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摘要：本文主要介紹了輻射式溫度計的工作原理和特點，以及應用的實踐經驗，著重分析了不同使用環境對輻射溫度計測量精度和測量誤差的影響,描述了在軋鋼廠如何選配合適的輻射式溫度計。
關鍵詞：黑體、輻射式溫度計、 亮度溫度

前言

輻射式測溫儀表是目前冶金行業高溫測量中應用廣泛的一種儀表，主要應用于冶煉、鑄造、軋制、熱處理及耐火材料等生產工序中。物理學中，當任何物體處于絕對零度以上時，因其內部帶電粒子的運動，都會以一定波長電磁波的形式向外輻射能量，但這種能量隨溫度變化按一定趨勢變化。輻射式測溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。在測量時，只需把溫度計光學接收系統對準被測物體（不必與物體接觸），即可測量運動物體的溫度，而不會破壞物體的溫度場。由于測溫儀感溫元件具有接收輻射能而不必達到被測物體溫度的特性，從理論上講測量的物理性是沒有限制的，測量工序中高溫是可行的。

輻射式溫度計由輻射感溫器和顯示儀表兩部分組成，它用來測量400-2000 ℃的高溫，近來隨著紅外技術的發展，測溫的下限己達到常溫區，大大擴展了輻射式測溫方法的使用范圍。

1 輻射式溫度計的工作原理

1.1普朗克定律（單色輻射強度定律）

物理學中，高于絕對零度的物體都具有與周圍物體進行以輻射形式進行交換的能量。某物體一方面向周圍輻射能量，另一方面又吸收來自周圍其他物體的能量。輻射的能量或吸收的能量均是按波長分布的，波長的范圍是0-∞。普通物體在某些波長或波段上輻射或吸收的能量多些，而在另一些波長或波段上少些甚至沒有。為了便于研究，科學家假想出一種理想的物體—黑體，設想其在所有波段上都向外界輻射能量和吸收來自外界的能量。黑體向外界發射的能量W（λ,Τ）,D符合普朗克公式，見式（1）：

式（1）中，C1,C2為常數，λ為波長，T為黑體的絕對溫度。

黑體輻射有如下特性：

①總的輻射出射度W（λT）是隨溫度的升高而迅速增加的，溫度越高則光譜輻射出射度越大。
②當溫度一定時，光譜輻射出射度隨波長的不同按一定的規律變化，曲線有一個極大值λm，當波長小于λm時，輻射出射度隨波長增加而增加；當波長大于λm時，變化規律相反。
③當溫度在高溫波段增加時，光譜輻射出射度的峰值波長會向短波方向移動。

有了黑體的名稱，其他物體就稱為非黑體了。由于現實的被測物體不是黑體，因此按黑體的輻射公式制作的輻射類溫度計，在測量實際物體的溫度時，就存在一個修正問題，通常稱為發射率ε（λ,Τ）修正。這是這類溫度計的一個先天不足地方。實際上物體的發射率ε（λ,Τ）不但與波長λ和溫度T有關，而且還與被測物體的表面狀態有關，如粗糙度。

1.2 斯蒂芬-玻耳茲曼定律

也稱為：全輻射強度定律、四次方定律。該定律指出：溫度為T的絕對黑體，單位面積元在半球方向所發射的全部波長的輻射出射度與溫度T的四次方成正比，見式（2）

σ——斯蒂芬-玻耳茲曼常數，為5.66961×10-3W/（m3K4）

上式（2）就是輻射溫度計測溫的理論根據。全輻射強度定理是單色輻射強度定理在全波長內積分的結果。

2 輻射式溫度計的分類及特點分析

2.1 輻射式溫度計的分類

① 按溫度計所用的波段數量來分類，可分成單波段溫度計、雙波段溫度計和多波段溫度計。
② 按波段的寬窄分類，可分成寬波段溫度計和窄波段溫度計。
③ 按所用波段在光譜中位置分類，可分成短波溫度計和長波溫度計。
④ 按可測溫度的高低分類，可分成高溫溫度計和低溫溫度計。
⑤ 按被測目標的幾何子分類，可分成點溫度計、面溫度計。

每一種分類，除和測溫計的結構及所選用的元器件有關外，都和使用現場有關；現場的安裝、使用如有不當，必定影響生產工序測溫參數的精度。對用戶而言，按不同分類方法選用適用的測溫計是達到生產工序測溫預期目的的首要前提。

2.2 單波段溫度計

這種測溫計的優點是容易做到根據被測對象的光譜特征確定溫度計的工作波段，以取得預期結果。例如玻璃在可見光的波段內是透明的，發射率近于1非常接近黑體，這時選用4.8-5.6 μm波段作溫度計的工作波段，溫度測量精度非常高。而在測量一般不透明物體如鋼板的情況下，選用工作波段處于短波的溫度計較好。

一般的不透明物體的發射率ε（λ,Τ）不為1，且隨波長有明顯地變動，若操作者不知道發射率的具體數值，而人為憑經驗也只能將發射率進行部分修正，但對影響測量結果的發射率的波動部分，尤其是隨溫度變化的部分是難以修正的。一般說來，發射率及其變化對短波溫度計測溫精度的影響小，對長波溫度計的影響大。

2.3 雙波段溫度計

這種溫度計是利用兩個波段上的信號之比值與被測溫度的函數關系進行測溫的，見式（3）:

式中V1和V2分別是第一波段和第二波段產生的信號。從式中可以看出這種溫度計的特點：當兩個波段上的信號同時增加或縮小相同信號數時，比值V1/V2不變，進而溫度計測得的溫度值不變。

這種溫度計的應用場合是：有完全不透明的低溫固體顆粒遮檔被測目標的現場。因完全不透明的低溫顆粒造成V1和V2以相同比例衰減，所以溫度計的示值不變。這是單波溫度計做不到的。但當遮擋目標的顆粒是對波長有選擇性的，即對V1和V2不是等比例衰減時，所造成的測溫誤差將比單波溫度計大得多。

3 輻射溫度計的溫度修正

被測對象為非黑體時，要通過修正才能得到非黑體的真實溫度。對于輻射溫度計，它是以絕對黑體的輻射為基準對儀器進行分度的，所以儀器測出的值稱為輻射溫度。輻射溫度的定義為：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻射能，此時黑體之溫度即為非黑體的輻射溫度。輻射高溫計測量的溫度稱為輻射溫度TF，根據全輻射強度定理，總輻射能相等，見式（4）：

式中T——-非黑體的真實溫度;
TF——-非黑體的輻射溫度;
εT——-非黑體的全輻射黑度系數（與溫度T有關）

因為非黑體εT＜1，則TF＜T。因此用輻射溫度計測出的溫度要比物體真實溫度低。

在不同的使用環境，黑度系數的設置直接影響了測量溫度的準確性，是個參考值。隨著現場環境的不同、介質分布的變化，輻射式測溫儀的測量值波動較大。一般來講，測量鋼板時系數范圍為0.7-0.85，而測量鋁制品一般在0.3-0.6左右。

4 冶金生產中測量誤差存在的原因及其對策

輻射測溫計本身在信號變換與處理過程中不可避免地有機械振動、溫度變化和電磁等方面的干擾。在被測目標的輻射進入輻射溫度計之前各種干擾己經實際存在，這些干擾通常為光路中的干擾、外來光干擾和發射率的干擾等。

原因一:如在鋼板生產過程中，為了軋制機械不粘連、鋼板除鱗等，被測目標表面上停留有水膜，在被測目標表面附近還經常存在著濃度經常變化的水蒸汽等吸收性氣體。這些氣體介質在光路中對來自被測鋼板有輻射能有選擇性的吸收，減弱了入射到溫度計中的輻射能，造成測量誤差。

解決方法:光路中存在有水蒸汽和水膜時，在短波段測量可減小測量誤差，同時引用壓縮空氣吹散水膜，用儀表風清洗光路都是有效的。

原因二:生產現場空氣中懸浮很多塵埃，這些塵埃對輻射能的吸收是沒有選擇性的，并常伴隨有漫射，減弱了入射到溫度計中的輻射能，造成測量誤差。

解決方法:增設空氣流通、潔凈裝置，并保持作業環境整潔使測量環境友好。

原因三:外來光的干擾（指從其它光源主射到被測表面上并且被反射出來，混入測量光的成分）。在測量鋼板表面溫度時，由于白晝光的干擾造成反射，形成測量誤差。

解決方法:安裝測溫儀時要避開陽光和環境照明光的反射位置和角度。對于一些固定的難以避免的光源，應設置遮蔽裝置。

原因四:物體的發射率不僅與溫度、波長有關，而且即使是同一種物質也與其表面粗糙度、銹蝕和氧化程度等因素有關。

解決方法:改進生產工藝，努力提高測量目標的粗糙度、減少測量目標的銹蝕程度、減少測量目標的氧化狀況。

5 熱軋鋼板表面溫度的測量

鋼坯從加熱爐口被推出，經過粗軋的入口和出口、精軋機的入口和出口以及在矯直機的入口和出口，按工藝要求都需設有溫度測量點，作為軋鋼工序的關鍵操作點來測量鋼板的表面溫度。熱軋工序對溫度測量有如下計量要求：

①由于軋制速度快，需選擇響應速度快的輻射溫度計；
②在整個軋制過程中，最初從加熱爐出來的鋼坯到矯直機后，被軋制測量目標的溫度測量范圍一般為500℃-1300℃（高低端溫差大）。
③由于軋制和冷卻多次反復進行，鋼板表面的黑度和周圍水蒸濃度都有一定的變化。要求高低端測量誤差相近。
④帶鋼表面某些局部經常有水膜且水膜的大小和附著點變化無常，并常有鱗片狀的銹、垢和灰塵等附著在鋼板表面上。要求測溫儀有適宜得當的修正。

因此在選用輻射溫度計時應考慮到以上被測目標環境特點和計量要求。經過工作原理比較和實際使用篩選比對，硅光電池光電高溫計具有響應速度快，工作波長短（1μm左右），能躲過水蒸汽主要吸收峰，在1μm以下水膜透過率高等特點，選擇硅光電池光電高溫計測量軋制工序被測目標表面溫度比較適宜。

6 小結

輻射溫度計是一種非接觸式測量儀表，其工作原理是根據全輻射強度定理即物體的總輻射強度與物體溫度的四次方成正比的關系來進行溫度測量的儀表。為在軋制工序現場高溫環境下達到計量要求，在輻射感溫器外加裝水冷夾套是個好辦法。目前這類溫度計的主要難題是還沒有找到從本質上消除發射率和環境介質影響測溫精度的更有效儀表型式和技術措施，有待繼續探索。