光谱光电高温计的波长和带宽参数对温度测量准确度的影响

1　引　言

    红外温度计是通过测量物体的热辐射来间接测量温度的仪器,属于非接触型测温仪,广泛应用于各种高温(-50~3500℃)作业环境的远程温度测量。为降低 成本,国外钢铁冶炼、热轧、化工等工业中早已用红外温度计取代了热电偶;而国内钢铁冶炼、化工等工业用红外温度计测温正处在起步阶段。使用红外温度计与被 测对象一起构成在线、智能自控、恒温系统,已成为必然发展趋势。

    红外温度计按照工作方式可以分为隐丝式高温计、双色高温计、全辐射高温计、光电高温计、双波长高温计和多波长高温计[1]。前两者需要操作者通过眼睛的判 断来确定温度,属于手动高温计。在自动高温计中,双波长和多波长高温计有着很高的测量精确度,但价格昂贵,通常作为检定或校准其他高温计的标准;全辐射高 温计和宽带光电高温计相对便宜,但测量准确度低;而光谱光电高温计价格适中,测量响应时间非常短,选择合适的光谱波长和带宽并进行校正后可以得到较高的测 量准确度,因此广泛用于钢铁工业生产中对温度的实时监测。本文就光谱波长和带宽的选择、对光电高温计测量准确度的影响做了相应的研究,并给出了几种实用方 法可用来减少环境对测温准确度的干扰。

2　光谱光电高温计的测温原理

    光谱光电高温计是使用带通光学滤波片和光电探测器并根据普朗克热辐射定律来测量物体温度的[2],其原理如图1所示。

    物体局部面积S内的热辐射光线被光电高温计的光学系统收集并投影到光电探测器上,其有效探测面积内的光谱辐射量Φ(λ)(单位是瓦每微米,Wμm^-1)被转换成光电流I:

其中λ是波长(单位是微米,μm),λ2和λ1则分别是带通波长的上、下界,T是绝对温度(单位是开尔文,K),R(λ)是光电探测器的光谱响应率(单位是安每瓦AW^_-1),Ω为光学系统的立体角,Γ(λ)则是光学系统的光谱透射率,L(λ,T)为被测物体的光谱辐射亮度(单位是瓦每球度平方米每微米,Wsr^-1m^-2μm^-1)。

    对于黑体辐射,其光谱辐射亮度由普朗克定律[3]给出:

其中h为普朗克常数,k为波尔兹曼常数,c为光速。图2为黑体辐射的光谱辐射亮度在不同绝对温度下与波长的关系。根据以上两式可以得到光电流I与黑体辐射温度T的对应关系,并以数值列表形式储存在高温计的信号处理单元,根据探测到的光电流可以直接显示出温度。

3　光谱波长和带宽对测量准确度的影响