亮度温度计的使用注意事项
仪器网 · 2012-07-14 23:41 · 43797 次点击
A非黑体辐射的影响
亮度温度计是按黑体分度的,由于被测物体是非绝对黑体,所以测得物体的亮度温度总是低于真实温度。要得到真实温度,需按式(2-108)进行修正。其前提是获得光谱发射率的准确值,即亮度温度计的准确度取决于光谱发射率的准确性。
材料发射率的影响因素
(1)波长。材料的光谱发射率与波长的关系特性大致可以分为两种情况:金属的光谱发射率随着波长的增大而减小;而非金属材料包括某些金属氧化物的光谱发射率则随着波长的增大而增大。此外,某些半透明材料(例如塑料)的光谱发射率的变化表现出很强的不规则性,它们在很窄的光谱区域内可能会出现若干峰值与谷值。与此相反,有些材料(例如碳化物)却表现出非常有规律的特性,而且其光谱发射率与波长之间没有十分明显的依赖关系。
(2)温度。金属与非金属(包括金属氧化物)材料发射率与温度之间的变化规律也是相反的。金属的发射率随着温度的升高而增大;非金属的发射率则随着温度的升高而减小。一般来说,光谱发射率与温度之间的依赖关系不是很强,但也不能忽略。相比较而言,全波长发射率的这种依赖关系通常比光谱发射率强。
(3)表面条件。表面粗糙度、氧化层以及表面结构上的缺陷对金属材料发射率的影响很大。通常发射率随着粗糙度和氧化程度的增加而增大。然而,薄氧化层(例如它的厚度约等于波长)的影响对波长是有选择性的。也就是说,在有些波长下,这种影响较大;而在另一些波长下,该影响可能较小。当使用比色温度计时,必须考虑到这种影响,否则将会导致很大的测量误差。一般,非金属材料受表面条件的影响较小。
(4)发射角。发射角是指发射方向与材料表面的法线之间的夹角。对于发射率与发射角之间的依赖关系,金属材料要比非金属材料强。光滑金属表面的定向发射率随着发射角的增加而增加,直到接近90”时为最大。与此相反,非金属的发射率一直到大约700的发射角还保持不变,之后随夹角的增大而减小。但是,当金属的发射角为90。以及非金属的发射角大于700时,它们的发射率就急剧下降至零。
(5)偏振状态。对于有些材料,主要是表面经抛光的金属材料,它们的辐射是部分偏振的,而且其发射率与偏振状态有关。然而,这种现象一般不会对实际测温产生很大的影响。由于光谱发射率e*受波长、物体的表面情况以及物体温度的高低等因素的影响,不可能是一个常数,因此各种材料发射率表所列数值是近似的,仅供参考,可用于一般工业测温中。对要求高准确度的场合应测量发射率或用热电偶进行现场校对。
b人造黑体空腔
为消除E入的影响,可以人为地创造黑体辐射条件,即人造黑体空腔。如一般均在较大的密闭空腔上开一个小孔,这样经过小孔进人容器的射线都要经过多次反射之后才有极少数的射线能逸出,人造黑体空腔辐射特性非常接近于黑体辐射。典型的黑体空腔包括:
(1)圆筒形(带盖或不带盖);(2)圆锥一圆筒形(带盖或不带盖);(3)内凸圆锥一圆筒形(带盖或不带盖);(4)双锥形;(S)带盖锥形;(6)球形。
黑体空腔在辐射测温中有着广泛的应用。不仅可提高辐射温度计的准确度,而且在建立基准、标准和检定与分度辐射温度计方面发挥着重要的作用。例如:欲测量熔化金属的溢度,可将封底的陶瓷管放在熔化的金属内,在充分受热后,就可以近似认为这个管子底部的辐射是绝对黑体。要得到足够的黑度,管子的长度与管子的内径之比不得小于10
发射率的计算
应该指出,辐射测温中所要求的黑体模型与物理学的黑体模型有所不同。后者只允许开一个很小很小的孔,以至于从小孔中逸出的能量小到可以忽略不计的程度,即黑度系数几乎等于1。而测温中的黑体模型一般都有一定大小的开口,以便由探测器进行检测,因此由小孔逸出的能量不能忽略不计,重要的是要得出实际的空腔发射率的数值。因此,实际的黑体空腔并不要求其黑度系数非常接近于I,而往往是要求能准确地知道它的黑度系数。确定发射率是一项困难的工作,通常采用理论计算的方法。主要有:
(1)多次反射理论。多次反射理论主要有两种方法:Gouffe方法和DeVos方法。前者适用于低温球形空腔,而后者则适用于任意形状的腔体以及非等温空腔。
(2)积分方程理论。积分方程理论由Buckley-Sparrow提出,适用于各种典型等温腔体和非等温腔体的有效发射率计算。之后,Bedford和Ma提出了梯形区域的近似解法,大大简化了原有计算。我国高魁明、谢植教授提出的矩形区域近似解法,又进一步改进了积分方程理论的
计算方法。
(3)Mont-Carlo理论。Mont-Carlo理论主要是通过对黑体空腔内大量发射点的热辐射过程的跟踪计算,来建立随机过程模型,从而运用统计方法求得腔体的发射率。这种方法不仅能计算等温腔体与非等温腔体的发射率,而且也能计算沿腔体的发射率分布。它适用于镜、漫反射体。
B工作波段的选择
对亮度温度计,工作波段的选择是很重要的。使用时,应该遵循下列准则:
(1)对于金属材料,它们的光谱发射率随着波长的增大而减小,因此选择短波是有利的。
(2)对于大多数玻璃和某些陶瓷材料来说,它们在短波下是部分透明的,从而难以测量。因此,选择较长的工作波长对于这些材料的准确温度测量是必须的。
(3)塑料材料的光谱发射率曲线表明,它们在红外区域内的一定波长下具有峰值。因此,工作波段应选择在峰值波长附近。
(4)在低温测量中,由于辐射能量很小,所以必须要考虑大气吸收。在一定光谱区域内,大气吸收为最小,因此常选择该区域作为工作波段进行测量。该区域的波长范围大约是8-145m,也称为“大气窗口”。
C中间介质吸收的影响
理论上光学高温计与被测目标间没有距离上的要求,只要求物像能均匀布满目镜视野即可。但实际上其间的灰尘、烟雾、水蒸气和二氧化碳等对热辐射均有散射效应和吸收作用,从而使测是值偏低。相反,外来反射光线(如日光、火焰、强的照明光等)可使测址值增加。所以实际使用时,为减少外来光的干扰,可对温度计采用遮光装咒;为减少中间介质的吸收,光学高温计应距被测物体不宜太远,一般在!-2m内比较合适。
D周围环境的影响
工业用亮度温度计通常在10一50℃环境温度下使用,否则标准灯会受环境温度影响产生较大误差。仪表内部可调线圈电阻也会随温度变化产生附加误差。此外,温度计工作现场应避免有强磁场的干扰。
E被测对象
亮度温度计不宜测量反射光很强的物体;也不能测址不发光的物体。
E其他
对光电高溢计,由于标准灯和光电器件的特性有较大的分散性,使器件互换性差,因此在更换标准灯和光电器件时需要重新进行调整和分度。另外,流过标准灯的电流方向应与分度时保持一致。
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