表面粗糙度对辐射温度计测量误差的影响

　　温度是一个非常重要的物理量,很多工业生产过程都需要对温度进行精确测量.温度的测量方式可以分为接触式和非接触式两大类,而非接触式测温法也称为辐射测温法[1].使用热电偶测量锅炉烟道中烟气温度属于接触式测量法,而使用光学高温计观测锅炉燃烧火焰温度的则为非接触式测量法.非接触式测温具有响应时间短、测量速度快,以及对温度场无干扰等优点.因为辐射式温度计是通过测量来自物体的热辐射来确定物体温度的,一般情况下需要根据物体的发射率对测量温度进行修正.影响物体发射率的因素很多,物体表面粗糙度就是其中之一[1, 2].本文将讨论由物体表面粗糙度引起的温度测量误差.

　　1　辐射温度计原理

　　图1显示了一个辐射温度计的基本组成.由图1可知,透镜将被测物体成像在探测器的表面.被测物体发出的热辐射经过透镜聚焦后,穿过滤光片投射到探测器上.只有在某个立体角范围内的热辐射才能被探测器收集,这个立体角是由孔径光阑决定的.探测器将热辐射对应的亮度信号转换成电信号,然后输出到检测电路,检测电路经过后续处理再给出物体的温度.因为辐射温度计是对黑体辐射源标定的,因此假设检测系统所收集的热辐射是来自于黑体;由该假设确定的温度称为亮度温度.

　　其定义为:当波长为λ,物体温度为T时,被测物体的辐射亮度Lλ与温度为Tλ的黑体的辐射亮度相等,即

　　式中:ελ被测物体在波长为λ,温度为T时的光谱发射率;

　　T被测物体的实际温度;

　　Tλ同辐射亮度黑体的温度,即亮度温度;

　　b下标,黑体.

　　用维恩近似关系简化式(1),进一步推导后得出物体实际温度和亮度温度之间的关系[1]

　　式中,c2普朗克定律中的第二辐射常数.由于ελ恒小于1,因此式(2)中右边第2项小于零,物体的实际温度T恒大于亮度温度Tλ.式(2)中λ是探测器中滤光片的中心波长,可以看作固定值.但在实际使用中很难精确确定被测物体的光谱发射率.光谱发射率不仅受到物体材料本身的影响,也受到物体表面粗糙度、清洁程度和氧化程度等多种因素的影响.因此,被测物体光谱发射率的不确定会造成测量温度的不确定性.

　　将式(2)微分(λ和Tλ固定)整理后可得,温度的不确定度ΔT和光谱发射率的不确定度Δελ之间的定量关系为

　　2　二向反射分布函数和发射率

　　由基尔霍夫定律可知,物体在某个方向上的光谱发射率ελ等于物体对该方向入射辐射的光谱吸收率,即ελ=αλ[3].对于任意的物体,从能量守恒关系出发,即

　　式中,ρλ,τλ物体对该方向入射的反射率和透射率.