非接触式测温方法、点温仪及其应用技术

本发明专利技术指出了黑体辐射定律用于非接触式温度测量的不准确性，提出了一种新的温度测量和计量方法以及相应的点温仪，并且提出了对测温仪标定和刻度的原始创新。由于新颖元器件和数字化技术的发展，由于被测点温度的变化，引起该点波长和频率的改变，以波数代表它们的变化量，从温度越来越高，波数越来越大的相互关系中，只要测定温度源头波数的多少，即达到了测定源头温度高低的目的。由于波数是能量平均分布的数字量，统计波数的多少，即可以达到温度精确测量。本发明专利技术中表达的四个公式，明确了一点的热能与波能之间的定量关系，因此可以指导测温仪的设计、元器件的选择、软件的编制和产品的检验。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于温度测量
，尤其涉及一种非接触式测温方法、一种采用上述 方法的点温仪及其应用，用以替换市场上已有的非接触式测温仪和非接触式温度传感器系 统，提高测量精度。
技术介绍
在接触式测温方法中，国际上已经公认钼电阻(-200°C +900°C )和钼-铑热电 偶(300°C 1450°C )其测量的温度是准确的，并可作为接触式计量温度的标准具，因为它 具有测量一个点的温度，并且与接触该点的表面材料无关的特性，在温度缓慢变化或者静 态的条件下具有很高的精度。但是由于钼电阻和热电偶在高温状态下不能胜任、动态目标 不能应用、与现代计算机高速响应不能配套等原因，未来的发展还是非接触式测温方法趋 于主导地位。由于被测目标表面受对流、传导、热辐射的影响，其表面温度不可能均勻，即使 是一个保温箱，把对流、传导、热辐射全部隔绝，箱内放置的物体表面温度仍然是不均勻分 布，只是隔绝状态下是稳定的温度梯度与不隔绝状态下是随机变化的温度梯度的差别。所 以测定一个点的温度才能表示温度是一个精确的概念，测定一个面的温度是一个模糊的、 大约的概念。并且温度是度量物体冷热的物理量，其度量时对任何材料应该一视同仁。可 是现在市场上已经在广泛应用的非接触式测温仪，如许多国家在生产的非接触式红外测温 仪，光学高温计，精密辐射高温计等，都不能测量点温，都与被测表面的材料有关，与非接触 测量的距离变化有关。这些测温仪的理论依据是黑体辐射定律，德国物理学家普朗克在 1900年做这个实验的出发点是想修正维恩提出的最大辐射功率的波长随着温度升高向短 波方向移动的位移定律。但这个实验的最大贡献却是为量子光学的建立提供了依据，因为 他用数学推导方法得到了电磁波的量子化假说，普朗克与1905年提出光子理论第一人的 爱因斯坦的光子假说都成为量子力学的基石。他们的实验与理论确认了光的波粒二象性， 结束了三百多年的争论。普朗克发现黑体辐射定律的时候还没有半导体光电二极管、红外 探测器，更没有光纤。他用一个空心球体作为黑体，将热电偶的端点置于球心，加热球体外 表面，由于内表面的积分效应，使辐射热聚集到球心处的热电偶端点，得到了任意温度下， 黑体辐射功率与辐射波频率或者波长之间的关系，称为普朗克黑体辐射定律。我们通过多 年的实践与研究表明该定律存在两个问题其一，热电偶端点是两根不同材料的金属丝结 点受热，产生电动势，我们称为热电效应，不是光电效应，但根据黑体辐射定律，黑体辐射波 是一种光波，加热了热电偶，实际上光波转换成电流，必须具有光电效应的转换元件才能发 挥最大的效率；问题之二 众所周知，热电偶只有接触被测物才有正确的温度值，像普朗克 的实验装置那样，既不是接触式，又不是埋入式，将热电偶置于热场空间的球心能量不可能 准确代表内球面的能量。实践证明普朗克定律应用于测温技术中，只是一个近似温度或者 相对温度，不是真实温度。即使后人采用了先进的传感器光纤、先进的光电转换元件，只要 以黑体辐射为标准，非黑体采用调整辐射系数补偿温度的方法，同样得到的是一个稳定的、 不正确的温度，因为其信号接收与处理方法，无法满足真实温度的要求，尤其辐射系数与同类材料组分差别、材料表面粗糙度差别、颜色差别有关，采用双波长比较法，可以补偿距离 变化给温度带来的误差，但距离又与辐射系数、提供信息的目标面积等因素搅拌在一起，没 有一种固定的关系式。因此市场上已经存在的以普朗克黑体辐射定律为基础的非接触式测 温仪，实际上均不能真正正确地测量温度。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术的目的是提供一种非接触式测温方法以及采用 上述方法的点温仪，以及该点温仪作为标准具的应用，达到了光学点温的测量，并且具有与 材料无关、与辐射波无关、与发热体面积无关、与非接触有限距离变化无关的特性。我们确认，以波动光学成像理论为基础，结合20世纪50年代末已经诞生的传感器 光纤以及在量子光学引导下在20世纪60年代问世的半导体激光器、光电二极管等器件，完 全可以把非接触式测温仪彻底改正。波动光学成像理论告诉我们，一个单球面透镜像差大， 好比单透镜的玩具照相机，在准确调焦下，虽然像面边缘不清楚，但像面中心始终是清楚地 呈现在我们面前，证明目标表面与透镜同心的那一部分波能不失真地到达了像面，用光栏 可以进一步缩小中心像面，然后再用光纤端面与像面中心耦合，实现点目标测量目的。从波动光学经典理论可知，光波的频率(Y)，是真空中的光速(C)除以该光波的 波长(λ )，即；Y = C/ λ，C = 30万公里/秒。贝丨」γ = C · Ln' λ，因为1/ λ是In λ的 微分。现定义波数(m)是波长的倒数，即m = l/λ = Ln' λ(1)式(1)表示波动光学指出的任何物质都在连续不断地波动，温度引起波动频率 的改变，温度与单位时间内波动的次数，简称为“波数”成正比，即温度越来越高，波数越来 越大，得到m = Ln' T/b(2)式(2)中b为两个波数之间的间隔，T为开尔文温度。说明波长与温度的关系呈 现单调下降性，则波数与温度的关系呈现单调上升性。我们只要测定波数，即得到了对应的 温度。但波数与光波的频率一样，向前传递的速度太快了，目前还没有器件能直接分辨两个 波数之间的间隔，也就是没有能力直接计量波数的个数。另一方面，波数前进的路程，称为 “光程”，是一条直线，但这一条直线不是勻速运动形成，而是按自然对数的规律形成。所以 采取其中一种方法，即把温度的变化引起单位时间内波数数量的改变转换为波数功率的改 变，然后再把波数功率微分，用微分后微单元的个数表示相应的波数，这就是采用光电探测 器实现光电转换，把波数的光功率转换成电功率，再用模数转换器A/D，把电功率微分，我们 称为码数，然后由微型计算机统计码数的多少表示相应的温度。由此得到下列公式；N = {LnT/(Nh-No) }· (Nh/B)-No(3)式中；N为对应温度T的十进制码数；LnT为温度的自然对数值，其中T为开尔文温 度，T = 273+°C，Nh为设定的测温范围内上限温度的码数，或者是光电转换器件饱和点的码 数；No为设定的测温范围内下限温度的码数，或者是光电转换器件截止点的码数；B为两个 码之间的间距，可由下式得到B = LnT/N(4)如果用式(3)求B时，规定No = 0，即与式(4) 一致。若码数相对增大，则B值缩小，测温的精度相对提高。公式C3)具有普遍的适应性，可以方便检查产品是否达到设计指 标，并且方便地编写软件，当被生产的测温仪标定和刻度时，如果继续使用黑体标定炉，那 么只需标定两点，如果用点光源标定设备，可以在1分钟内实现精确的温度刻度。实际在现 场使用时，本专利技术的三个特征立即体现，达到了光学点温的测量，并且与材料无关，与辐射 波无关，与发热体面积无关、与非接触有限距离变化无关的特性。本专利技术的一种非接触式测温方法，把温度变化引起物面上的波能在单位时间内波 数数量的改变转换为波数光功率的改变，然后通过光电转换把波数的光功率转换成电功 率，再通过模数转换把电功率微分获得码数，然后统计码数的多少即可表示相应的物面温 度(参见公式4)。进一步说，将物面上一点的发散球面波通过透镜会聚在光学检波器上， 光学检波器检出最高温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种非接触式测温方法，其特征在于，把温度变化引起物面上的波能在单位时间内波数数量的改变转换为波数光功率的改变，然后通过光电转换把波数的光功率转换成电功率，再通过模数转换把电功率微分获得码数，然后计量码数的多少即可表示相应的物面温度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈尧生，
申请(专利权)人：杭州自动化技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：86