光学高温计原理：灯丝隐灭式与发射率误差

日方供应商的炉温检查记录里写着"光学高温计（光高温計，hikari koonkei）"，温度栏是"亮度温度（輝度温度，kido ondo）1,000 ℃"。你们的工艺单要的是钢件的实际温度，手里的红外测温枪读出来的数却不一样。这时两台仪表很可能都没有坏。

亮度温度不等于被测表面的真实温度。它指的是：在该仪表的测量波长下，与被测物体亮度相同的理想黑体所具有的温度。表面发射率小于 1 时，只要反射辐射可以忽略，亮度温度就会低于真实温度。

本文讲灯丝隐灭式光学高温计怎么工作，它与红外测温仪、比色（双色）测温仪有什么不同，以及发射率、观察窗、烟尘和反射怎样把读数推偏。文末附有确认清单，以及可以发给日方的询问邮件范例。

先对一下日方文件里常见的几个词和国内的说法：

• 光高温計（光学高温计）：国内常说"光学高温计"，灯丝隐灭式的也常叫"隐丝式"。
• 輝度温度（亮度温度）：日方书面语写作"輝度温度"，对应国内的"亮度温度"。
• 放射率（发射率）：国内资料中也见到"辐射率""黑度"等说法，含义相近，查资料时留意即可。
• 放射温度計（辐射温度计）：包括红外测温仪、光学高温计、比色测温仪等所有依据热辐射测温的仪表。

目录

1. 什么是光学高温计
2. 灯丝隐灭式高温计的工作原理
3. 亮度温度与真实温度
4. 光学高温计的优点与局限
5. 校准与溯源
6. 读数对不上时：怎样找出原因
7. 可以直接使用的内容：确认清单与对日方的提问
8. 本文的适用范围
9. 常见问题
10. 资料来源

什么是光学高温计

光学高温计利用高温物体发出的热辐射来求温度，不需要接触被测物，属于辐射温度计的一种。最经典的目视型是灯丝隐灭式（线条消失形，senjo shoshitsu-gata），用操作者的眼睛作为比较用的"探测器"。

操作时，把被测物的像与仪表内部灯泡的灯丝叠在一起，调节灯泡电流，直到两者在一个很窄的红色波段内看上去一样亮，再由仪表把这个电流换算成温度。灯丝就是灯泡里通电后发热发光的那根细钨丝。

其他辐射温度计，例如用电子探测器的红外测温仪，同样利用被测物发出的辐射。区别在于测量的波长范围、探测方式和读数的产生方式不同。把人眼换成光电探测器的这类仪表，国内常称光电高温计。

用在哪里：红热发亮的高温对象

目视型光学高温计要求被测物热到在可见光下足够明亮。典型对象有熔融金属、炉内的物料，以及加热中的线材、棒材，前提是能直接看到被测物。

以日本チノー（CHINO）公司的 IR-URN 为例，它是带数字显示的灯丝隐灭式高温计，测量波长 0.65 μm，分三个量程切换，合计覆盖 700～3,500 ℃。这些数字只属于该型号，不代表所有光学高温计的测量范围。

它能测这么高的温度，是因为仪表只接收被测物发来的光，本体不必升到那个温度。但仪表本身仍有允许的环境温度范围，量程很高并不等于可以长时间对着炉口吸收辐射热。

也有电池供电的便携型号，可以在现场换点测量。这样用时，要选能够重复相同测量距离和观察方向的位置，才能把这次的读数与上一次比较。

对钢件来说，质量不仅取决于加热温度，还与保温时间和冷却方式有关。管理淬火、回火等热处理时，要把"表面一次测量的读数"和"整个工艺条件的确认"分开看待。

光学高温计、红外测温仪与比色（双色）测温仪

常见的电子探测式辐射温度计（例如手持红外测温枪）由探测器信号经运算后直接显示温度。目视的灯丝隐灭式则由人对准被测物、调节灯泡电流，并自己判断亮度何时一致。

带数字显示并不改变这一点。只要亮度是否一致仍靠眼睛判断，人为判断这一环节就还在，所以"有数字显示"和"自动检测"要当作两个不同的特征。

比色（双色）测温仪（二色温度計，nishoku ondokei）利用两个不同波段辐射的比值来求温度。把灯丝与被测物比较说成"测两种颜色"是误解，不能把灯丝隐灭式当成双色测温仪。图 1 对主要方式做了比较。

图 1：接触式、目视式与电子探测式，得到温度的路径各不相同

非接触并不等于只有一种探测方式。这里的"光学高温计"指目视的灯丝隐灭式。

方式	接收的对象	得到温度的过程	主要需确认的条件
接触式测温	由被测物传到感温元件的热量	把热电势、电阻等换算为温度	插入深度、热接触、保护管、接线
目视式光学高温计	被测物发出的可见光辐射	与灯丝比较亮度，由校准后的电流读数	瞄准、对焦、一致性判断、发射率
电子探测式辐射温度计（如红外）	规格书规定波段内的辐射	处理探测器信号后显示或输出	视场、目标尺寸、发射率、光路
比色（双色）测温仪	两个波段内的辐射	由两路信号之比运算得出	两个波长下的发射率之比、光路透过率

双色式同样需要确认发射率和光路条件。用了两个波长，并不意味着任何对象都不会有误差。

高温计厂家 KELLER 对比色式在哪些情况下有利、哪些情况下不利，有如下说明：

• 有利的情形：粉尘、烟雾或脏污的窗口对各波长的衰减相同时，两路信号之比不变，读数也就保持稳定。
• 前提条件：只有两个波长下的发射率相同，读数才等于真实温度。KELLER 指出，这个前提在实际中很少成立。
• 可能更差的情形：两个波长下的发射率不同且在波动时，误差可能比单波长高温计更大，在有色金属上尤其如此。

灯丝隐灭式高温计的工作原理

理解原理，先把两种光分开：一种是被测物发来的光，另一种是仪表自己产生的光。高温计并不是把被测物的温度直接变成电流，而是由操作者调节比较灯泡的电流。

物镜把被测物成像在灯丝所在的平面上。操作者透过滤光片和目镜，在同一视场里比较两者的亮度。

红色滤光片把比较限定在一小段红色波长内。依据固定波段的亮度比较，而不是凭整体颜色是否相近，读数才能与温度对应起来。

实际仪表里还装有用于切换量程、衰减光量的滤光片。图 2 只表示成像与比较的关系，滤光片的种类和位置要以各仪表的光学设计为准。

图 2：被测物的像成在灯丝平面上，在红色波段内比较亮度

图中画出从被测物上端到灯丝平面的两条代表光线。蓝色虚线只表示目镜一侧的光路，并非严格的光线追迹。

灯丝本身是发光的，与被测物的像一起被观察。选取红色波段和衰减光量属于测量用的光学功能，图中滤光片并不表示可以代替护目装备。

灯丝偏暗、隐灭、偏亮

灯丝电流小、灯丝比被测物暗时，在明亮的背景上会看到一条发黑的线。逐步加大电流，灯丝变亮，与背景的反差随之缩小。

如果电流过大，灯丝比被测物还亮，就成了一条亮线。这时要减小电流，在偏暗与偏亮之间找到亮度一致的那一点。

被测物与灯丝亮度相等时，灯丝的边缘在被测物背景上就很难分辨，这就是"灯丝隐灭"。灯泡并没有熄灭，灯丝也没有真的消失。

为了便于比较，要调好目镜，并对被测物对好焦。图像发虚，或者灯丝正好压在被测物的边缘上时，"是否一致"的判断本身就不可靠。图 3 给出了三种视场。

图 3：灯丝亮度与背景接近时，灯丝"隐灭"

被测物亮度保持不变。每个视场里的弯曲线都是同一根灯丝。

颜色和线宽仅为示意。中间的视场里灯泡仍然亮着，只是灯丝与背景融为一体。

灯泡电流为什么能换算成温度

加大电流会改变灯丝的温度和辐射，但仅凭这一点还不能自动得出被测物的温度。仪表需要经过校准，建立"一致时的电流"与"亮度温度"之间的对应关系。

校准时，实验室以已知亮度温度的标准灯泡或黑体为基准，找出仪表灯丝与之亮度一致时的电流。仪表的刻度或内部的换算关系，就是利用这一对应关系读出温度的。

灯泡或光学部件的状态一变，同一电流下的观察效果也可能不同。做维护时要把"灯丝能点亮"和"温度示值与基准相符"分成两项来确认。

测量时用来与被测物比较的内置灯泡，和校准时作为基准的标准灯泡，作用并不相同。校准是把内置比较灯泡电流所对应的温度示值，与标准灯泡或黑体的基准联系起来的过程。

0.65 μm 并不是热辐射的峰值波长

物体温度升高后，可见光波段的热辐射增强，直到肉眼能看到它发出红光。黑体光谱的峰值会随温度升高向短波方向移动，但物体刚开始发红光时，并不是在可见光波段辐射最强。

黑体按单位波长计的光谱辐射峰值，可以用维恩位移定律估算。波长取 μm、热力学温度取 K 时，常数约为 2,898 μm·K。

700 ℃ 黑体的峰值约为 2.98 μm，已经在红外区。即便如此，仪表仍可以用可见光波段的辐射做比较，所以峰值波长与仪表的测量波长要分开看。

同样，650 nm（0.65 μm）也不意味着温度变化时滤光片会随峰值移动。这个型号例子使用 0.65 μm 的红色波段，实际的有效波长还取决于滤光片和人眼灵敏度等因素。图 4 把这些数值放在同一根轴上。

图 4：区分"测量用的红色波段"与"黑体辐射的峰值"

横轴为线性波长刻度。圆点表示计算得到的峰值位置，并不表示辐射强度。

红色波段的宽度仅为示意，不是任何型号的实际透过带宽。峰值比较中没有计入发射率引起的光谱分布变化。

亮度温度与真实温度

亮度温度（kido ondo）是指在某一波长下，与被测物亮度完全相同的黑体所具有的温度。黑体是能吸收全部入射辐射的理想物体，是比较同一温度下实际物体热辐射的基准。

发射率（放射率，hosharitsu）小于 1 的物体，在同一温度下发出的辐射比黑体少。只要周围的反射可以忽略，以黑体为基准读出的亮度温度就低于真实温度。

如果要做发射率修正，就要用与测量波长和表面状态相符的值。不要只凭材料名称就定一个固定值，氧化皮、粗糙度、温度和观察角度变化时，发射率也会随之变化，需要一并考察。

算例：发射率能把读数推偏多少

在维恩近似下，亮度温度与真实温度的关系可以写成印度理工学院马德拉斯分校（IIT Madras）课程资料中所称的理想高温计公式，见下。数值是虚构的，只用来说明影响的大小。

波长这一项很关键：同样取 ε = 0.80，若换成一台假想的 1.6 μm 仪表，读数 1,000 ℃ 背后的真实温度约为 1,042 ℃。波长越短，读数对发射率误差越不敏感。KELLER 也建议测金属时选用短波长高温计。

这也是红外测温仪和光学高温计对同一表面读数不同的原因之一，即使两台都在校准有效期内也是如此。怀疑仪表有故障之前，先比一比两者的波长和发射率设定。

表面读数与内部温度

对不透明的钢件，光学高温计接收的主要是看得见的表面的辐射。它不能直接读出厚件的心部温度，也读不出墙后面的温度。

加热过程中表面先热起来，热量传到心部需要时间。表面读数达到设定值，并不表示工件已经热透、温度均匀。

接触式测温也有同样的问题：测点位置选得不对，读出来的就不是你需要的温度。测流体温度时，保护套管的插入长度和响应同样要问：传感器究竟是从哪里受热的。

对玻璃等透光材料，来自内部或背后的辐射可能混进来。不要想当然地认为高温计对任何材料都只测表面，要先确认被测物在该测量波长下是否不透明。

保温管道也一样：外护层表面的温度不是内部流体的温度。结合保温厚度、散热量与表面温度的关系，确认所测的那个面，是否真的对应你要控制的温度。

反射、窗口、烟尘与目标尺寸

当炉壁的辐射被光亮的金属表面反射进仪表时，反射分量会叠加在被测物自身发出的光上。这种情况下，不能简单地认为发射率低读数就一定偏低。图 5 把几条路径分开画出。

图 5：到达仪表的光，不只取决于被测物的温度

要分开考虑被测物自身的辐射、背景的反射，以及途中的窗口和烟雾。为看清楚，上下两条光路是错开画的。

箭头只用来区分光路，并不按比例表示辐射量或反射角。窗口、烟雾和背景对读数的影响有多大，取决于它们的吸收、发射和强度。

光路上的每一项，都要单独核对：

• 观察窗：关键是窗口在测量波长下能透过多少光。肉眼看着透明，不等于它对读数的影响可以忽略。KELLER 介绍了一种做法：已知的窗口损失可以通过发射率设定来补偿（仪表设定值＝被测物发射率×光路透过率）。
• 脏污、起雾、附着物：它们积累起来后，从被测物到达仪表的光会改变，读数随之漂移。KELLER 指出镜头上的附着物会使读数偏低。要记录窗口状态和瞄准路径，才能把它与真实的温度变化区分开。
• 背景反射：尽量瞄准炉壁辐射照不到的位置。
• 小目标：目视式的光学系统在这里有帮助，但要确认灯丝所压的那块被测区域看得清楚，仪表的放大倍率和焦距也与之匹配。
• 电子式仪表：被测物必须充满规定的测量视场。不要把激光瞄准光点的大小当作测量面积，要按规格书中的距离与光斑直径的关系核对目标尺寸。

光学高温计的优点与局限

最大的优点是不必把传感器放到高温部位上，凭它发出的辐射就能得到温度。既避免了接触对被测物的干扰，也避免了传感器自身承受高温的负担。

接触式传感器的耐久性，取决于传感器型式、保护管、气氛和连续使用条件。不能用"热电偶都能用到 2,000 ℃""热电阻都能用到 700 ℃"这类一刀切的上限来选型。

温度落在光学高温计的测量范围内，也不意味着它一定比接触式更合适。要根据需要测的位置和测量结果的用途来选。

抽检读数与连续监控

目视比较适合由人对准、并由人判断是否一致的测量。如果需要连续记录快速变化的温度，并把数值送入自动控制，就应考虑电子探测式或其他带所需输出的仪表。

用于 PID 控制时，不能只看仪表的最高温度来选型。响应时间、刷新周期、输出方式，以及针对光路脏污的维护，都要满足控制回路的要求。

显示分辨力细，不等于真实温度也能测得同样细。接触式的石英晶体温度计也是如此，不能只看显示位数来判断测量是否可靠。

用多台温度计做比对时，先确认它们是在相同条件下测同一个位置。双元件温度传感器提供两路测量，但它并不会自动与在另一个表面上做的非接触读数一致。

校准与溯源

校准是找出仪表与基准之间的差值。即使仪表已经校准，测点、发射率或观察窗一变，现场读数仍可能不同。

读日方出具的高温计校准文件时，下面几点会有帮助：

• ITS-90：在银凝固点（961.78 ℃）以上，1990 年国际温标（ITS-90）依据普朗克辐射定律来定义温度，并以银、金（1,064.18 ℃）或铜（1,084.62 ℃）的凝固点作参考。在这一温区，温标本身就是靠辐射温度计来复现的。
• JCSS：日本的认可校准制度（Japan Calibration Service System，日本校准服务制度）涵盖辐射温度计，与国内由 CNAS 认可的校准实验室在位置上近似对应，但制度并不相同。需要国际互认时，可以询问该校准是否属于 JCSS，证书上是否带 ilac-MRA 标识。
• ITS-90 还是热力学温度：2020 年 1 月，日本 NITE 向 JCSS 校准实验室发出通知：日本国家计量院 NMIJ 在 960～2,800 ℃ 范围内的辐射温度标准，由 ITS-90 改为以热力学温度为基础。通知要求证书注明各数值依据哪一种，所以要看清证书上的这一行。
• 校准范围：不要假定校准点上的误差在校准点之外仍然保持不变。要把证书上的校准点与你的实际使用范围对照。

日方的辐射温度计资料中，可能引用 JIS C 1612:2023，即日本关于辐射温度计性能试验方法的标准。国内外资料里还常见 ASTM E1256（单一波段辐射温度计的试验方法）和 IEC TS 62492-1（规格书应标明的技术数据）。

这几项标准之间的对应关系本文未作确认，也没有查到可对照的 GB 或 JJG/JJF 条目。若验收涉及性能指标，请向供应商询问其依据的是哪一项标准、采用什么试验条件。

在 GB/T 19001 对监视和测量资源的要求下，是否采信日方的校准证书，应由你们公司的计量管理部门和客户共同决定。送校时请说明实际使用的温度范围和量程，并在这些条件下确认示值误差。相对于标准的示值误差，与现场测量的误差来源，要分开记录。

读数对不上时：怎样找出原因

两台仪表读数不一致，或者今天与上周的读数不同，可以按测点、光路和读数三个方面来归类原因。把温度的差异和条件的差异分开记录，并在改动任何设定之前先把比较条件对齐。图 6 把检查分成四个方面。

图 6：按测点、光路和读数分别找原因

温度差异与测量条件差异要分开记录。改动设定之前，先把比较条件对齐。

测点确认是材料的哪个面、哪个位置？与接触式比较之前，先理清表面温度与内部温度之差。

被测表面确认氧化皮、附着物、粗糙度有没有变化？发射率要选用与测量波长和表面状态相符的值。

观察光路确认窗口脏污、烟雾、背景反射有没有变化？对照上一次的记录，核对光路和修正条件。

仪表与读数确认确认量程、对焦、灯丝状态和一致性的判断。与基准之间的示值差，要通过校准来评价。

为了抹平差距而随意改动发射率，会把真正的原因掩盖起来。要使用与被测物和基准条件相对应的值。

请保留能让测量重现的记录：

• 对准的位置和方式：仪表编号、读数、被测位置和观察方向，包括用的是哪个炉口、瞄准的是材料的哪个部位。
• 设定条件：量程、发射率设定值，以及窗口或滤光片的状态。
• 随时间的变化：窗口是什么时候清洁的、被测表面有什么变化，便于与运行条件的变化区分开。
• 读数的分散：单次目视判断一致比较困难时，先确认被测物温度已稳定，再看重复读数的离散程度。把被测物自身的波动，与瞄准、判断带来的波动分开。
• 操作者的一致性：换班、换人时，对焦方法和比较的位置要统一。只选最亮处读到的数，与在别处读到的数，不能当作同一个测点记录。

可以直接使用的内容：确认清单与对日方的提问

当日方的技术规格、检查记录或炉子使用说明书里给出光学高温计的读数时，可以按下面的清单逐项核对：

• 仪表类型：目视灯丝隐灭式、单波段红外式，还是比色（双色）式
• 测量（有效）波长，例如 0.65 μm
• 记录的数值是亮度温度（輝度温度，kido ondo），还是经过发射率修正的温度
• 使用的发射率设定值，以及怎样选定的（表面状态、波长）
• 观察窗：材质、状态，以及透过率有没有被修正
• 测点：材料的哪个面、哪个位置、哪个炉口，以及观察方向
• 该位置是否可能受炉壁或加热体的反射影响
• 瞄准路径中有没有烟、蒸汽或粉尘
• 校准证书：是否 JCSS、校准点与你的使用范围对照、需要时是否带 ilac-MRA 标识
• 证书数值依据 ITS-90 还是热力学温度（NITE 通知涉及的 960～2,800 ℃ 范围）
• 你们的工艺规范要求的是表面温度、内部温度，还是炉温

如果有项目缺失，通常发一封简短的邮件就能解决。下面的范例可以按需修改，方括号处请替换成实际内容。日方对口人员多数习惯用英文或日文，必要时请请懂日语的同事或翻译协助转换。

本文的适用范围

• 测量范围、准确度、波长和功能因型号而异。CHINO IR-URN 的数据只是一个例子，并非通用规格。
• 算例中的发射率和透过率是虚构的，且忽略了反射辐射。实际发射率取决于材料、表面状态、温度、波长和观察角度。
• 本文不给出具体材料的发射率数值，请向仪表厂家索取，或在自己的工件上实测。
• 校准做法和证书的措辞因实验室而异。日方证书能否被你们的质量体系采信，取决于贵公司和客户的要求。
• 本文不是观察炉膛的作业指导书。护目防护和安全的观察位置，请按本厂的安全规程和个体防护要求执行。

常见问题

只看红热的颜色，能判断温度吗？

不能。肉眼看到的颜色还受环境光和眼睛适应程度的影响，所以不能代替仪表。灯丝隐灭式是在规定的波段内与基准灯丝比较亮度，再根据校准后的对应关系读出温度。

灯丝隐灭了，被测物就是黑体吗？

不是。灯丝隐灭只说明从被测物到达仪表的光，与灯丝的亮度一致，并不能说明被测物是黑体。要得到真实温度，还要确认发射率和光路的条件。

光学高温计能测运动中的物体吗？

只要能把被测物保持在视场内并判断它的亮度，就可以测。要考虑移动速度、可见的时间和目标大小；如果需要连续测量，则要选合适的探测方式和响应时间。

校准过的高温计，隔着窗口读数还是一样的吗？

不一定。校准针对的是仪表本身，而窗口的透过率和脏污会改变到达仪表的光。要把校准条件与实际的瞄准光路对照，再决定需要怎样的修正和检查。

红外测温仪与光学高温计的读数为什么对不上？

通常是波长、发射率设定和光斑大小不同造成的。同样的发射率误差，对长波长仪表读数的影响比对 0.65 μm 的更大，所以先对比两台仪表的设定，并瞄准同一个位置，再去怀疑哪一台出了问题。

资料来源

• 灯丝隐灭、亮度温度、热辐射基础：NBS/NIST，Self-Study Manual on Optical Radiation Measurements，Technical Note 910-8（1985），§8.2
• 理想高温计公式、有效波长、灯丝隐灭式的操作：S. P. Venkateshan，Mechanical Measurements，IIT Madras（NPTEL）
• IR-URN 的测量原理与规格：CHINO Corporation，数字式光学高温计（日文）
• IR-URN 的光学系统与测量波段：CHINO Corporation，样本 CP-107-02（日文）
• 亮度温度与真实温度：牛尾电机（Ushio），卤素灯基础知识，§8(1)（日文）
• 维恩位移常数：NIST，2022 CODATA 值（本文取整为 2,898 μm·K）
• 背景反射、光路透过、比色高温计：KELLER，Metrological errors
• 发射率与波长：KELLER，Definition and influence of emissivity
• 银点以上的 ITS-90：BIPM/CCT，Guide to the Realization of the ITS-90: Radiation Thermometry（2018）
• JCSS 辐射温度计、960～2,800 ℃ 的热力学温度：NITE，致 JCSS 辐射温度校准实验室的通知，2020 年 1 月 30 日（日文）
• 单波段辐射温度计的试验方法：ASTM E1256-17(2022)
• 辐射温度计规格书术语：IEC TS 62492-1:2008