常低温辐射温度测量的理论研究

    引 言

    辐射测量是基于物体的热辐射。鉴于物体在任何温度下都存在热辐射，因而在理论上可以利用辐射测定自然界所能遇到的各种温度；又由于辐射测温仪表不直接与被测物相接触，这样测量传感器不会改变被测对象的温度场分布，也不会受到工作介质的影响，而且不必与被测对象达到热平衡，因此它特别适合于被测物体表面温度的非接触测量。此外，辐射测温元件的响应时间很短，因而它便于进行动态、瞬态的温度测量。

    正是由于辐射测温具有这么多的优点，使得它在高温领域获得了极为广泛的应用，但是，由于常低温的测量更接近人们的日常生活，很多生产实践中需要进行常低温温度测量，如造纸工业中的烘干、印染、成型；塑料薄膜定型；金属冷轧、涂层、镀膜;食品生产等，用常规的接触测量的方法是不够好的，这时辐射测量的方法显然具有无比的优越性。可以预见，辐射测温在常低温领域同样具有极为广阔的应用前景。但是，目前辐射温度的测量还存在着许多困难[1]，如它通常是选定长波长的辐射测量，而适于长波长辐射测量的传感器非常少，这就使得开发常低温领域的辐射测温费用较高；再者，由于被测物体并非绝对黑体，辐射测量得到的结果只是被测对象的假定温度，而不是真实温度，为了得到真实温度，必须用发射率进行校正，从而增加了温度测量的复杂性。本文将在下面论述辐射温度测量的原理，并就其中发射率的校正、校正误差和定标计算等作详细地分析。

    1 辐射测温的原理和系统构成

    热辐射是由组成物质的微观粒子（分子、原子、离子和电子）等热激励后能态之间的跃迁而发射出来的电磁辐射，热辐射定律定量地描述黑体辐射特性与其温度和波长之间的关系。由普朗克公式，温度为 T的黑体，它所辐射的波长λ 和光谱辐射出射度 M(λ,T)的关系是

    h 为普朗克常数， k 为玻耳兹曼常数，它也可以写成

其中 C₁,C₂分别为第一、第二辐射常数,C₁=2πhc₂=(3.7415±0.0003)×10⁸W·m₂,C₂=ch/k=(1.43879±0.00019)×10⁴μm·K，图 1 给出了不同的绝对温度 T 时黑体的光谱辐射度曲线。

   维恩定律指出光谱辐射出射度峰值对应的波长λ_m与辐射体的绝对温度 T 之积等于一定值λmT=b

        b =2.8978× 10^-3mK    （3）

    如果λT＜λ_mT，普朗克公式可以近似为

    高温区域用的大多数辐射测温采用上式选择辐射测温波长，在常低温时，从图 1 中可以发现，当λ＜λ_m时,谱辐射率将发生急剧下降，如 T=100oC 时，如果λ＜4μm，则辐射率将非常小，因此，常低温辐射测温利用长波长的辐射（一般λ=7～12.5μm 或者λ=8～14μm）[2]。用这种辐射测温方法测定的辐射率和温度的关系,用下式表示