数字显示式光学高温计的原理及校验方法的探讨

光学高温计作为非接触式的测温手段，在工业上得到广泛地应用，当测量温度高于热电偶使用上限以及热电偶不适用或不可能安装 的情况下 ，-般可用光学高温计来测量 。

光学高温计是根据普 朗克定律 ，利用热辐射体 的光谱辐射亮度随温度升高而增大的原理，采用亮度均衡法实现温度测量的，光学高温计测得的为亮度温度。

E。(A，T)C。A-5(e -1) (1)式中：c，为第-辐射常数，C 为第二辐射常数 ，A是光谱辐射的波长， 是绝对黑体的热力学温度。

物体的亮度温度的测量是在-指定的波长下进行的 ，光学高温计选用的波长为(0.65±0.01) m，与国家温度量值传递系统规定的基准光学高温计的有效波长相-致 。

光学高温计 中灯泡灯丝通过 电流发光 ，灯丝电流与亮度温度之问存在单值函数关系。在高温计分度时，标准温度灯的亮度温度为已知，由此可以得出高温计灯丝电流与其单色亮度温度之间的特性关系，高温计测量中，就是利用这种特性关系来求得实际物体的1 光学高温计的结构及工作原理光学高温计工作原理框图如图 1所示。

图 1 光 学 高 温计 测量 原理 框 图1.1 光学系统由物镜和目镜组成望远系统。在目镜与观察孔之间有红色滤光片，测量时移人视场，所使用的有效波长A为 0.65 m。从观察孔可同时看到被测物体与灯丝的像，从而能清晰地观察到灯丝的隐灭过程，当灯丝的收稿 日期 ：2013-05作者简介：庄泰华(1962-)，男，工程师 ，主要从事红外测温仪器仪表设计及试验方面的技术工作。

· 10· 仪 表 技 术 2013年第 8期轮廓隐灭于被测物体的影像中时，这时的被测物体与高温计灯泡灯丝具有相同的亮度温度。在物镜与灯泡之间置有吸收玻璃 ，当使用仪表第二量程时 ，转动吸收玻璃扭手，使吸收玻璃移人视场中，用以减弱被测物体的亮度。

1.1.1 红色滤光片在比较亮度时，采用红色滤光片作为单色器 ，来获得较窄的光谱段。红色滤光片的光谱透过系数 r 曲线与人眼的光谱敏感度 曲线的关系如图2所示。

M1.tm图 2 人眼光谱敏感度 和红色滤光片光谱透过系数 曲线从图中可以看 出，透过滤光片后人眼所感觉到的光谱就 剩 相 交 的- 小 部 分 ，该 波 段 的 A为 0.62～0.7 m，称作光学高温计的工作光谱段，它的重心位置为 0.65 m，称为光学高温计的有效波长 。

1.1.2 吸收玻璃光学高温计中的灯泡灯丝温度不可过高，如果超过 1 400℃ ，灯丝会过热氧化而损坏或改变灯丝的阻值，使灯丝的电流与温度关系发生变化，改变原有亮度特性而造成测量误差 。然而 1 400℃的测量上限远远满足不 了实际的测量需要 ，为保证温度灯长期稳定地工作，需在物镜与温度灯泡之间使用吸收玻璃来减弱被测物体的辐射亮度，这样 1 400℃以上辐射源在高温计 内成像的亮度温度都不会超过 1 400℃。因此 ，可用最高使用温度为 1 400 oC的灯泡来测 量 比 1 400℃高得多的物体的温度 。

定义透射的与入射的光谱辐射亮度之比为光谱透过系数 r ，则 ：L(A，T。)2)式中：L(A，To)为通过吸收玻璃后的光谱辐射亮度，(A，T)为被测物体在温度为 时实际的光谱辐射亮度。

在低温与短波下，即 C /A >>1时，普朗克公式可简化为维恩公式 ：L(A，T)C.A e ：n (3)经推导整理可得 ：- ： I ：A f4)T C， rAA称为光学高温计吸收玻璃的高温减 弱值 ，也称作 A值。只要知道 A值，就可求得被测物体的实际温度 。

1.2 灯泡电流与亮度温度之间的关系在光学高温计中，高温计灯泡是-个非常重要 的核心部件 ，灯泡灯丝 的亮度取 决于通过灯丝 的电流。

灯丝 电流 和亮度温度 之间的关 系如下 ：。 RI (5)式中： 为辐射常数 ， 为灯丝电阻 。

灯丝电流是其亮度温度的单值函数，在实际应用中，-般用幂函数形式表 ，即：，abTcT d .· (6)式 中：，为光学高温计灯泡中灯丝 电流 ， 为 ，所对应的灯丝亮度温度，a，b，c，d为灯泡的特性常数。

- 般说来 ，上式取三项或四项就够 了，重要的是高温计灯泡要具有良好的稳定度和复现性 ，只有在这两点得到保证的情况下，对高温计的分度才是有意义的。从上式也可以看出电流与温度之间的关系是非线性的。

本文实际测量了-组灯泡 (6个)的电流温度特性值，取其平均值获得-条电流与温度相对应的平均曲线 ，趋势是呈抛物线的，如图 3所示 。

80o 1ooO l20o 140o 16oo 1800 200O温度，℃图 3 灯 泡灯丝 电流与 温度特性 曲线将高温计灯泡电流与温度之间整百度相对应的值预先存人数据库中，每整百度点之间的电流温度关系采用直线方法取平均，这样高温计的初始状态有-组完整的测量数据，以此就能够初步判断高温计是否能正常工作，因为高温计灯泡电流与温度的特性曲线具有-定的离散性，不能全部靠这-组数据来达到要求，解决这-问题 的方法是通过逐点测量来完成。在每个整百度点上，读取相应的值，从 800～2 000℃每个点都进行相应地处理，针对每台光学高温计 ，采用这种方法后，可以取得很好的测量读数。

1.3 电测系统从图 1测量原理框图中知道，光学高温计是通过加 坞0 O O O O O O 蜜 唧2013年第 8期 仪 表 技 术调节滑线电阻使灯丝亮度与被测物体的亮度相均衡，从取样电阻上获得灯丝在不同亮度时的电压降。这-信号提供给A/D转换成相应的数字量，CPU的工作是将灯泡的电流信号与亮度温度之间的相应关系进行计算处理，运算结果由液晶屏来显示，对所需要保存的测量结果，可以由数据存储来保存，这样可以很容易地再现曾经测量的结果，给测量记录带来很大的方便。

下面来讨论灯丝电流与亮度温度之问对应的计算方法 ：假定 a，b为任意二个相邻的整百度点， ，， ， ，分别代表 a，b二点的电流值和温度值，当-个测量点落在 a，b区间中，， ， 代表该点的电流和温度，那么在该区域内 ，用直线来替代曲线 ，这样可以用公式算出区间内任意点的亮度温度与电流之间的对应关系。

- 二 二( -，。) (7)16-。 灯丝电流， 是在亮度均衡时由电测系统从取样电阻上得到的，那么通过计算机的运算，就能知道相应的温度值，实际上图中每相邻间隔的两个整百度点上都有这样 的-条直线 ， 在哪个 区间，就用相应 区间的计算公式来求得。至于 点落在哪个区间内，这完全可以通过 ， 与各整百度点电流之间的大小来判断，这部分工作由计算机 自动完成。

2 光学高温计的校验以上 已经论述 了高温计的亮度温度与灯丝电流之间的处理方法，要实现这-过程，必须每整百度点都采取校验 ，用通常的校验方法 ，就是通过调整标准温度灯电流的大小来获得各整百度点，然后对高温计进行分度。但因为标准温度灯的每个整百度点的热平衡是要时间的，通过调整标准温度灯的电流来切换各温度点这是很麻烦的，工作效率很低，不适应生产的需要。经过多次认证，在把握 A值理论的基础上，沿袭高温计第二量程利用吸收玻璃以减弱被测物体的辐射亮度来测量更高亮度温度的原理，采用亮度减弱装置- 吸收玻璃来快速获得所需的较低亮度温度，以此来实现各整百度点的快速校验。

2.1 快速校验装置和方法从前面的分析中知道，辐射源的亮度温度 通过1 1吸收玻璃可以变为 ，T与 T。之间的关系是 - 1 0 1，A为吸收玻璃的A值，由此只要改变A值，就是通过改变吸收玻璃的厚度就可以得到不同的 ，本文经过大量的实验摸索，筛选出-组吸收玻璃，用来做减弱装置，这种方法在校验设备上的应用是自创的，具体的方法分两个步骤(为了使用的需要，实际仪表第-量程上限定为 1 500 oC)：(1)把校验台的标准温度灯定在 1 500℃点上 ，在标准温度灯与被检高温计之间放置-个可以旋转的转盘 ，转盘 的外圈边缘开-圈圆孔 ，中间置入衰减用的吸收玻璃 ，各小圆孔 的中心位置处于整个校验 台的主光轴上，经过反复多次实验挑选，使衰减后的温度定在1 400℃点上。在另-圆孔中，再放人不同厚度的吸收玻璃 ，用 同 样 的方 法 来 实 现 1 300℃ ，1 200 c ，1 100℃ ，1 000℃，900℃及 800℃各 温度 点，通过转动转盘 ，可以很快地得到各个所需 的温度值。这极大的方便了高温计的校验，明显地提高了生产力，在生产上具有积极 的意义。

(2)采用同样 的方法 ，可 以得到第二量程的各个相应的温度点，把标准温度灯定在 2 000℃点上，然后通过衰减来获得 1 900℃ ，1 800℃，1 700℃ ，1 600 cI各个温度点 。

2.2 校验结果 的验证这样 的装置和校验方法是否能真正控制光学高温计的精度，这还要把被校过的高温计用标准温度灯来验证，依据工业用隐丝式光学高温计检定规程，本文做了实际测试，结果表明，误差完全可以控制在允许基本误差的-半以内，因此这样的校验方法是可行的。实验测试了三台仪表，测试数据如表 1、表 2所示。

表 1 第-量程测量值最大 温度/℃ 800 900 1 000 l 1O0 1 200 l 300 1 400 l 500误差1号表 799 900 997 1 1OO 1 198 1 297 1 400 1 496 -42号表 796 902 l 002 1 106 1 l99 1 299 1 400 l 495 63号表 803 897 1 O0l l lO2 1 195 l 299 l 398 1 500 -5表 2 第二量程测量值最大 温度/℃ l 200 1 300 l 400 1 500 1 600 1 700 1 800 1 90O 2 000误差1号表 l 197 1 308 1 407 1 507 1 597 l 694 1 80l l 892 2 003 82号表 1 206 1 305 1 408 1 5O8 1 602 1 696 l 793 1 893 l 999 十83号表 l 207 1 305 l 403 1 507 l 602 1 702 1 797 1 905 2 004 72.3 数字显示式光学高温计 与指针式光学高温计在校验上 的比较由于灯泡电流温度特性 曲线的不-致性 ，指针式光学高温计配备了多种表尺来适应仪表的分度，以达到所需的 1.5级精度的要求，但是即使这样，在整百度上也不能--对应 ，因为表尺是根据 以往的经验加 以归纳分类而来的，种类毕竟有限，不可能全部涵盖所有的特性曲线的情况，所以经常造成高温计示值偏差过大，甚至超出误差要求的情况，给校验工作带来很大困难。而在数字式光学高温计上，采用逐点校验的方法，· 12· 仪 表 技 术 2013年第 8期即对每-个校验点达到亮度平衡后 ，只要给出确认信号就能对灯泡的电流值直接记录下来 ，然后经过数据运算处理，这-切都由微处理机自动完成，这样可以适应所有的灯泡灯丝 的电流温度特性 曲线 ，而且精度 也能有相当的提高，操作十分简单方便。当然，因为数字式光学高温计中原本就储存了-组平均值，假如某个点的实际读数已经符合 了高温计 的精度要求 ，那么可以跳过该点，对该点不做修改，这样可以提高校验速度 。另外在第二量程上 ，即物体亮度温度经 吸收玻璃衰减后的校验，指针式光学高温计的表尺，由于事先做好 ，第二量程与第-量程的关系也已相对固定 ，所以在第-量程校验完成后第二量程 的衰减量也 就相应确定。只可以在保证精度 的很小范围内允许变化 ，这样对吸收玻璃的选用要求很高。而数字式光学高温计在第二量程上仍然采取独立 的逐点校验的方法 ，那 么对吸收玻璃选择的要求可以低得多 ，这点给生产也带来很大的便利 ，这也是技术创新带来的成果。

3 测量结果的修正光学高温计是按绝对黑体来进行温度分度 的，但实际被测物体往往不是黑体，其单色辐射率 <1，物体 的辐射率与其材质 、表面状况 、温度 、光谱范围、发射方面等因素有关。辐射率小于 1的物体，其光谱辐射的表述为 L (A，T)s(A，T)·L(A，T)，所 以在同-真实温度下的各种物体 ，由于它们 的单色辐射率不同，则由光学高温计测得的亮度温度也各不相 同，并且所测得的亮度温度 总是低于物体的真实温度 。例如，钢的冶炼，其材料辐射率 s 为0.8，用高温计测得的亮度温度为 1 350℃ ，通过计算得到其真实温度为 1 377℃，这与用热电偶所测得的温度相符，所以要得到真实温度，必须经过修正。物体的真实温度 和亮度温度r， 及单色辐射率 的关系如下 ：l ： - 十1.040 109(4X - lgs (8) - - - - I ) 、 T273 Ts273 。

为了计算方便，可以通过查找图表的方法找到所需的修正值。

从修正曲线图4中可以看出，由辐射率引起的真实温度与亮度温度之间的差值在同-亮度温度下随辐射率的不同有较大的差别，所以必须对测量物体的光谱辐射率预先进行准确测定，而不能-概照搬手册中所提供的参考数据♀决这-问题的方法是：(1)用接触式测温方式来测得物体的真实温度 ，再通过光学高温计测得亮度温度，结合计算确定准确的物体光谱辐射率；(2)人为地制造黑体辐射条件，如用-端封闭的耐高温的刚玉管或石墨管，插入被测物体中，只要管塞测量温度，℃图4 光学高温计读数 修正曲线图长与内径 比大于 10的情况下 ，这个管子底部的辐射就近似于黑体辐射，用高温计测量管子底部，就可测得接近真实的温度 。

4 总 结本文研发的数字显示式光学高温计应用 了 CPU技术，结合逐点校验方法，使得测温中被测温度与信号之间的非线性关系得到 了很好地解决 ，克服了指针式光学高温计使用表尺带来 的校验困难 ，同时由数字显示来替代指针读数 ，这样读数既准确又方便。在实 际使用中 ，当高温计达到亮度平衡后 ，松 开测量开关 ，高温计就能保持读数 ，并根据需要 ，可以对测量数据进行储存 、回放 ，这是指针式高温计做不到的。由于改变了传统模式 ，去掉 了磁路部分和表尺 ，指针式光学高温计的-些不足也得到了彻底地解决。数字显示式光学高温计全面提升了高温计的技术 和校验方法 ，使高温计从指针式进入到数字化时代 ，在测量精 度、稳定性 、重复性和其他-些使用性能上都有不同程度的改善和提高。作者相信数字式光学高温计还有很大的提升空间和发展前景，能更好地满足各个不同领域的需要。