“測(cè)量溫度”體溫、空氣溫度、熱水溫度、室內(nèi)溫度等。
我們每天都會(huì)測(cè)量各個(gè)地方的溫度,并查看測(cè)量的溫度值。 那么如何測(cè)量溫度呢?
首先,溫度到底是什么?
溫度是與物體中分子和原子的平均動(dòng)能成正比的量。 換句話(huà)說(shuō),溫度是動(dòng)能的強(qiáng)項(xiàng)之一,能量強(qiáng)則溫度高,能量弱則溫度低那么如何測(cè)量溫度呢?
溫度是通過(guò)將被測(cè)物體的熱量傳遞到溫度傳感器來(lái)測(cè)量的。 傳熱現(xiàn)象有三種:(3)熱傳導(dǎo),(<>)熱輻射,(<>)對(duì)流。
首先,(<>)熱傳導(dǎo)是指振動(dòng)能量從高溫物體傳遞到低溫物體。 測(cè)量空氣溫度的“溫度計(jì)”、測(cè)量體溫的“溫度計(jì)”等,可以通過(guò)將周?chē)目諝鉁囟群腕w溫傳導(dǎo)到溫度計(jì)并成為與溫度計(jì)相同的溫度來(lái)讀取溫度。 接觸式溫度計(jì),例如熱電偶,稱(chēng)為溫度傳感器,使用這種熱傳導(dǎo)來(lái)測(cè)量溫度。
(<>)熱輻射是電磁波從高溫物體向低溫物體的傳遞。 使用熱輻射進(jìn)行溫度測(cè)量是一種輻射溫度計(jì),它捕獲從耳朵內(nèi)部發(fā)出的熱能,并像“耳溫計(jì)”一樣以非接觸方式測(cè)量溫度。
剩余的(<>)對(duì)流是物體本身在空間溫度分布上的運(yùn)動(dòng)。 由于測(cè)量目標(biāo)與溫度傳感器之間難以建立穩(wěn)態(tài)關(guān)系,因此不采用對(duì)流進(jìn)行溫度測(cè)量,并且經(jīng)常使用上述熱傳導(dǎo)和熱輻射。
熱輻射(紅外線(xiàn))
熱輻射跨越紫外線(xiàn)~可見(jiàn)光~紅外線(xiàn)區(qū)域(圖1)。 熱輻射定律是由普朗克(普朗克輻射定律)制定的。
從下圖(圖2)可以看出,首先,隨著物體溫度的升高,物體發(fā)出的熱輻射能量變強(qiáng),其次,隨著物體溫度的升高,熱輻射能量的波長(zhǎng)分布向短波長(zhǎng)側(cè)移動(dòng)。
為什么輻射溫度計(jì)有用?
可以進(jìn)行高速溫度測(cè)量 使用
熱傳導(dǎo)進(jìn)行溫度測(cè)量是一種通過(guò)捕捉作為傳感器的物體的各種屬性的變化來(lái)確定溫度的方法,當(dāng)被測(cè)物體與作為溫度傳感器的物體之間的接觸發(fā)生熱傳導(dǎo)時(shí),作為傳感器的物體的溫度變得與作為目標(biāo)的物體的溫度相同。 另一方面,輻射溫度計(jì)可以高速測(cè)量溫度,因?yàn)闊彷椛湟怨馑賯鞑ァ?/span>非接觸式溫度測(cè)量 非接觸式溫度測(cè)量的
優(yōu)點(diǎn)包括“遙測(cè)”和“不引起熱干擾的測(cè)量”。
“遙測(cè)”包括“遠(yuǎn)距離測(cè)量”,例如從地面測(cè)量云的溫度,“隔離測(cè)量”,例如通過(guò)窗戶(hù)測(cè)量爐內(nèi)的溫度,“移動(dòng)物體測(cè)量”或“高溫物體測(cè)量”,其中傳感器部分在使用熱傳導(dǎo)的溫度計(jì)中熔化。
另一方面,“不引起熱干擾的測(cè)量”是指在使用熱傳導(dǎo)的溫度計(jì)中,由于傳感器部分與測(cè)量目標(biāo)的接觸(引起熱干擾的測(cè)量),測(cè)量目標(biāo)的溫度會(huì)發(fā)生變化,并且可能無(wú)法進(jìn)行精確測(cè)量,而在輻射溫度計(jì)的情況下,可以在不改變測(cè)量目標(biāo)溫度的情況下進(jìn)行測(cè)量。 因此,它對(duì)薄膜等“小熱容物體測(cè)量”和金屬的“表面溫度測(cè)量”是有效的。
發(fā)射
發(fā)射率是物體與整個(gè)輻射器的熱輻射之比。 發(fā)射最多輻射的理想物體的發(fā)射率為1,稱(chēng)為“輻射器”或“黑體”。 不發(fā)射任何輻射并反射周?chē)鸁彷椛涞奈矬w的發(fā)射率為 0,稱(chēng)為鏡面體。 普通物體的發(fā)射率在 0 到 1 之間。 金屬的發(fā)射率往往隨著測(cè)量波長(zhǎng)的縮短而升高,而隨著波長(zhǎng)的延長(zhǎng)而降低。 即使使用相同的材料,該值也會(huì)根據(jù)表面的特性而變化,例如當(dāng)表面粗糙時(shí),發(fā)射率往往很高。 另外,我在《熱輻射》中談到的普朗克輻射定律,是建立在物體是黑體的前提之上的。能量強(qiáng)度類(lèi)型 從整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的積分值確定溫度的能量強(qiáng)度類(lèi)型稱(chēng)為“總輻射溫度計(jì)”(
能量與熱力學(xué)溫度的四次方成正比的類(lèi)型)。 在實(shí)踐中,由于檢測(cè)元件和光學(xué)材料的波長(zhǎng)選擇性等限制,很難測(cè)量整個(gè)波長(zhǎng)范圍,因此有必要限制有利于測(cè)量的測(cè)量波長(zhǎng),例如在一定程度上使用大氣窗口,這被稱(chēng)為“寬帶輻射溫度計(jì)”。 此外,從單一波長(zhǎng)的輻射能強(qiáng)度獲得溫度的能量強(qiáng)度類(lèi)型稱(chēng)為“單色溫度計(jì)”,從相對(duì)較窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能量強(qiáng)度確定溫度的類(lèi)型稱(chēng)為“窄帶輻射溫度計(jì)”。波長(zhǎng)分布型 在“波長(zhǎng)分布型”中,測(cè)量?jī)蓚€(gè)波長(zhǎng)的輻射能以捕獲波長(zhǎng)分布并從比率測(cè)量溫度的類(lèi)型稱(chēng)為
“雙色溫度計(jì)”。
輻射溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)
輻射溫度計(jì)由三個(gè)部分組成:一個(gè)是抓取光的“聚光系統(tǒng)”,一個(gè)是將抓取的光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的“光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”,另一個(gè)是將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)輸出為與溫度相對(duì)應(yīng)的信號(hào)的“電氣系統(tǒng)”。定焦和可移動(dòng)焦距
根據(jù)輻射測(cè)溫儀與被測(cè)物體之間的距離對(duì)鏡頭進(jìn)行對(duì)焦的稱(chēng)為可動(dòng)焦型,不需要對(duì)焦的稱(chēng)為定焦型。
被測(cè)物體的大小和距離
通過(guò)檢查輻射溫度計(jì)與被測(cè)物體之間的距離以及被測(cè)物體的大小來(lái)選擇模型。 測(cè)量直徑的 1.5 倍或更多是與被測(cè)物體尺寸關(guān)系的準(zhǔn)則。 在可移動(dòng)焦點(diǎn)式輻射測(cè)溫儀中,測(cè)量距離/測(cè)量直徑稱(chēng)為距離系數(shù),如果要在10mm的距離處測(cè)量1000mm的幅度,則選擇距離系數(shù)為100的輻射測(cè)溫儀。 距離系數(shù)有 50、100、200、300 等。 目標(biāo)尺寸低至2mm,如果要使其更小,可以使用特寫(xiě)鏡頭。 對(duì)于定焦紅外測(cè)溫儀,格式是從目標(biāo)大小和距離之間的關(guān)系圖中選擇的。傳感元件
“光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”將聚光系統(tǒng)(透鏡、反射鏡、光纖)捕獲的光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 該設(shè)備稱(chēng)為傳感元件。 檢測(cè)元件有兩種類(lèi)型:光電型和熱電型,前者利用光信號(hào)引起的元件電性能的直接變化,后者將光信號(hào)作為熱量,利用熱變化。分類(lèi) | 原則 | 波長(zhǎng)特性 | 反應(yīng) | 檢測(cè)元件典型案例 |
---|---|---|---|---|
熱電的 | 光→熱→電 | 扁平形狀 | 慢 | 熱釋電元件(PE),熱電堆 |
光電式 | 光→電 | 山形 | 快 | PbSe、PbS、Ge、MCT、InGaAs、Si |
一體式透鏡式和光纖式
輻射溫度計(jì)通常有一個(gè)聚光透鏡(聚光系統(tǒng)),用于捕獲與主體(光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)+電氣系統(tǒng))集成的熱輻射,但也有一種光纖類(lèi)型,其中聚光鏡與主體分離,并用光纖連接它們。 光路彎曲靈活、能夠在不易受電磁感應(yīng)影響的防爆環(huán)境中使用等特點(diǎn)。缺乏視力
如果障礙物進(jìn)入輻射溫度計(jì)的測(cè)量路徑,熱輻射能會(huì)降低,從而導(dǎo)致指示誤差。 這稱(chēng)為視野不足。
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