比色光电温度计

定义与用途

比色光电温度计是一种非接触式辐射测温仪表，它利用物体热辐射中两个不同波长（波段）的辐射强度之比随温度变化的规律来测量温度。其核心特点是测量比值而非绝对辐射强度，因此能在一定程度上减小物体发射率变化、环境干扰和光路衰减带来的误差。

基本原理

根据普朗克黑体辐射定律，黑体在波长 $\lambda$ 处的光谱辐射出射度 $M_{\lambda }(\lambda ,T)$ 为：

其中 $c_1$ 为第一辐射常数，$c_2$ 为第二辐射常数，$T$ 为热力学温度（单位：K）。

对于实际物体，引入光谱发射率 $\epsilon (\lambda ,T)$，其光谱辐射出射度为 $\epsilon (\lambda ,T)M_{\lambda }(\lambda ,T)$。比色光电温度计选取两个波长 ${\lambda }_1$ 和 ${\lambda }_2$（通常相近），测量这两个波长下的辐射功率（或经光电转换后的电信号）之比 $R$：

若假设两波长下发射率相等或比值 $\epsilon ({\lambda }_1,T)\mathrm{/}\epsilon ({\lambda }_2,T)$ 近似为常数（灰体近似），则比值 $R$ 仅是温度 $T$ 的函数：

通过标定获得 $R$ 与 $T$ 的关系曲线，即可由测得的比值反推温度。

在维恩近似（$\lambda T\ll c_2$）下，黑体辐射公式可简化为：

此时两波长辐射比值近似为：

取对数可得温度与比值的关系：

因此，测得 $R$ 后即可计算 $T$。

系统组成与光路

比色光电温度计通常由感温器和显示仪表两大部分组成。感温器包括：

• 物镜：收集被测物体辐射线。
• 光阑：限制光束孔径。
• 光导棒：传输辐射能。
• 分光镜：将入射辐射分为两路。
• 滤光片：分别选取两个特定波长（波段）的光。
• 光电探测器（如硅光电池）：将各波段光信号转换为电信号。
• 瞄准系统（如反射镜、目镜、棱镜）：用于对准被测目标。

显示仪表部分包括电子电位差计或微处理器系统，用于计算比值并显示温度。

波段匹配与比值-温度关系

两个滤光片的波段选择需满足：

1. 两波长相近，以减小发射率差异的影响。
2. 探测器在两波段均有足够响应。
3. 避开被测物体辐射谱中强发射或吸收线。

比值与温度的关系通常通过实验标定获得，标定曲线存入仪表。测量时，探测器输出电信号经放大、比值运算后，查表或按公式计算得到温度。

适用范围与条件

• 适用于测量温度较高、辐射足够强的物体，通常用于工业高温测量（如冶金、玻璃、陶瓷等行业）。
• 要求被测对象近似为灰体，或两波长发射率比值稳定。
• 测量光路中不能有吸收性介质（如烟尘、水蒸气）干扰，否则需修正。
• 温度下限受探测器灵敏度和辐射强度限制，上限受探测器饱和及光学材料透射限制。

符号说明

• $\lambda$：波长，单位 m 或 μm；代入上述含 $c_1$、$c_2$ 的辐射公式时须用 m，若用 μm 须同步换算辐射常数或谱密度单位。
• $T$：热力学温度，单位 K。
• $c_1$：第一辐射常数，$c_1=2\pi h{c}^2$，单位 W·m²。
• $c_2$：第二辐射常数，$c_2=hc\mathrm{/}k$，单位 m·K。
• $\epsilon$：光谱发射率，无量纲。
• $R$：两波段辐射信号比值，无量纲。