CN201053903Y - 一种红外测温中测量辐射率的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于非接触式测量仪器，涉及一种红外测温中测量辐射率的装置，光学接收器、光电转换单元、前置放大单元、信息处理单元及显示单元，光电转换单元第二输入端与光学接收器的第一输出端连接；前置放大单元第三输入端与光电转换单元第二输出端连接；信息处理单元的第四数据输入接口与前置放大单元的第三输出端连接；显示单元第五数据输入接口端与第四输出数据接口连接。在光电转换单元与前置放大单元通过平衡法抵消温度变化带来的影响。采用光学法对光学接收器的感光能力进行量化识别，达到严格筛选，使得本机在环境温度大幅度变化时，测量精度不受影响。用于高温冶炼炉、高温隧道炉、窑炉、高温燃烧室及高精度测温的高温环境。

Description

一种红外测温中测量辐射率的装置

技术领域

本实用新型属于非接触式测量仪器，涉及红外测温装置，具体涉及一种测量辐射率的装置。

背景技术

热辐射的温度测量，因其测温范围宽(-50℃-3000℃)速度快，能实时显示，可非接触测量等优点。早已广泛应用于钢铁冶炼，陶瓷制造，轻工食品，玻璃制造，晶体生长等领域。现有的红外测温仪都是根据热辐射的定律来设计的，先把实际物体看成黑体测量其温度，然后再按灰体进行辐射率的修正。理想黑体是能够完全吸收入射辐射并且有最大的辐射率的物体，定义其辐射率为1。实际存在的被测物体称为灰体，它的吸收率和辐射率都比理想黑体小，而且是一个随被测物体而变的复杂函数。所以现在的红外测温仪都要进行辐射率的修正。被测物体辐射率的修正，是基于对一些金属和金属氧化物高温下的辐射率研究的经验数据确定的。

辐射率随温度和材料成分变化是很大的，要想把各种物体的辐射率修正准确，是很困难的。所以目前红外测温仪的最大问题是辐射率修正不准，使测温精度不高。理想黑体的物理模型可以用普朗克(Planck)公式来描述：

$\mathrm{\φ}(\mathrm{\λ},T)=C_1{\mathrm{\λ}}^{-5}{(e^{c_2/\mathrm{\λT}}-1)}^{-1}$

式中φ(λ，T)为黑体辐射光谱功率密度，单位为瓦.厘米².微米^-1；C₁＝3.7415×10^-12瓦.厘米²为第一辐射常数，C₂＝1.43879厘米；K为第二辐射常数，λ为光谱辐射的波长，单位为微米，T为黑体温度，单位为K。在λT＜3000μm.K时普朗克公式可以简化为维恩(Wien)公式：

$\mathrm{\φ}(\mathrm{\λ},T)=C_1{\mathrm{\λ}}^{-5}{e}^{-c_2/\mathrm{\λT}}$

式中各参数的定义与普朗克公式相同。为了应用的方便，很多情况下都可以使用维恩公式。被测量的实际物体，辐射率都比黑体小称为灰体。灰体的物理模型为：

式中

为灰体辐射光谱功率密度，σ(λ，T)为灰体的辐射率，0＜σ(λ，T)＜1。

式中可见，当波长一定时，辐射能和温度关系也就是确定的。问题是在实际测量中，接受器件对应的波长不是纯单色，而是有一定的波带宽度，势必造成对精度的影响，也就是说——波带宽度越窄，测量精度越高。

目前测温仪都面临着辐射率修正的问题，因为σ(λ，T)不仅是灰体波长和温度的函数，然而辐射率系数是受着被测物体的波长、温度、材料、表面特征等多种因素影响的复杂变量；人们长期以来只凭经验去修正，随机性很大，这就是红外测量难以提高精度的原因。特别是对2000℃以上的高温，测量精度更差，一般来讲测温偏差最低也在30℃以上(甚至可达上百度)，也就是在1-1.5％以上。很难得到精确值，这就限制了测温仪的测温精度。

通常红外测温的模式，使用一个光电传感器对准被测目标，用以接收目标发出的辐射能，通过光电转换形成电信号，再由信号处理技术处理后送入计算机，按普朗克公式或维恩公式计算出相应的温度值，最后在显示器上显示出来。

综上所述：

第一个影响精度的是接收元件的带宽，它不是纯单色，必然引入误差。

第二影响因素就是辐射率系数修正，如何使之更为精确，成为问题的关键。

第三个因素就是我们用来作为标准的温标传递是否准确。这些都会给测量精度带来不可避免的影响。

实用新型内容

目前红外测温仪普遍存在的问题是测量精度不高，因此，在要求精度很高的场合，使其应用范围受到限制，为了解决现有技术精度不高的问题，本实用新型的目的是要对辐射率进行精确测定，以提高红外测温仪的测温精度，为此，本实用新型提供一种红外测温中测量辐射率的装置。

为了实现所述的目的，本实用新型提出红外测温中测量辐射率的装置的技术方案如下所述：

光学接收器具有接收被测物体发射光谱辐射能的第一输入端和第一输出端；

光电转换单元具有光谱辐射能信号第二输入端和调节处理的光谱辐射信号的第二输出端，光电转换单元的光谱辐射能信号第二输入端与光学接收器的第一输出端连接；

前置放大单元具有温度补偿第三输入端和增益调节第三输出端组成，前置放大单元的温度补偿第三输入端与光电转换单元调节处理的光谱辐射能信号第二输出端连接；

信息处理单元具有第四数据输入接口和第四输出数据接口，信息处理单元的第四数据输入接口与前置放大单元的增益调节第三输出端连接；

显示单元具有第五数据输入接口端与信息处理单元的第四输出数据接口连接。

所述光学接收器包括：滤光器和光路调节及处理器，滤光器接收被辐射体发射光谱辐射能，滤光器的输出端与光路调节及处理器的输入端连接，光路调节及处理器调节处理的发射光谱辐射能输出到光电转换单元。

所述滤光器采用具有单色光的半导体材料制成。

所述光路调节及处理器采用两只具有单色波长、相同带宽的半导体光电二极管。

所述前置放大单元包括：温度补偿及平衡放大器和增益调节及辅助输入器件，温度补偿及平衡放大器的输出端与增益调节及辅助输入器件的输入端连接。

所述信息处理单元采用微型计算机系统或可编程控制器和微型计算机系统。

本实用新型的积极效果：

根据上面所述影响精度的三要素，本实用新型通过测量物体发射出的红外辐射能量，运用热辐射定律确定该物体温度。解决了现有红外测温技术中，辐射率修正引起的测温不准确，测温精度低的问题，现有高温测温精度仅为1-1.5％，本实用新型提出了有针对性和创新性的改进措施，精确测量辐射率，使测温仪的精度达到(具有突破性的)一个数量级的提升。本实用新型的产品在静态情况下实测精度达到0.1％；在动态情况、并且光路有轻度污染的条件下，测量精度仍能达到0.2％-0.5％。例如：在炼钢炉现场测量炉内温度为1000-1700℃，而且在有一定烟尘干扰的环境下，测温的偏差值均在2℃-5℃之间，这对红外测温而言无疑是一个飞跃。本实用新型的红外测温仪系列产品中的FG-1型即为适用于高温段的红外辐射测温仪。在恶劣的现场环境下，针对具体的被测物体情况，给出新的测温方案。因此，它有更广泛的应用领域，特别是高精度的测温，它有更大的优越性。本实用新型的潜力在未来的实际应用中，会不断的显现出来。可以实现温度的自动控制，存储和实时显示，在今后的工业智能化方面有着重要意义。

现今高温行业，要求高精度的测温时，一般采用热电偶方式，虽其精度能满足要求，但其缺点也很突出，使用时只显示一个温度点，然后就报废，是个消耗型产品，经济损耗较大；其次是使用起来很不方便，以炼钢为例，近距离插放热电偶是个很危险的操作；再者由于热电偶反应慢，不能实时采集数据，所以往往依靠人的经验加以辅正，在科技不断发展的今天，这种状况必有所改变。

如今，本实用新型红外测温仪，经在炼钢厂试验证明，其精度完全达到了与热电偶相比美，而其优点不单是减轻工人负担、实用、安全可靠；而且能实时采集系列数据，与计算机联机，则可实现人机对话，可以长期地存储大量的数据资料，这给从事研究和改进产品质量，提供了极大的便利。它适用于高温冶炼炉、高温隧道炉、窑炉、高温燃烧室及其他一切要求高精度测温的高温环境。它给高温行业提供了更为科学的工具。在光电转换单元与前置放大单元采用了通过平衡法抵消温度变化带来的影响。采用光学法对光学接收器1的感光能力进行量化识别，达到严格筛选，因而使得本机在环境温度大幅度变化时，测量精度不受影响。

通过大量的现场试验，证实了本实用新型采用单色性良好的光学接收器，不但电路简单，而且工作特别可靠。

本实用新型光学接收器采用单色波长的滤光器和光路调节及处理器，使得本实用新型产品精度大大超出了现今市场提供的传统手段的产品。

本实用新型是用模拟电路和数字电路构成的光电转换单元，信号信息处理单元精确算出被测物体的辐射率，达到提高测温精度和扩大红外测温仪的应用范围的目的。

附图说明

图1本实用新型红外测温中测量辐射率的装置结构框图

图2本实用新型红外测温中测量辐射率的装置实施例电路图

图3光电转换单元与前置放大单元实施例原理图

图4本实用新型信息处理单元框图

图5本实用新型显示单元流程图

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1本实用新型红外测温中测量辐射率的装置结构框图所示，包括：光学接收器1、光电转换单元2、前置放大单元3、信息处理单元4和显示单元5。

图2本实用新型红外测温中测量辐射率的装置实施例电路图所示：

光学接收器1具有接收被测物体发射红外光谱辐射能的第一输入端和第一输出端；所述光学接收器1包括：滤光器11和光路调节及处理器12，接收滤光器11接收被辐射体发射红外光谱辐射能并滤除干扰波和截止其它波段的光，形成单一波长的光；滤光器11的输出端与光路调节及处理器12的输入端连接，光路调节及处理器12调节处理的发射光谱辐射能通过第一输出端输出到光电转换单元2。光学接收器1的特点：是最大限度的解决了单色波长的带宽问题：如果采用目前市场应用的光学接收器1，为了缩小带宽，本实用新型采用单色滤光半导体材料制成滤光器11，光路调节及处理器12采用单色滤光性能较为理想、相同带宽的的半导体光电二极管。

光电转换单元2具有光谱辐射能信号第二输入端和调节处理的光谱辐射信号的第二输出端，其光谱辐射能信号第二输入端与光学接收器1的第一输出端连接；所述光电转换单元2接收调节处理的光谱辐射能信号，并将光谱辐射能信号转换电信号输出。要提高测温精度和有较宽的测温范围(500℃-3000℃)，红外辐射转换成电压信号的过程中，噪音要很小(＜1μV)，这样当满足信号噪音比

大于2.5时，就能检测出稳定的电压信号。在1μm红外辐射波长的窄带范围内(40nm-200nm)从(500℃-3000℃)辐射的能量变化是很大的，要测出5μV到50mv的信号电压值，再经过100倍放大，送到微型计算机系统。光路调节及处理器12采用一对半导体光电二极管，光电转换单元2的两输入端其中一个接收来自光路调节及处理器12调节处理的发射光谱辐射能信号，另一个不接收任何信号。通过图3所示的电路参数调节，使光电转换单元2在没有接收红外辐射的情况下，输出噪音电压要小于0.1mV。本实用新型电路选择暗噪音二只硅光电二极管的平衡法，在电路中实现消去接收光信号半导体光电二极管的散粒噪音和热噪音。图3中电路可用下面的公式来描述：

$(V_1-V_2)\×(1+\frac{R_1}{R_2}+2\frac{R_1}{R_3})=V_{\mathrm{out}}$

V₁为红外辐射照射的第一光电二极管的电压，V₂为没有光照射的第二光电二极管的电压，V_out是光电转换单元2的输出电压。由于V₁和V₂的相减，当管1也没有红外辐射照射时，因V₁＝V₂光电转换单元2的输出电压为零。当第一光电二极管有红外辐射照射时，光电转换单元2的输出电压为0.5mv至5V，把红外辐射的电压信号放大100倍。

前置放大单元3具有温度补偿第三输入端和增益调节第三输出端组成，温度补偿第三输入端与调节处理的光谱辐射能信号第二输出端连接；所述前置放大单元3包括：温度补偿及平衡放大器31和增益调节及辅助输入器件32串接；温度补偿及平衡放大器31和增益调节及辅助输入器件32将光电转换单元2的电信号进行放大。

信息处理单元4具有第四数据输入接口和第四输出数据接口，信息处理单元4的第四数据输入接口与前置放大单元3的增益调节第三输出端连接；如图4本实用新型信息处理单元电路框图所示：包括：输入信号处理电路41、取样保持电路42、A/D变换电路43、温度光能显示器44、CPU、存储器、I/O接口和数据总线组成，其中：输入信号处理电路41、取样保持电路42、A/D变换电路43和温度光能显示器44依次串联并分别与数据总线连接；CPU、存储器、I/O接口分别与数据总线连接。所述信息处理单元4采用微型计算机系统或可编程控制器和微型计算机系统。

增益调节及辅助输入32的红外光谱辐射能的增益调节电压放大电信号进入输入信号处理电路41、取样保持电路42、A/D变换电路43经过整形、模-数转换等环节，进入CPU、存储器和I/O接口，CPU、存储器和I/O接口与外围设备连接，外围设备包括：信号发生器、电源或终端。

按本装置的专有软件写入的普朗克公式或维恩公式运算，即根据黑体校准的温度和电压、及被测物体的几个标定温度和电压，计算出物体的辐射率系数和温度，进而达到准确修正辐射率的目的。它是通过用实测目标输入的数据，求解出准确的辐射率系数，再由黑体辐射方程式进行计算，以求出实际物体的温度值，并将计算温度值结果通过I/O接口传送到显示单元5，进行实时温度显示。实测温度的存储，自动控制和智能化的其它应用，均可通过人机对话实现，如完成打印、存储、传输等功能。

下面介绍辐射率系数的计算：被测实际辐射物体发射的辐射功率与温度为T的黑体发射的辐射功率相等，T就称为实际物体的亮温。实际物体发射的辐射光谱功率分布与温度为T的黑体发射的辐射光谱功率分布相等，T就称为实际物体的色温。目前红外测温仪都采用黑体校准，只能测出实际物体的亮温和色温，不能测出实际物体的真实温度。

实际物体温度为T时发射的辐射功率，与黑体在温度为T时的发射的辐射功率相等时，黑体的温度就称为辐射温度。假设实际物体的温度为T，黑体的温度为T_b，实际物体的辐射率为σ，按热辐射定律得：

$T_b=\frac{T}{\sqrt[4]{\mathrm{\σ}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\σ}={\left(\frac{T}{T_b}\right)}^4---\left(2\right)$

从(1)式和(2)式可以看出，实际物体的温度和辐射率是密切互相关联的，如果知道物体的辐射率，就可以精确测得物体的温度。反过来如果知道物体的温度，就可以精确测得物体的辐射率。根椐上述辐射率的精确测量方法如下：

(1)在与标准黑体完全相同的条件下，用红外测温仪测量实际物体的辐射强度的一系列信号电压值V₁，V₂，V₃，...；同时测出对应实际物体的一系列温度值T_b1，T_b2，T_b3，...；

(2)用红外测温仪测量标准黑体，使其测出的一系列辐射强度的信号电压值V₁，V₂，V₃，...与实际物体的辐射强度相等。同时测出对应标准黑体的一系列温度值T₁，T₂，T₃，...；

(3)实际物体在不同温度下的辐射率σ由下式可以精确算出：

${\mathrm{\σ}}_1={\left(\frac{T_1}{T_{b1}}\right)}^4,$ ${\mathrm{\σ}}_2={\left(\frac{T_2}{T_{b2}}\right)}^4,$ ${\mathrm{\σ}}_3={\left(\frac{T_3}{T_{b3}}\right)}^4;$

红外测温仪对辐射波长λ₀、带宽为50nm-200nm范围内的实际物体，可以写成

式中为实际物体的光谱辐射通量密度，σ(λ₀，T)为物体在温度T时，波长为λ₀时的辐射率，φ(λ₀，T)为黑体的光谱辐射通量密度。当把光谱辐射强度值转换成电压信号U(λ₀T)时写成：

理想黑体的普朗克公式为：

$\mathrm{\φ}({\mathrm{\λ}}_0,T)=c_1{{\mathrm{\λ}}_0}^{-5}{(e^{c_2/{\mathrm{\λ}}_{0}T}-1)}^{-1}---\left(4\right)$

比较(3)和(4)两式可以看出，如果对被测物体能求得两个常数a₁，a₂的值，取代理想黑体普朗克公式中的c₁，c₂值，则可以算出物体的精确温度。两个常数的解析算法等于求解辐射率系数，及等于求解了辐射率，并使测温精度得到很大提高。

显示单元5具有第五数据输入接口端与第四输出数据接口连接。

如图5本实用新型主体部分流程图所示，数理分析软件特点：

本实用新型利用嵌入式CPU采样速度极快的特点，在实时测量并显示物体温度时，进行多次高速数据采集达每秒上百次。以起始点即首点显示为基准指针，按规则去识别，规则为真假识别：假的去掉后再取平均，违反规则，判定为干扰数值，则再淘汰该数值，通过识别进行取舍之后，将所取得的平均值进行存储和显示。因此不但所得数据极为准确，并使由干扰而引起的误差得以消除。

精确修正辐射率的特点：

本实用新型的创新点之一，最关键技术是精确修正了辐射率。

数理分析软件，将根据系统采集的数据，通过一系列的实用步骤，对热辐射定律方程进行了精确的运算和求解。因为我们准确采集了被实测物体的特征值和温标特征值，输入到计算机求解之后，取得了该物体准确的辐射率，从而得出了被测物体的准确温度。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (6)

1.一种红外测温中测量辐射率的装置，其特征在于，包括：

光学接收器(1)具有接收被测物体发射光谱辐射能的第一输入端和第一输出端；

光电转换单元(2)具有光谱辐射能信号第二输入端和调节处理的光谱辐射信号的第二输出端，光电转换单元(2)的光谱辐射能信号第二输入端与光学接收器(1)的第一输出端连接；

前置放大单元(3)具有温度补偿第三输入端和增益调节第三输出端组成，前置放大单元(3)的温度补偿第三输入端与光电转换单元(2)调节处理的光谱辐射能信号第二输出端连接；

信息处理单元(4)具有第四数据输入接口和第四输出数据接口，信息处理单元(4)的第四数据输入接口与前置放大单元(3)的增益调节第三输出端连接；

显示单元(5)具有第五数据输入接口端与信息处理单元(4)的第四输出数据接口连接。

2.根据权利要求1红外测温中测量辐射率的装置，其特征在于，所述光学接收器(1)包括：滤光器(11)和光路调节及处理器(12)，滤光器(11)接收被辐射体发射光谱辐射能，滤光器(11)的输出端与光路调节及处理器(12)的输入端连接，光路调节及处理器(12)调节处理的发射光谱辐射能输出到光电转换单元(2)。

3.根据权利要求2红外测温中测量辐射率的装置，其特征在于，滤光器(11)采用具有单色光的半导体材料制成。

4.根据权利要求2红外测温中测量辐射率的装置，其特征在于，所述光路调节及处理器(12)采用两只具有单色波长、相同带宽的半导体光电二极管。

5.根据权利要求1红外测温中测量辐射率的装置，其特征在于，所述前置放大单元(3)包括：温度补偿及平衡放大器(31)和增益调节及辅助输入器件(32)，温度补偿及平衡放大器(31)的输出端与增益调节及辅助输入器件(32)的输入端连接。

6.根据权利要求1红外测温中测量辐射率的装置，其特征在于，信息处理单元(4)采用微型计算机系统或可编程控制器和微型计算机系统。

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