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紅外線熱電偶原理
引言
Rt/c紅外線熱電偶 – 革命性的溫度傳感新技術(shù)
IRt/c產(chǎn)品系列是溫度傳感技術(shù)的重大 突破,。IRt/c傳感器不含電源,、成本低、 且無需觸碰材料即可測量材料的表面 溫度,。這些產(chǎn)品可直接安裝在傳統(tǒng)熱 電偶控制器、PLC,、變送器和其他讀 數(shù)設(shè)備上
如何測量溫度,？
所有IRt/c產(chǎn)品均含有專有紅外線檢測 系統(tǒng)，由其接收來自傳感器所指向物 體輻射的熱量,，并將熱量被動地轉(zhuǎn)化 為電勢,。之后，產(chǎn)生標定為預(yù)期熱電 偶特性的毫伏信號,。
所有IRt/c均為自供電設(shè)備,，并僅依賴 傳入的紅外線輻射通過熱電效應(yīng)產(chǎn)生 信號，因此,，信號將遵循熱輻射物理 的規(guī)律并受過程中固有的非線性影響,。
然而，IRt/c輸出在一定的溫度范圍內(nèi) 足以達到線性要求，可生成直接用于 傳統(tǒng)t/c信號互換的信號,。例如,，指dingt/c線性2%匹配會產(chǎn)生一個溫度范圍， 在這個范圍內(nèi)IRt/c會生成處于傳統(tǒng)t/c 操作2%范圍的信號,。指ding5%匹配生 成的溫度范圍更廣,。
每個IRt/c機型都經(jīng)過特別設(shè)計，可在shi合傳統(tǒng)t/c設(shè)備的線性區(qū)域內(nèi)發(fā)揮jia性能,，不過也可在區(qū)域外使用,，只需恰 當校準讀數(shù)設(shè)備。輸出信號在整個額定 溫度范圍內(nèi)平穩(wěn)持續(xù),，且可在整個范圍 內(nèi)保持1%的可重復(fù)性,。
“溫度選用指南”（第81頁）匯總了每 個IRt/c機型的線性范圍性能。用戶選擇 IRt/c機型和類型以及適合應(yīng)用的目標溫 度范圍,。熱電偶讀數(shù)設(shè)備上的正常偏差 調(diào)整可用于校準安裝,，以避免發(fā)射率和 背景效應(yīng)。
新設(shè)備的可靠性如何,？
溫度控制中根本的因素是測量設(shè)備在 工作條件下長期保持校準的能力,。IRt/c 的額定可重復(fù)性為（讀數(shù)的）1%，且 沒有可測量的長期校準變化,，因此非常 適合用于可靠的溫度控制,。這些特性是 每個IRt/c設(shè)備的基本設(shè)計和結(jié)構(gòu)內(nèi)在的 特性。
可重復(fù)性是指測量設(shè)備在相同條件下再 現(xiàn)校準的能力,。IRt/c系統(tǒng)堅實,、密閉、 且*密封,，在工作中不會出現(xiàn)機械或 冶金方面的變化,。系統(tǒng)中沒有生成信號 的有源電子器件和 電源，熱電偶信號的 生成*依賴熱電效應(yīng),。1%等級是基于 測試條件下證實更小容差的實際困難而 提出的守恒值,，不是設(shè)備的實際限制。
影響可重復(fù)性的因素同樣也影響長期精度：機械變化和冶金變化,。*,，隨著時間的推移，熱電偶會因為這些效 應(yīng)改變校準,。出現(xiàn)機械變化的原因在 于：為了縮短響應(yīng)時間,，傳統(tǒng)熱電偶的 構(gòu)成通常小而輕便，但容易出現(xiàn)熱電偶 的屬性的改變,。更為重要的是,，由于只測量自身溫度，傳統(tǒng)熱電偶必須在高溫 下使用。
影響熱電屬性的冶金變化是溫度的重要 功能,，這種變化在室溫下可以忽略,，而 在高溫下必須引起足夠重視。
IRt/c自身的設(shè)計和基本運行可解決這兩 種問題,。不銹鋼外殼中采用*封閉的 堅實結(jié)構(gòu)設(shè)計,，以及在近乎室溫條件下 的運行，可從根本上解決傳統(tǒng)熱電偶常 見的漂移問題,。每個IRt/c設(shè)備都在100?C 以上的高溫下進行雙重退火,， 可確保長期穩(wěn)定性，并且經(jīng)過了5次測 試才進行封裝,。IRt/c不僅出現(xiàn)故障的機 率小,，還可以長 期保持校準精度。
快速安裝指南
所有基于紅外線的傳感系統(tǒng)都必須針對 特定的材料表面屬性進行校準（例如目標表面輻射的熱量,、環(huán)境熱反射等）,。 這種校準通過使用可靠的獨立表面溫 度探頭測量目標表面溫度來執(zhí)行。使用 OMEGA OS91手持式紅外線測溫儀是 可擺脫這些影響的輕松,、bian捷的精que校準方法,，該測溫儀采用自動發(fā)射率 補償系統(tǒng)，在任何發(fā)射率下均可得出正 確讀數(shù),。
推薦下列步驟：
安裝IRt/c并盡可能貼近,，以查看要測量的目標材料,。
按照標準樣式,，用電線將IRt/c和控 制器、PLC變送器（包括護板）等相 連,。正如傳統(tǒng)t/c設(shè)備,，紅線總是處于(–)位置。
將流程調(diào)至正常工作溫度,，使用 OS91系列紅外線測溫儀測量目標材料的實際溫度,。
調(diào)節(jié)讀數(shù)設(shè)備上的“輸入偏移”、“零”,、“低cal”,，與OS91讀數(shù)相匹配。
安裝完成,。
C內(nèi)設(shè)自動溫度調(diào)節(jié)控制器
在多種應(yīng)用中,，需要使用加熱元件或 熱空氣噴射加熱火爐、熔爐中的產(chǎn)品,。 傳統(tǒng)控制設(shè)備使用接觸式熱電偶測量和 控制火爐空氣溫度,、IR加熱元件溫度或 空氣噴射溫度，以維持產(chǎn)品的溫度和質(zhì) 量；通常效果不太理想,。
使用直接測量產(chǎn)品溫度的非接觸式IRt/c 替換接觸式熱電偶（例如測量火爐溫 度）,，可保證產(chǎn)品溫度恒定。由于傳感 器響應(yīng)時間（IRt/c響應(yīng)更快）和加熱產(chǎn) 品所需的時間（比原來的傳感器慢）不 同,，需要重新調(diào)整控制器的參數(shù),。安裝 IRt/c并使用OS91 Infrared Scanner（見 上一頁“快速安裝指南”）校準控制器 讀數(shù)后，啟動控制器的自整定循環(huán),，查 看控制是否穩(wěn)定,、精que。如果控制器無 法正確自整定,，請手動調(diào)整控制系數(shù),， 以實現(xiàn)穩(wěn)定控制。產(chǎn)品溫度改變溫度的 速度可能比原來的傳感器慢,，因此請慢 慢增加PID系數(shù)的“D”,。 ir34
IRt/c可連接長達1,000英尺 （300米）的熱電偶延長線
利用熱電偶屏蔽雙絞線延長線，IRt/c可 安裝在遠離讀數(shù)設(shè)備300米（1000英尺） 的位置,，即使在電噪聲干擾非常嚴重的 環(huán)境,。我們執(zhí)行了一個示范測試，使用 300米（1000英尺）的屏蔽雙絞線延長 線圈將IRt/c連接至計算機的快速（響應(yīng) 時間100毫秒）A/D轉(zhuǎn)換模塊,，其中延長 線展開了30米（100英尺）,。作為噪聲 發(fā)生器，60 Hz 10,000伏的變壓器和火 花發(fā)生器被設(shè)置為在延長線的15 cm （6英寸）長度范圍內(nèi)產(chǎn)生火花,。
測試結(jié)果顯示,，在延長線、火花和變壓 器的任何相對位置噪聲都低于0.1?C,。 IRt/c設(shè)計非凡的噪聲抑制特點使它可放 置在非常遠的位置,，無需使用變送器。 IRt/c外殼與信號導(dǎo)線實現(xiàn)電氣隔離,，并 連接至延長線的屏蔽接地,。如果距離較 遠，應(yīng)使用屏蔽雙絞線延長線,，而且防 護屏應(yīng)連接電氣接地,。
與擋片結(jié)合使用時IRt/c本質(zhì)安全
“具有<1.2V、0.1A,、25 mW或25 microJ 能量存儲或生產(chǎn)特征的現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)被視 為簡單設(shè)備（非能量存儲）,。這些通用 設(shè)備連入已認證安全電路時，無需進一 步認可即可在危險（分類）位置使用,。” – 摘自R. Stahl, Inc. Comprehensive ir35 Product Manual On Intrinsic Safety Barrier and Repeater Relays（安全屏障 和中繼器繼電器綜合產(chǎn)品手冊） 非能量 存儲本質(zhì)安全設(shè)備示例：
熱電偶 • RTD • LED
干簧開關(guān)觸點
NAMUR導(dǎo)電接近開關(guān)
非導(dǎo)電應(yīng)變片設(shè)備和電阻
IRt/c屬于熱電偶,，這是因為信號是通過 將輻射的熱量經(jīng)過塞貝克效應(yīng)這一熱電 偶的基本驅(qū)動力轉(zhuǎn)化成電信號而來的,。 和所有熱電偶一樣，它無需電源,，并可 生成以毫伏電壓,、微安電流以及毫微瓦 功率衡量的信號。IRt/c電容小,，不過位 于一個微法拉,，能量存儲以納焦測量， 比25微焦標準低一千倍,。
因此,， IRt/c有資格作為簡單設(shè)備，在危 險位置使用,，與相應(yīng)屏障連用后可作為 本質(zhì)安全設(shè)備使用,。
與擋片結(jié)合使用時IRt/c本質(zhì)安全
IRt/c應(yīng)用說明
IRt/c監(jiān)測賽車性能的輪胎溫度
輪胎溫度對賽車至關(guān)重要有兩個原因： 輪胎溫度直接影響輪胎的粘附和耐磨損 特征，而且輪胎溫度模式可提供懸浮設(shè) 置和性能的重要信息,。例如,，異常懸浮 引起的輪胎負荷過大，會導(dǎo)致輪胎溫度 大大高于其他輪胎,。
IRt/c是機載數(shù)據(jù)采集的理想測量設(shè)備,， 原因在于其尺寸小、耐用性以及成本 低,。它可以連接至標準熱電偶讀數(shù)系 統(tǒng),。在安裝過程中，應(yīng)將防護屏相應(yīng)接 地,，以避免來自賽車惡劣電氣環(huán)境的干 擾,。機械安裝過程中還應(yīng)注意氣流模 式，盡可能減少鏡頭上的灰塵堆積,。鑒 于其較窄的視場,，我們推薦OS36-2或 OS36-5,，可將其放置在更遠的位置,。
IRt/c相對濕度測量
IRt/c可在多種具有便利的水源和流動空 氣的條件下測量實際的相對濕度，并可 得出精que可靠的讀數(shù),。
對準多孔濕潤表面（有充足的空氣流 通）的IRt/c實際上可測量該周圍區(qū)域所 謂的“濕球”溫度,。（更確切地講，濕 球溫度是指水膜蒸發(fā)后空氣 /水交界處的 平衡溫度,。當空氣在濕潤表面流通時,， 水分通過蒸發(fā)進行冷卻直至達到濕球溫 度，然后停止冷卻,，不論表面上流動了 多少空氣,。冷卻停止時的溫度便是濕球 溫度,。）
IRt/c直接在表面上測量空氣/水交界處 的溫度。水或吸收材料的質(zhì)量不影響讀 數(shù),，因為IRt/c可直接觀察空氣/水的交 界處,，而雜質(zhì)對濕球平衡溫度的影響不 大。
que確的方法是利用與傳統(tǒng)熱電偶差別 連接的IRt/c測量“濕球溫降”的量,。差 分對的安排可保證高精度,，因為RH是 濕球溫降的強大功能，卻是干球溫度的 弱功能,。我們可結(jié)合數(shù)據(jù)使用標準溫濕 表,、圖表以及軟件算法，獲得環(huán)境測量 的精que相對濕度,。
控制WEB滾輪溫度
IRt/c紅外線熱電偶很快成為檢測和控制 Web和滾輪溫度的理想傳感器,。精que測 量滾輪溫度的小提示：
無涂層金屬或鉻滾輪 – 任何紅外線傳 感器都很難感知有光澤、無涂層的金屬 滾輪的實際溫度（傳感器會感知到過多 的環(huán)境反射）,。此問題的解決方案是： 在滾 輪未使用的一端噴上黑色的小條 紋,。將IRt/c傳感器指向黑色的噴紋。這 樣,，不論滾輪其他部位表面狀況如何變 化,，傳感器均可準確、可靠地測量出表 面溫度,。
如果滾輪一端的未利用的空間非常少,， 將傳感器移近一些，噴涂一個很小的 黑條紋,。將傳感器拉近表面時,，IRt/c 的小光斑大小為8 mm（0.3英寸） 、OS36-2的為4 mm（0.16英寸）,。
無光澤的金屬滾輪 – 無光澤的金屬 滾輪信號穩(wěn)定,。hao測量表面了解可靠 性，因為通過灰塵,、水分,、清潔等表面 發(fā)射特性可能會變化。如有疑問,，只需 噴上一個條文即可消除這些變化因子,。
表面非金屬滾輪 – 這些材料可在IRt/c 測量的任何時間點提供可靠的IR信號。 無需噴涂條紋,。
控制真空成型和熱成型過程
對于塑料成型,，輻射熱量結(jié)合IRt/c控制 是jia的加熱方法和控制組合。這兩者 相得益彰,，因為加熱和測量均在表面發(fā) 生,，而這也是塑料放置的位置,。IRt/c讀 數(shù)不受加熱器反射的影響，因為6-14微 米IRt/c鏡頭的光譜響應(yīng)可過濾掉輻射加 熱器能量較短的波長,。
IRt/c可安裝在陶瓷加熱器之間,、或輻 射加熱器的護罩或反射體中，以便在兩 種元件中看到IRt/c,。選擇IRt/c標準機 型,、OS36-2或OS36-5機型，具體視查 看從元件到噴涂表面所需的視場而定,。 安裝IRt/c時必須謹慎,，確保溫度低于 93?C (200?F)、鏡頭干凈,。OS36-2是針 對此應(yīng)用的首xuna機型,，因為它體積小， 而且內(nèi)置了空氣凈化系統(tǒng),。在使用空氣 凈化系統(tǒng)的情況下,，可在溫度高達121?C(250?F)環(huán)境中使用。它的視場較窄,，在 放置時余地更多,，因此安裝也更靈活。 要獲得更窄的視場,，請使用FOV為5:1的 OS36-5,。
IRt/c在波峰焊接中控制印刷電路板預(yù)熱
IRt/c是解決PC板預(yù)熱的加熱器恰當控制 問題的理想方案。這兩者結(jié)合使用效果 非常理想,，因為加熱和控制均在表面上 發(fā)生,，這也是焊接必須經(jīng)過的位置。 IRt/c讀數(shù)不受加熱器反射的影響,，因為 6-14微米IRt/c鏡頭的光譜響應(yīng)可過濾掉 輻射加熱器能量任何較短的波長,。
對于這種應(yīng)用，IRt/c可安裝至真空成型/熱成型（上文）,。
感應(yīng)加熱控制
感應(yīng)加熱流程可由部件的溫度控制,，而 測量由IRt/c非接觸式紅外線熱電偶進 行。在安裝中應(yīng)注意幾個問題,。
電場對IRt/c的影響：測量信號與外 殼電氣隔離,，IRt/c將在非常強的電場中 工作,。防護屏電線應(yīng)恰當連接到信號接 地,。如果電場中過度加熱，則考慮使用 可選的冷卻護套,，且水源與冷卻線圈的 水源應(yīng)相同
視場：首xuan方法是在線圈匝數(shù)之間或 從線圈末端查看部件,。選擇fu合要求 的IRt/c機型,。
部件溫度：OS36-2和OS36-5 機型均 可用來鎖定1100?C (2000?F)的溫度，而 且線性范圍都達到260?C (500?F),。
瀝青溫度控制
瀝青屬性對溫度特別敏感,，而且在恰當?shù)?溫度下使用瀝青非常重要，以便發(fā)揮其特 性,。因此,，通常需要執(zhí)行溫度監(jiān)測，但因 為材料的磨蝕性原因常用的熱電偶存在嚴 重的破損問題,，而且必須不斷更換,，從而 抬高成本并導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。
IRt/c可直接解決此問題,，因為無需接觸 即可監(jiān)測溫度,。可使用普通的熱電偶控 制器,，只需在必要時校準偏移即可,。推 薦OS36-2和OS36-5機型，因為他們有 內(nèi)置空氣凈化系統(tǒng),，可防止蒸汽凝結(jié)在 鏡頭上,、確保鏡頭干凈。OS36-2可安 裝在斜槽內(nèi)通過小孔查看瀝青,，OS36-5 由于其較窄的5:1視場可安裝在較遠的 位置,。