本發(fā)明專利技術(shù)指出了黑體輻射定律用于非接觸式溫度測量的不準(zhǔn)確性，提出了一種新的溫度測量和計量方法以及相應(yīng)的點溫儀，并且提出了對測溫儀標(biāo)定和刻度的原始創(chuàng)新。由于新穎元器件和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，由于被測點溫度的變化，引起該點波長和頻率的改變，以波數(shù)代表它們的變化量，從溫度越來越高，波數(shù)越來越大的相互關(guān)系中，只要測定溫度源頭波數(shù)的多少，即達(dá)到了測定源頭溫度高低的目的。由于波數(shù)是能量平均分布的數(shù)字量，統(tǒng)計波數(shù)的多少，即可以達(dá)到溫度精確測量。本發(fā)明專利技術(shù)中表達(dá)的四個公式，明確了一點的熱能與波能之間的定量關(guān)系，因此可以指導(dǎo)測溫儀的設(shè)計、元器件的選擇、軟件的編制和產(chǎn)品的檢驗。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于溫度測量
，尤其涉及一種非接觸式測溫方法、一種采用上述 方法的點溫儀及其應(yīng)用，用以替換市場上已有的非接觸式測溫儀和非接觸式溫度傳感器系 統(tǒng)，提高測量精度。
技術(shù)介紹
在接觸式測溫方法中，國際上已經(jīng)公認(rèn)鉬電阻(-200°C +900°C )和鉬-銠熱電 偶(300°C 1450°C )其測量的溫度是準(zhǔn)確的，并可作為接觸式計量溫度的標(biāo)準(zhǔn)具，因為它 具有測量一個點的溫度，并且與接觸該點的表面材料無關(guān)的特性，在溫度緩慢變化或者靜 態(tài)的條件下具有很高的精度。但是由于鉬電阻和熱電偶在高溫狀態(tài)下不能勝任、動態(tài)目標(biāo) 不能應(yīng)用、與現(xiàn)代計算機高速響應(yīng)不能配套等原因，未來的發(fā)展還是非接觸式測溫方法趨 于主導(dǎo)地位。由于被測目標(biāo)表面受對流、傳導(dǎo)、熱輻射的影響，其表面溫度不可能均勻，即使 是一個保溫箱，把對流、傳導(dǎo)、熱輻射全部隔絕，箱內(nèi)放置的物體表面溫度仍然是不均勻分 布，只是隔絕狀態(tài)下是穩(wěn)定的溫度梯度與不隔絕狀態(tài)下是隨機變化的溫度梯度的差別。所 以測定一個點的溫度才能表示溫度是一個精確的概念，測定一個面的溫度是一個模糊的、 大約的概念。并且溫度是度量物體冷熱的物理量，其度量時對任何材料應(yīng)該一視同仁。可 是現(xiàn)在市場上已經(jīng)在廣泛應(yīng)用的非接觸式測溫儀，如許多國家在生產(chǎn)的非接觸式紅外測溫 儀，光學(xué)高溫計，精密輻射高溫計等，都不能測量點溫，都與被測表面的材料有關(guān)，與非接觸 測量的距離變化有關(guān)。這些測溫儀的理論依據(jù)是黑體輻射定律，德國物理學(xué)家普朗克在 1900年做這個實驗的出發(fā)點是想修正維恩提出的最大輻射功率的波長隨著溫度升高向短 波方向移動的位移定律。但這個實驗的最大貢獻(xiàn)卻是為量子光學(xué)的建立提供了依據(jù)，因為 他用數(shù)學(xué)推導(dǎo)方法得到了電磁波的量子化假說，普朗克與1905年提出光子理論第一人的 愛因斯坦的光子假說都成為量子力學(xué)的基石。他們的實驗與理論確認(rèn)了光的波粒二象性， 結(jié)束了三百多年的爭論。普朗克發(fā)現(xiàn)黑體輻射定律的時候還沒有半導(dǎo)體光電二極管、紅外 探測器，更沒有光纖。他用一個空心球體作為黑體，將熱電偶的端點置于球心，加熱球體外 表面，由于內(nèi)表面的積分效應(yīng)，使輻射熱聚集到球心處的熱電偶端點，得到了任意溫度下， 黑體輻射功率與輻射波頻率或者波長之間的關(guān)系，稱為普朗克黑體輻射定律。我們通過多 年的實踐與研究表明該定律存在兩個問題其一，熱電偶端點是兩根不同材料的金屬絲結(jié) 點受熱，產(chǎn)生電動勢，我們稱為熱電效應(yīng)，不是光電效應(yīng)，但根據(jù)黑體輻射定律，黑體輻射波 是一種光波，加熱了熱電偶，實際上光波轉(zhuǎn)換成電流，必須具有光電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換元件才能發(fā) 揮最大的效率；問題之二 眾所周知，熱電偶只有接觸被測物才有正確的溫度值，像普朗克 的實驗裝置那樣，既不是接觸式，又不是埋入式，將熱電偶置于熱場空間的球心能量不可能 準(zhǔn)確代表內(nèi)球面的能量。實踐證明普朗克定律應(yīng)用于測溫技術(shù)中，只是一個近似溫度或者 相對溫度，不是真實溫度。即使后人采用了先進(jìn)的傳感器光纖、先進(jìn)的光電轉(zhuǎn)換元件，只要 以黑體輻射為標(biāo)準(zhǔn)，非黑體采用調(diào)整輻射系數(shù)補償溫度的方法，同樣得到的是一個穩(wěn)定的、 不正確的溫度，因為其信號接收與處理方法，無法滿足真實溫度的要求，尤其輻射系數(shù)與同類材料組分差別、材料表面粗糙度差別、顏色差別有關(guān)，采用雙波長比較法，可以補償距離 變化給溫度帶來的誤差，但距離又與輻射系數(shù)、提供信息的目標(biāo)面積等因素攪拌在一起，沒 有一種固定的關(guān)系式。因此市場上已經(jīng)存在的以普朗克黑體輻射定律為基礎(chǔ)的非接觸式測 溫儀，實際上均不能真正正確地測量溫度。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了解決上述的技術(shù)問題，本專利技術(shù)的目的是提供一種非接觸式測溫方法以及采用 上述方法的點溫儀，以及該點溫儀作為標(biāo)準(zhǔn)具的應(yīng)用，達(dá)到了光學(xué)點溫的測量，并且具有與 材料無關(guān)、與輻射波無關(guān)、與發(fā)熱體面積無關(guān)、與非接觸有限距離變化無關(guān)的特性。我們確認(rèn)，以波動光學(xué)成像理論為基礎(chǔ)，結(jié)合20世紀(jì)50年代末已經(jīng)誕生的傳感器 光纖以及在量子光學(xué)引導(dǎo)下在20世紀(jì)60年代問世的半導(dǎo)體激光器、光電二極管等器件，完 全可以把非接觸式測溫儀徹底改正。波動光學(xué)成像理論告訴我們，一個單球面透鏡像差大， 好比單透鏡的玩具照相機，在準(zhǔn)確調(diào)焦下，雖然像面邊緣不清楚，但像面中心始終是清楚地 呈現(xiàn)在我們面前，證明目標(biāo)表面與透鏡同心的那一部分波能不失真地到達(dá)了像面，用光欄 可以進(jìn)一步縮小中心像面，然后再用光纖端面與像面中心耦合，實現(xiàn)點目標(biāo)測量目的。從波動光學(xué)經(jīng)典理論可知，光波的頻率(Y)，是真空中的光速(C)除以該光波的 波長(λ )，即；Y = C/ λ，C = 30萬公里/秒。貝丨」γ = C · Ln' λ，因為1/ λ是In λ的 微分。現(xiàn)定義波數(shù)(m)是波長的倒數(shù)，即m = l/λ = Ln' λ(1)式(1)表示波動光學(xué)指出的任何物質(zhì)都在連續(xù)不斷地波動，溫度引起波動頻率 的改變，溫度與單位時間內(nèi)波動的次數(shù)，簡稱為“波數(shù)”成正比，即溫度越來越高，波數(shù)越來 越大，得到m = Ln' T/b(2)式(2)中b為兩個波數(shù)之間的間隔，T為開爾文溫度。說明波長與溫度的關(guān)系呈 現(xiàn)單調(diào)下降性，則波數(shù)與溫度的關(guān)系呈現(xiàn)單調(diào)上升性。我們只要測定波數(shù)，即得到了對應(yīng)的 溫度。但波數(shù)與光波的頻率一樣，向前傳遞的速度太快了，目前還沒有器件能直接分辨兩個 波數(shù)之間的間隔，也就是沒有能力直接計量波數(shù)的個數(shù)。另一方面，波數(shù)前進(jìn)的路程，稱為 “光程”，是一條直線，但這一條直線不是勻速運動形成，而是按自然對數(shù)的規(guī)律形成。所以 采取其中一種方法，即把溫度的變化引起單位時間內(nèi)波數(shù)數(shù)量的改變轉(zhuǎn)換為波數(shù)功率的改 變，然后再把波數(shù)功率微分，用微分后微單元的個數(shù)表示相應(yīng)的波數(shù)，這就是采用光電探測 器實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，把波數(shù)的光功率轉(zhuǎn)換成電功率，再用模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，把電功率微分，我們 稱為碼數(shù)，然后由微型計算機統(tǒng)計碼數(shù)的多少表示相應(yīng)的溫度。由此得到下列公式；N = {LnT/(Nh-No) }· (Nh/B)-No(3)式中；N為對應(yīng)溫度T的十進(jìn)制碼數(shù)；LnT為溫度的自然對數(shù)值，其中T為開爾文溫 度，T = 273+°C，Nh為設(shè)定的測溫范圍內(nèi)上限溫度的碼數(shù)，或者是光電轉(zhuǎn)換器件飽和點的碼 數(shù)；No為設(shè)定的測溫范圍內(nèi)下限溫度的碼數(shù)，或者是光電轉(zhuǎn)換器件截止點的碼數(shù)；B為兩個 碼之間的間距，可由下式得到B = LnT/N(4)如果用式(3)求B時，規(guī)定No = 0，即與式(4) 一致。若碼數(shù)相對增大，則B值縮小，測溫的精度相對提高。公式C3)具有普遍的適應(yīng)性，可以方便檢查產(chǎn)品是否達(dá)到設(shè)計指 標(biāo)，并且方便地編寫軟件，當(dāng)被生產(chǎn)的測溫儀標(biāo)定和刻度時，如果繼續(xù)使用黑體標(biāo)定爐，那 么只需標(biāo)定兩點，如果用點光源標(biāo)定設(shè)備，可以在1分鐘內(nèi)實現(xiàn)精確的溫度刻度。實際在現(xiàn) 場使用時，本專利技術(shù)的三個特征立即體現(xiàn)，達(dá)到了光學(xué)點溫的測量，并且與材料無關(guān)，與輻射 波無關(guān)，與發(fā)熱體面積無關(guān)、與非接觸有限距離變化無關(guān)的特性。本專利技術(shù)的一種非接觸式測溫方法，把溫度變化引起物面上的波能在單位時間內(nèi)波 數(shù)數(shù)量的改變轉(zhuǎn)換為波數(shù)光功率的改變，然后通過光電轉(zhuǎn)換把波數(shù)的光功率轉(zhuǎn)換成電功 率，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換把電功率微分獲得碼數(shù)，然后統(tǒng)計碼數(shù)的多少即可表示相應(yīng)的物面溫 度(參見公式4)。進(jìn)一步說，將物面上一點的發(fā)散球面波通過透鏡會聚在光學(xué)檢波器上， 光學(xué)檢波器檢出最高溫度本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
１．一種非接觸式測溫方法，其特征在于，把溫度變化引起物面上的波能在單位時間內(nèi)波數(shù)數(shù)量的改變轉(zhuǎn)換為波數(shù)光功率的改變，然后通過光電轉(zhuǎn)換把波數(shù)的光功率轉(zhuǎn)換成電功率，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換把電功率微分獲得碼數(shù)，然后計量碼數(shù)的多少即可表示相應(yīng)的物面溫度。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳堯生，
申請(專利權(quán))人：杭州自動化技術(shù)研究院有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：86
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。