比色高温計

比色高温計是利用黑體單色輻射強度的 比值是温度單值函數的原理來測量温度的温度計。其組成與一般光學 高温計相近，只是增加到兩個以上 通道，以測得不同的值。由於採用 輻射強度對比的方法，介質吸收的 影響較小，因而精度較高，但結構比 較複雜。近年來研製成了數字式光 電比色高温計，由於採用了線性電 路和MOS數字集成電路，因而使 電路簡化，結構緊湊。這種數字式 光電比色高温計常用測温範圍為 900～1700℃ (量程上下限間隔 500℃)，其基本誤差不大於±1%， 響應時間為1s。適用於冶金、動力 等工業部門，尤其適用於移動物體 高温自動檢測。

實驗表明，黑體單色輻射的極大值所對應的波長是隨温度的升高而逐漸向波長較短的方向移動的。維恩位移定律表述了這種關係：黑體單色輻射強度極大值所對應的波長(λ_m)與其絕對温度(T)成反比，即：λ_mT=C

如果波長以微米為單位，則C=2896微米·開，於是λ_mT=2896微米·開(μm·к)

上式表明，物體的温度愈高，其單色輻射極大值所對應的波長則愈短;反之，則輻射極大值的波長愈長。如太陽表面温度為6000k，則它最大放射能力的波長為0.475μm;而地球表面平均温度為300k，其最大放射能力的波長為10μm;對流層頂部的平均温度為200k，其最大放射能力的波長則為14. 5μm。

根據維恩定律，將測量兩個光譜能量比來測量物體温度的方法稱為比色測温法；把實現此種測量的儀器稱為比色高温計。用這種方法測量非黑體時所得到的温度稱為比色温度或顏色温度。根據比色温度的定義，應用維恩公式，可導出物體的真實温度和比色温度的關係：

T為物體實際温度，T_S為比色温度。

常用的雙色比色高温計的原理如圖1所示，由濾光片取得藍光波長λ1=0.450μm及

紅光波長λ2=0.650μm。硅光電池E1和E2分別接收到紅光與藍光的輻射能量後，將在它們

的負載電阻上產生電壓U1與U2。根據硅光電池的特性有

。調節電位器RP使測量電路的指示達到平衡，則電位器RP上指示的位置與比值U1/U2對應。利用黑體輻射源可對電位器RP直接分度所指示的温度值即待測物體的色温度。

比色温度計按照它的分光形式和信號的檢測方法，可分為單通道式與雙通道式兩種。所謂通道是指在比色温度計中使用探測器(檢測元件)的個數。單通道比色温度計使用一個檢測元件，被測目標輻射的能量被調製輪流經兩個不同的濾光片，射人同一檢測元件上。雙通道比色温度計使用兩個檢測元件，分別接受兩種波長光束的能量。單通道比色温度計又分為單光路式和雙光路式兩種。所謂光路是指光束在進行調製前或調製後是否由一束光分成兩束進行分光處理。沒有分光的為單光路，分光的為雙光路。雙通道比色温度計又分為調製式與非調製式。無論哪種比色温度計，都要計算兩個光譜輻射亮度的比值。

單通道單光路比色温度計

圖2是單通道單光路比色温度計的結構示意圖。被測物體的輻射能址經物鏡聚焦。經過通孔反射鏡而達到光電探測器，即硅光電池上。通孔反射鏡的中心開設一通光孔，其大小可根據距離係數而變，其邊緣經拋光後進行真空鍍鉻。同步電動機帶動光調製轉盤轉動，轉盤上裝有兩種不同顏色的濾光片，交替通過兩種波長的光。硅光電池輸出兩個相應的電信號送至變送器進行比值運算、線性化。圖2中，反射鏡、倒像鏡和目鏡組成瞄準系統，用於調節該温度計。

由於採用一個檢測元件，儀表穩定性較高;但結構中帶有光調製轉盤，使温度計的動態品質有所下降;牌號相同的濾光片之間透過率(或厚度)的差異會影響測量準確度。

單通道雙光路比色温度計

圖3是單通道雙光路比色温度計的結構示意圖。被測物體的輻射由分光鏡(干涉濾光片)分成兩路不同波長的輻射光束，分別通過光調製轉盤上的通孔和反射鏡，交替投射到同一個硅光電池上，轉換成相應的電信號，再經變送器處理實現比值測定後，送顯示器顯示。 單通道雙光路比色温度計具有和單通道單光路比色温度計一樣的優點(穩定)和缺點 (動態品質差)。此外，它還有助於克服各濾光片特性差異的影響，提高了測量準確度；但結構較複雜，光路調整困難。 單通道比色高温計的測温範圍為900一2000℃，儀表基本誤差1%。如果採用PbS光電池代替硅光電池作為光電探測器，則測温下限可達400℃。

雙通道比色温度計

雙通道非調製式比色温度金於不像單通道那樣採用振動圓盤進行調製，而是採用分光鏡 (干涉濾光片或稜鏡)把被測目標的輻射分成不同波長的兩束，且分別投射到兩個光電探測器上，其結構示意圖如圖4所示。

被測物體的輻射能經物鏡4聚焦於通孔反射鏡5上，再經透鏡6人射到分光鏡7上。紅外光透過分光鏡後投射到硅光電池8上;可見光則被分光鏡反射到另一硅光電池9上。在8 的前面有紅色濾光片將少量可見光濾去，在9 的前面有可見光濾光片將少量長波輻射能濾去，兩個硅光電池的輸出信號的比值即可模擬顏色温度。圖4中，反射鏡1、倒像鏡2和目鏡3組成瞄準系統，用於調節該温度計。

雙通道調製式比色温度計與雙通道非調製式比色温度計較為相似，所不同的是經分光鏡分光和反射鏡反射後所形成的兩束輻射，要先通過帶通孔的光調製轉盤同步調製後，再投射到兩個帶不同濾光片的檢測元件上。

雙通道比色温度計結構簡單，使用方便，動態品質較高，但兩個硅光電池要保持特性一致且不發生時變是比較困難的，因此測量準確度及穩定性較差。

與此原理類似，還有三波長、四波長、六波長輻射温度計等。此外還有基於比色測温的減比測温法，即3個輻射亮度彼此相減後再求比，利用比值與温度的關係測温。該方法不僅保留了比色測温法的優點，且使測温靈敏度、抗干擾能力等有較大提高。

上述比色高温計中選用的兩波長分別為可見光與紅外光。如果兩個波長均選在紅外光波段，則該儀表稱為紅外比色温度計，可用來測量較低温度。

比色高温計的測量範圍為800～20000C，測量精度可接近量程上限的±0．5%。比色高温計的優點是測量的色温度值很接近真實温度。在有煙霧、灰塵或水蒸氣等環境中使用時，由於這些媒質對λ1及λ2的光波吸收特性差別不大，所以由媒質吸收所引起的誤差很小。對於光譜發射率與波長無關的物體(灰體)可直接測出其真實温度。上述優點都是其他類型的光測高温計所沒有的。由於比色高温計使用方便，在冶金和其他工業中的應用仍較廣泛。 ^[2]