\left({\mathrm{\λ}}_{1}T\right)}-1)}---\left(3\right)$

已知波长λ₁和λ₂可以得到

T＝f(R)

(4)

辐射能比值与温度存在一一对应的关系，通过标准黑体进行标定即可得到物体的温度曲线。由式(3)可以看出，R(T)与测量距离、测量角度以及环境因素无关，既是说这种测温方法可消除上述因素带来的测量误差。

在实际测温过程中，温度越低，温度辐射能量越小，当温度较低时，探测器所接收到的信号较弱，当两个波长较接近时，所测量的辐射能之比值精度就难以保证，因此，基于上述原理的测温方式仅适用于高温范围。

对于单波长测试的辐射能量，公式(1)的辐射能量是整个半球空间的能量，测试接收的辐射能量只是一个立体角内一部分能量，还有光路上存在能量损失。所以实际单波长测试的能量ΔE如下：

$\mathrm{\ΔE}=K\·E(\mathrm{\λ},T)=K\·\frac{C_1{\mathrm{\λ}}^{-5}\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\exp (C_2/\left(\mathrm{\λT}\right))-1}=\mathrm{\χ}\·\frac{C_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp (C_2/\left(\mathrm{\λT}\right))-1}---\left(5\right)$

其中，χ＝K·ε(λ)

从(5)可以得到，T＝f(χ，ΔE)，所以在利用单波长方法测试温度时，需要用一个已知的温度点的测量来确定修正系数χ，然后才能由公式(5)来测试温度。单波长测试温度的方法的优点是测温范围宽，缺点是需要用已知温度来确定修正系数。在实际单波长辐射测温中，常常是用标准温度，如特定金属的熔点来确定修正系数，这种方法往往只能在特定的环境下操作，测试环境改变需要重新确定修正系数。

本发明采用多波长测试与单波长测试相结合，利用多波长测试得到的已知温度点来确定单波长温度测试所需的修正系数。这样在高温段用多波长的测试方法进行测温，同时得到单波长测量所需的修正系数，在低温段利用单波长的方法来测量温度，并且两种方法结合可以相互矫正，提高测量温度的精度，拓展温度测试范围。

本发明的优点是是通过多波长光学测温技术减小了物体表面发射率、测温距离、测温角度以及气流、杂质等环境因素所带来的测量误差，提高了温度测量的准确性，同时通过修正后的单波长辐射测温提高测量精确度和稳定性，并极大地扩展了测量范围。

附图说明

图1实施例一的测温过程示意图。

图2实施例二的测温过程示意图。

图3实施例三的测温过程示意图。

图中：1被测物体、2调制盘、3滤波片、4滤波片、5光电探测器、6电路系统、7显示系统、8分光镜、9滤波片、10滤波片、11调制盘、12分光镜、13滤波片、14滤波片、15光电探测器、16光电探测器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步详细描述本发明方法。

实施例一：

本实施方法的步骤如下：被测物体1发出的辐射光经过一个调制盘2，该调制盘装有两个不同波长的滤波片2、3，调制盘2通过旋转把滤波片2、3分别旋转到光路上，这样在不同的时刻辐射光经过不同的滤光片，形成不同波长的辐射光束，由光电探测器5接收其不同波长的辐射光能量，通过电路系统6中处理器用黑体辐射理论公式计算，可以计算得到辐射能比值，根据辐射能比值与温度之间的对应关系，给出测试的温度值，通过测试出的温度值，计算出单波长辐射能测温所需的修正系数，利用修正后的单波长辐射能可以得到低温范围内的温度值。再由显示系统7显示被测物体的实时温度值。

实施例二：

实施例二与实施例一相同，所不同的是被测物体1发出的辐射光首先经过分光镜8分成两个光束，分别经过滤波片9、滤波片10滤光，再通过一个带有通光孔和反射镜的调制盘11，投射到光电探测器5上。

实施例三：

实施例三与实施例一相同，所不同的是被测物体1发出的辐射光经分光镜12分成独立的两束光束，经过两个不同波长的滤波片13、14分成两个不同波长的光束后分别由光电探测器15、光电探测器16接收其光能量。

Claims (2)

1.一种实时测量温度的方法,其特征在于测量温度包含以下步骤：被测物体所发出的辐射光通过分光机构得到两个或两个以上不同波长辐射光束，采用多波长测试与单波长测试相结合，利用多波长测试得到的已知温度点来确定单波长温度测试所需的修正系数，所述分光机构为装有不同波长滤波片的调制盘，或者所述分光机构由分光镜和滤波片组成，由光电探测器接收不同波长的辐射能量，得到辐射能比值，根据黑体辐射理论公式计算相应的温度值，以高温范围内辐射能比值所测定的温度值为基准获得单波长辐射能测温所需的修正系数，在高温段用多波长的测试方法进行测温，同时得到单波长测量所需的修正系数，利用修正后的单波长辐射能计算得到低温范围内的温度值。

2.根据权利要求1所述的实时测量温度的方法，其特征在于所述光电探测器为一个或多个。