一种高温物体温度在线测量仪

　　1　引　　言

　　理论和实验均已证实,在同一波长、同一表面位置处于不同的温度下进行高温物体的比辐射率测量,所得结果可能会相差很大[1];即使波长、测量位置及温度都相同,而测量的外部环境不同(如在H2+N2构成的还原气氛中及在空气中)、或者待测表面的状态(如表面的氧化度与粗糙度等)不同,其结果也可能有较大的差异[2]。因此,在考虑待测表面的全部当前情况(如波长、温度、环境的辐射与反射、测量角度、表面组分、氧化度及粗糙度等)下实时、准确地测出比辐射率,对准确测温具有十分重要的意义[1,2]。

　　文献[3]介绍了一种利用0.81μm的激光作为光源实现的实时在线测量高温物体比辐射率的系统。该系统只有与单色辐射能测量系统相配合,才能测出待测物体的真实温度。一方面,该系统与单色辐射能测量系统彼此独立,难于同时瞄准同一位置;另一方面,又要求与该系统配合使用的单色辐射能测量系统必须有与之相同的工作波长,因而应用中存在着一定的困难;文献[4]对文献[3]进行了改进,利用同一系统同时测出了比辐射率及温度。但由于该系统采用了水冷遮蔽板来抑制外界光干扰,因而在测量静止的、或者慢速运动的高温物体的温度时,高温物体有被水冷却的危险,所以实际应用中仍存在一些问题;文献[5]介绍的一种利用被动红外实现的同时测量高温物体的温度及比辐射率的系统,虽也克服了文献[3]的不足,但在抑制外界光干扰时由于仍采用了水冷遮蔽板,因而在实际应用中存在着与文献[4]相似的问题。

　　针对文献[3,4,5]的弊端,本文利用遮蔽板作为标准噪声辐射源取代水冷遮蔽板,在文献[5]的基础上提出了一种能同时精确测量比辐射率及温度的系统。误差分析表明,该系统对比辐射率及温度测量的标准误差及相对误差均令人满意。

　　2　原　　理

　　2.1　比辐射率的测量

　　如图1所示,遮蔽板放置在高温物体待测表面的正对面。遮蔽板在遮住高温物体及背景目标发出的变动杂散光的同时,本身也构成了一个标准噪声辐射源。将反射镜与探测器1对称地置于被测物体表面法线的两侧,并使其夹角尽量小。当反射镜前面的扇形板闭合时,探测器1接收到的能量仅由高温物体的辐射能ελL′λ及标准噪声辐射源的辐射能P3经待测表面反射后进入探测器1的部分γ1βP3组成:

　　扇形板开启时,目标待测区域射到反射镜的红外辐射大部分又被反射镜反射回到待测区域。射到反射镜的辐射能由高温物体的辐射能ελL′λ及待测表面对标准噪声辐射源的辐射能P3的反射能γ1βP3组成。因此,反射镜反射回到待测区域的单色辐射能P1′为: