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紅外測溫儀的測量原理標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用實例
用紅外測溫儀進(jìn)行非接觸溫度測量有許多的優(yōu)點(diǎn),,它的運(yùn)用范圍從很小或難以接觸到的物體至腐蝕性的化學(xué)物和敏感的表面物,。本文將討論此優(yōu)點(diǎn),給予正確選擇紅外測溫儀的決定性等加以說明運(yùn)用范疇,。由于原子和分子的運(yùn)動,,每一物體都會輻射電磁波,對非接觸溫度測量zui重要的波長或光譜范圍是在0.2至2.0μm,。這一范圍內(nèi)的自然射線,,人們稱作為熱輻射或紅外線。
由被測物輻射的紅外線所進(jìn)行溫度測量的測試儀器,,按照德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN16160被稱為輻射溫度計,,輻射測溫儀或紅外測溫儀。這些名稱也適用于那些由被測體輻射的可見彩色射線所進(jìn)行溫度測量的儀器,,及由相對頻譜的輻射密度導(dǎo)出溫度的儀器,。
一、紅外測溫儀溫度測量的優(yōu)點(diǎn)
通過接收被測體輻射的紅外線而進(jìn)行的非接觸溫度測量有很多的優(yōu)點(diǎn),。這樣那些難以接觸到或運(yùn)動著的物體就可毫無問題的進(jìn)行溫度測量,,如傳熱性能差的或很小的熱容量材料。紅外測溫儀很短的響應(yīng)時間能快速地實現(xiàn)有效調(diào)節(jié)回路,。測溫儀不擁有會磨損的部件,,因而就不存在如使用溫度計所存在的連續(xù)費(fèi)用。特別是在很小的被測物體,,如用接觸測量,,由于物體的導(dǎo)熱性將產(chǎn)生很大的測量誤差。這里可毫無疑問的使用測溫儀,,及用于腐蝕性的化學(xué)物或敏感的表層,,如在油漆,紙張和塑料軌上,。通過遠(yuǎn)距離的搖控測量,,可遠(yuǎn)離危險區(qū)域,使操作人員無危險性。
二,、紅外測溫儀的原理構(gòu)造
把從被測物接收的紅外線,,由透鏡經(jīng)過濾波器聚焦在檢波器上。檢波器通過被測物輻射密度的積分,,產(chǎn)生一個與溫度成比例的電流或電壓信號,,在此后相連接的電器部件中,把此溫度信號線性化,,發(fā)射率區(qū)域的修正,及轉(zhuǎn)換成一個標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號,。
原理上有便攜式測溫儀和固定式測溫儀兩種,,因此,在選擇合適的紅外測溫儀用于不同的測量點(diǎn)時,,以下的特征將是主要的:
1,、瞄準(zhǔn)器
瞄準(zhǔn)器有此作用,測溫儀所指的測量塊或測量點(diǎn)可以看見,,大面積的被測物可以經(jīng)常不要瞄準(zhǔn)器,。在小的被測物和較遠(yuǎn)的測量距離時,瞄準(zhǔn)器以透光鏡形式帶有儀表板刻度或激光指向點(diǎn)是值得推薦的,。
2,、透鏡
透鏡確定測溫儀的被測點(diǎn),對大面積的物體來說,,一般帶有固定焦距的測溫儀足夠可以,。但在測量距離遠(yuǎn)離聚焦點(diǎn)時,測量點(diǎn)邊緣的圖像將不清楚,。為此,,采用變焦鏡更好,在所給予的變焦范圍內(nèi),,測溫儀可調(diào)整測量距離,,的測溫儀帶有變焦的可替換鏡頭,近透鏡和遠(yuǎn)透鏡可不需校準(zhǔn)復(fù)檢進(jìn)行更換,。
3,、傳感器,即光譜接收器
溫度是與波長成反比的,。在低物體溫度時,,對長波光譜區(qū)域敏感的傳感器(熱膜傳感器或熱電傳感器)是很合適的,在高溫度時,,將用對短波敏感受的,,由鍺,硅,銦-鎵等組成的光電傳感器,。 在選擇光譜敏感性時,,還要考慮對氫氣和二氧化碳的吸收光譜帶。在一定的波長范圍內(nèi),,即所謂的“大氣層窗",,H2和CO2對紅外線幾乎是穿透的,因此測溫儀的光變敏感性必須在此范圍內(nèi),,以便排除大氣層濃度變化帶來的影響,,在測量薄膜或玻璃時,還要考慮到這些材料在一定波長內(nèi)不易穿透的,。為了避免背景光線引起的測量誤差,,運(yùn)用相宜的,只接收表面溫度的傳感器,,金屬有此物理特性,,發(fā)射率隨著波長的減小而增大,經(jīng)驗而談,,測量金屬的溫度,,一般選擇zui短的測量波長。
三,、發(fā)展趨向
如許多的傳感技術(shù)領(lǐng)域,,測溫儀的發(fā)展趨向也走向小型的,精巧的造型,,圓型的,,帶有中央螺紋的外殼是地安裝于機(jī)器和設(shè)備的造型,這一發(fā)展趨向的實現(xiàn),,是通過不斷的電器部件微型化,,及高度的微積分使得愈來愈小的,愈來愈精致的電器部件濃縮于愈來愈小的空間,。與過去模擬技術(shù)相比,,通過微控件的應(yīng)用,提高了檢波器信號線性化高度的精密性,,因而也提高了儀器的度,。 市場供應(yīng)需要快速的,價廉的測量值接收,,它能直接輸出一個與溫度成比例的,,線性的電流/電壓信號,測量值得處理,,如平整功能,,特殊值儲存,或邊界接觸將放置在智能顯示器,調(diào)節(jié)器或SPS(程序控制器)上,,通過電纜外接的發(fā)射率調(diào)整,,可以危險區(qū)外,即便機(jī)器開動著,,也可修正,,這時也可由SPS來調(diào)整。通過身控件的運(yùn)用,,現(xiàn)在可毫無問題地實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線接口,,但網(wǎng)絡(luò)連接至今還未實現(xiàn),對信號的繼續(xù)處理,,還延用過去的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號,。在檢波器段,用了新的材料作光電傳感器,,證實了敏感性的提高,乃至分辨率的提高,。在熱膜傳感器中,,新的傳感器只需要更短的調(diào)整時間,帶瞄準(zhǔn)器測溫儀的發(fā)展,,是變焦的更換鏡頭,,不用校準(zhǔn)復(fù)檢即可替換,對不同的測量位置用同一基礎(chǔ)儀器,,節(jié)約了倉庫管理費(fèi)用,。
四、選擇測溫儀的主要標(biāo)準(zhǔn)
測溫儀的運(yùn)用主要由測量范圍所決定,,不論是測量電壓,,還是測量區(qū)域的始值,都應(yīng)與測量工作的要求相符,,選擇愈大的測量電壓,,分辨率就俞小,因而準(zhǔn)確性就差,,特別在低測量溫度始值時,,選用大的測量電壓,準(zhǔn)確性將成倍的減小,,因而值得推薦的是,,選擇可能的zui小測量電壓。
測量區(qū)域的始值時決定了光譜的敏感性,,以至也決定了檢波器的型號,,測量的誤差由于發(fā)射率的錯誤調(diào)整,在短波的傳感器要明顯地比長波傳感器小,所以在熱膜傳感器(8~14μm)800℃時,,由于發(fā)射率的錯誤調(diào)整所引起的測量誤差,,將五倍的大于鍺-光電二級管的傳感器(1,1~1,6μm)。鍺-光電二級管的傳感器容許的測量范圍從大約250℃起,。
舉例說明,,在陶瓷工業(yè)或發(fā)電廠的燃燒過程,測量范圍通常在0~1300℃,。為了避免大的誤差產(chǎn)生,,應(yīng)該選用短波檢波器的測溫儀。盡管它的高測溫值從250~1300℃
另一個選擇合適測溫儀的標(biāo)準(zhǔn)是間距比例,。這里指的是測量距離和測量點(diǎn)直徑的比例關(guān)系,,如果被測物小,測量距離大,,或所謂的“熱點(diǎn)"在大面積上,,那就需要大的間距比例。相反如果大面積的測量點(diǎn),,由于傳感器對測量點(diǎn)的是間值有一個穩(wěn)定的輸出信號,,固選用小的間距比例。 另外要確定的是,,測溫儀是否帶瞄準(zhǔn)器裝置,,因為瞄準(zhǔn)器裝置將提高50%的成本,這里關(guān)鍵是一個價錢的部下,,在大面積的測量物體時,,通常可以不要組裝進(jìn)瞄準(zhǔn)器,,代之的是一個外接的瞄準(zhǔn)器,,它將用于測溫儀在安裝時的矯正,這樣就有價格上優(yōu)勢,,眾多的測量處只需一個瞄準(zhǔn)器,。
對小的測量物體或者遠(yuǎn)離的測量距離就需隨時能瞄準(zhǔn)的可能。在一個帶儀表板刻度的透光鏡,,人們可看清測量點(diǎn)的實際大小,,價格便宜的是用激光指向點(diǎn),但它只能逐點(diǎn)進(jìn)行測量,,在測量閉式爐等相似類時,,需要一個透視窗。由此需要決定,,測溫儀是否需要,,及南非要哪些功能?如平整功能,,特殊值儲存,邊界接觸或電腦接口,,為了測溫儀的相適于測量物表面,,發(fā)射率調(diào)整的可能有性是必須的,其他的功能可以價廉地通過連接記錄儀,,調(diào)節(jié)器或程控機(jī)來實現(xiàn),。此外,對某些運(yùn)用來說,,外型結(jié)構(gòu)也是決定因素,,在較高的環(huán)境溫度下,測溫儀以鏡頭只帶光學(xué)部分,,由光導(dǎo)電纜連接電器部分,,放置于遠(yuǎn)離高溫地帶,優(yōu)點(diǎn)在于,,可以節(jié)約冷卻裝置,。
zui后是測溫儀型號,是光譜測溫儀,,還是比率(雙色)測溫儀,,光譜測溫儀接收一個波長的輻射密度,與此不同的是比率測溫儀帶雙重傳感器二個單一的傳感器,,它將測量二個不同波長的輻射密度,這二個檢波器信號的比便再現(xiàn)溫度的比例關(guān)系,,由于中間介質(zhì)如蒸汽,,灰塵在測溫儀的輻射內(nèi),或發(fā)射率的變動,,至一定的范圍內(nèi),,這二條線路不顯示信號變動。但單色光譜測溫儀將馬上顯示此變動,,故此率測溫儀優(yōu)先用行管式轉(zhuǎn)爐或在金屬制造和加工業(yè)中,,輻射干擾較嚴(yán)重的場合。
五,、運(yùn)用舉例
不同測溫儀的運(yùn)用可能性是極其廣泛的,,近幾年內(nèi)的價格大幅度下降開辟了愈來愈多的運(yùn)用領(lǐng)域,特別在低溫區(qū)域或用于替換一般的傳統(tǒng)溫度計,,下面的實例是關(guān)于使用及解答案的概況,。
1、混凝土加工業(yè)
在混凝土加工時,,溫度是對凝結(jié)時間和由此而定的堅固性起關(guān)鍵作用,,特別是安全混凝土,,得達(dá)到一定的加工溫度,接觸探針將機(jī)械地由于水泥的腐蝕作用而很快損壞,。而測溫儀即可直接接受攪拌滾筒的溫度,,也可是混凝土出口時的溫度,因為ISO9000的質(zhì)量檢驗的需要,,溫度必須與其它的生產(chǎn)參數(shù)一起以文件形式被記錄下來,,上于臟亂的工業(yè)環(huán)境,需要十分堅固的,,如防塵,,防水的測量鏡頭,為了防護(hù)測溫儀,,采用相宜的附件如軸向間隙噴嘴,,光鏡保護(hù)蓋及絕緣管。
2,、造紙業(yè)
在造紙業(yè)精制中,,紙軌將在一個加熱的金屬軋輥和涂有塑料層的精壓軋輥之間運(yùn)行,如果紙的寬度小于軋輥寬時,,精壓軋輥的邊緣的溫度將大大高于中間的,,這中間和邊緣的溫度之差不能超出已定的溫度,否則塑料涂層將損傷,。
為了測量溫度,,可以每一機(jī)架裝備三個固定式測溫儀,也可用一測溫儀在瞄準(zhǔn)器裝置上沿著軋輥長度移動,,由于局部的強(qiáng)烈蒸汽需要一個防水的測溫儀及帶軸向間隙噴嘴,,用于視窗的自由吹氣,因為溫度的處理需要SPS機(jī),,所以一般的儀器帶有發(fā)射率的修正就可,。
3、陶瓷工業(yè)
為了陶瓷材料的生產(chǎn),,在燃燒過程中需要知道溫度的變化過程,,以便達(dá)到同樣質(zhì)量的產(chǎn)品,避廢品產(chǎn)生,,同時為了節(jié)約能源,,必需把溫度控制在zui小值內(nèi),至今以來都是用溫度計測量溫度,,它得到的是室溫,,對此測溫儀就有優(yōu)勢,它能直接測量物體表面的溫度,,而且是在很短的時間內(nèi),,這樣就能準(zhǔn)確地測量并保持燃燒溫度,。
4、冶金工業(yè)
在冶金工業(yè)行業(yè)中,,紅外溫度測量更是應(yīng)用于各個領(lǐng)域,。例如各種爐體的內(nèi)壁缺陷診斷、冷卻壁損壞的診斷,、工藝參數(shù)的控制等等,。通過紅外溫度測量可以準(zhǔn)確地監(jiān)控設(shè)備的狀況,提高設(shè)備使用壽命,,節(jié)約能源,,降低成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量
由此可知,,傳統(tǒng)的溫度計將是淘汰的時代產(chǎn)品,,它將隨時間而消失或損壞,以致需要不斷的更換,,而測溫儀不具有磨損件,,因而理論上,它的使用壽命是無限的,,因此它的較貴些的投資成本在短期內(nèi)即可贏回,。測溫儀即可在側(cè)邊,或在頂上安裝,,避免傾斜的對準(zhǔn),,以免測溫儀只被抓信邊緣,軸向間隙噴嘴應(yīng)避免放在測溫儀的鏡頭上,,在較高環(huán)境溫度時,,需要一個附加的冷卻裝置。 紅外探測原理:
利用在自然界,,任何高于溫度(- 273度)時物體都將產(chǎn)生紅外光譜,不同溫度的物體,,其釋放的紅外能量的波長是不一樣的,。全稱是被動式熱釋電紅外探測器。
在被動紅外探測器中有兩個關(guān)鍵性的元件,,一個是熱釋電紅外傳感器(PIR),,它能將波長為8一12um之間的紅外信號變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⒛軐ψ匀唤缰械陌坠庑盘柧哂幸种谱饔?,因此在被動紅外探測器的警戒區(qū)內(nèi),,當(dāng)無人體移動時,熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度,,當(dāng)人體進(jìn)人警戒區(qū),,通過菲涅爾透鏡,,熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號,因此,,紅外探測器的紅外探測的基本概念就是感應(yīng)移動物體與背景物體的溫度的差異,。
另外一個器件就是菲涅爾透鏡,菲涅爾透鏡有兩種形式,,即折射式和反射式,。菲涅爾透鏡作用有兩個:一是聚焦作用,即將熱釋的紅外信號折射(反射)在PIR上,,第二個作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū),,使進(jìn)入警戒區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號,這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號,。
人體都有恒定的體溫,,一般在37度,所以會發(fā)出特定波長10微米左右的紅外線,,被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10微米左右的紅外線而進(jìn)行工作的,。人體發(fā)射的10微米左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件,,這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡,,向外釋放電荷,后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號,。
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