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上海天皋電氣有限公司
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紅外測(cè)溫儀的測(cè)量原理標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用實(shí)例

時(shí)間:2015/7/8閱讀:2607
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紅外測(cè)溫儀的測(cè)量原理標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用實(shí)例
紅外測(cè)溫儀進(jìn)行非接觸溫度測(cè)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(cè)溫儀的決定性等加以說(shuō)明運(yùn)用范疇。由于原子和分子的運(yùn)動(dòng),每一物體都會(huì)輻射電磁波,對(duì)非接觸溫度測(cè)量zui重要的波長(zhǎng)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(chēng)作為熱輻射或紅外線。    
    由被測(cè)物輻射的紅外線所進(jìn)行溫度測(cè)量的測(cè)試儀器,按照德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN16160被稱(chēng)為輻射溫度計(jì),輻射測(cè)溫儀或紅外測(cè)溫儀。這些名稱(chēng)也適用于那些由被測(cè)體輻射的可見(jiàn)彩色射線所進(jìn)行溫度測(cè)量的儀器,及由相對(duì)頻譜的輻射密度導(dǎo)出溫度的儀器。    
一、紅外測(cè)溫儀溫度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)    
    通過(guò)接收被測(cè)體輻射的紅外線而進(jìn)行的非接觸溫度測(cè)量有很多的優(yōu)點(diǎn)。這樣那些難以接觸到或運(yùn)動(dòng)著的物體就可毫無(wú)問(wèn)題的進(jìn)行溫度測(cè)量,如傳熱性能差的或很小的熱容量材料。紅外測(cè)溫儀很短的響應(yīng)時(shí)間能快速地實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)回路。測(cè)溫儀不擁有會(huì)磨損的部件,因而就不存在如使用溫度計(jì)所存在的連續(xù)費(fèi)用。特別是在很小的被測(cè)物體,如用接觸測(cè)量,由于物體的導(dǎo)熱性將產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。這里可毫無(wú)疑問(wèn)的使用測(cè)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(guò)遠(yuǎn)距離的搖控測(cè)量,可遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域,使操作人員無(wú)危險(xiǎn)性。   
二、紅外測(cè)溫儀的原理構(gòu)造    
    把從被測(cè)物接收的紅外線,由透鏡經(jīng)過(guò)濾波器聚焦在檢波器上。檢波器通過(guò)被測(cè)物輻射密度的積分,產(chǎn)生一個(gè)與溫度成比例的電流或電壓信號(hào),在此后相連接的電器部件中,把此溫度信號(hào)線性化,發(fā)射率區(qū)域的修正,及轉(zhuǎn)換成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)。
    原理上有便攜式測(cè)溫儀和固定式測(cè)溫儀兩種,因此,在選擇合適的紅外測(cè)溫儀用于不同的測(cè)量點(diǎn)時(shí),以下的特征將是主要的:
   1、瞄準(zhǔn)器 
   瞄準(zhǔn)器有此作用,測(cè)溫儀所指的測(cè)量塊或測(cè)量點(diǎn)可以看見(jiàn),大面積的被測(cè)物可以經(jīng)常不要瞄準(zhǔn)器。在小的被測(cè)物和較遠(yuǎn)的測(cè)量距離時(shí),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(cè)溫儀的被測(cè)點(diǎn),對(duì)大面積的物體來(lái)說(shuō),一般帶有固定焦距的測(cè)溫儀足夠可以。但在測(cè)量距離遠(yuǎn)離聚焦點(diǎn)時(shí),測(cè)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(cè)溫儀可調(diào)整測(cè)量距離,的測(cè)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(zhǎng)成反比的。在低物體溫度時(shí),對(duì)長(zhǎng)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(shí),將用對(duì)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(shí),還要考慮對(duì)氫氣和二氧化碳的吸收光譜帶。在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi),即所謂的“大氣層窗",H2和CO2對(duì)紅外線幾乎是穿透的,因此測(cè)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(lái)的影響,在測(cè)量薄膜或玻璃時(shí),還要考慮到這些材料在一定波長(zhǎng)內(nèi)不易穿透的。為了避免背景光線引起的測(cè)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(zhǎng)的減小而增大,經(jīng)驗(yàn)而談,測(cè)量金屬的溫度,一般選擇zui短的測(cè)量波長(zhǎng)。
三、發(fā)展趨向
    如許多的傳感技術(shù)領(lǐng)域,測(cè)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(shí)現(xiàn),是通過(guò)不斷的電器部件微型化,及高度的微積分使得愈來(lái)愈小的,愈來(lái)愈精致的電器部件濃縮于愈來(lái)愈小的空間。與過(guò)去模擬技術(shù)相比,通過(guò)微控件的應(yīng)用,提高了檢波器信號(hào)線性化高度的精密性,因而也提高了儀器的度。   市場(chǎng)供應(yīng)需要快速的,價(jià)廉的測(cè)量值接收,它能直接輸出一個(gè)與溫度成比例的,線性的電流/電壓信號(hào),測(cè)量值得處理,如平整功能,特殊值儲(chǔ)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(guò)電纜外接的發(fā)射率調(diào)整,可以危險(xiǎn)區(qū)外,即便機(jī)器開(kāi)動(dòng)著,也可修正,這時(shí)也可由SPS來(lái)調(diào)整。通過(guò)身控件的運(yùn)用,現(xiàn)在可毫無(wú)問(wèn)題地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線接口,但網(wǎng)絡(luò)連接至今還未實(shí)現(xiàn),對(duì)信號(hào)的繼續(xù)處理,還延用過(guò)去的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。在檢波器段,用了新的材料作光電傳感器,證實(shí)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(shí)間,帶瞄準(zhǔn)器測(cè)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(duì)不同的測(cè)量位置用同一基礎(chǔ)儀器,節(jié)約了倉(cāng)庫(kù)管理費(fèi)用。
    四、選擇測(cè)溫儀的主要標(biāo)準(zhǔn)
    測(cè)溫儀的運(yùn)用主要由測(cè)量范圍所決定,不論是測(cè)量電壓,還是測(cè)量區(qū)域的始值,都應(yīng)與測(cè)量工作的要求相符,選擇愈大的測(cè)量電壓,分辨率就俞小,因而準(zhǔn)確性就差,特別在低測(cè)量溫度始值時(shí),選用大的測(cè)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(cè)量電壓。
    測(cè)量區(qū)域的始值時(shí)決定了光譜的敏感性,以至也決定了檢波器的型號(hào),測(cè)量的誤差由于發(fā)射率的錯(cuò)誤調(diào)整,在短波的傳感器要明顯地比長(zhǎng)波傳感器小,所以在熱膜傳感器(8~14μm)800℃時(shí),由于發(fā)射率的錯(cuò)誤調(diào)整所引起的測(cè)量誤差,將五倍的大于鍺-光電二級(jí)管的傳感器(1,1~1,6μm)。鍺-光電二級(jí)管的傳感器容許的測(cè)量范圍從大約250℃起。
舉例說(shuō)明,在陶瓷工業(yè)或發(fā)電廠的燃燒過(guò)程,測(cè)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(cè)溫儀。盡管它的高測(cè)溫值從250~1300℃
    另一個(gè)選擇合適測(cè)溫儀的標(biāo)準(zhǔn)是間距比例。這里指的是測(cè)量距離和測(cè)量點(diǎn)直徑的比例關(guān)系,如果被測(cè)物小,測(cè)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(cè)量點(diǎn),由于傳感器對(duì)測(cè)量點(diǎn)的是間值有一個(gè)穩(wěn)定的輸出信號(hào),固選用小的間距比例。    另外要確定的是,測(cè)溫儀是否帶瞄準(zhǔn)器裝置,因?yàn)槊闇?zhǔn)器裝置將提高50%的成本,這里關(guān)鍵是一個(gè)價(jià)錢(qián)的部下,在大面積的測(cè)量物體時(shí),通??梢圆灰M裝進(jìn)瞄準(zhǔn)器,代之的是一個(gè)外接的瞄準(zhǔn)器,它將用于測(cè)溫儀在安裝時(shí)的矯正,這樣就有價(jià)格上優(yōu)勢(shì),眾多的測(cè)量處只需一個(gè)瞄準(zhǔn)器。
    對(duì)小的測(cè)量物體或者遠(yuǎn)離的測(cè)量距離就需隨時(shí)能瞄準(zhǔn)的可能。在一個(gè)帶儀表板刻度的透光鏡,人們可看清測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際大小,價(jià)格便宜的是用激光指向點(diǎn),但它只能逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,在測(cè)量閉式爐等相似類(lèi)時(shí),需要一個(gè)透視窗。由此需要決定,測(cè)溫儀是否需要,及南非要哪些功能?如平整功能,特殊值儲(chǔ)存,邊界接觸或電腦接口,為了測(cè)溫儀的相適于測(cè)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?xún)r(jià)廉地通過(guò)連接記錄儀,調(diào)節(jié)器或程控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外,對(duì)某些運(yùn)用來(lái)說(shuō),外型結(jié)構(gòu)也是決定因素,在較高的環(huán)境溫度下,測(cè)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(cè)溫儀型號(hào),是光譜測(cè)溫儀,還是比率(雙色)測(cè)溫儀,光譜測(cè)溫儀接收一個(gè)波長(zhǎng)的輻射密度,與此不同的是比率測(cè)溫儀帶雙重傳感器二個(gè)單一的傳感器,它將測(cè)量二個(gè)不同波長(zhǎng)的輻射密度,這二個(gè)檢波器信號(hào)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(cè)溫儀的輻射內(nèi),或發(fā)射率的變動(dòng),至一定的范圍內(nèi),這二條線路不顯示信號(hào)變動(dòng)。但單色光譜測(cè)溫儀將馬上顯示此變動(dòng),故此率測(cè)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(chǎng)合。
 五、運(yùn)用舉例 
    不同測(cè)溫儀的運(yùn)用可能性是極其廣泛的,近幾年內(nèi)的價(jià)格大幅度下降開(kāi)辟了愈來(lái)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(jì),下面的實(shí)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(shí),溫度是對(duì)凝結(jié)時(shí)間和由此而定的堅(jiān)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(cè)溫儀即可直接接受攪拌滾筒的溫度,也可是混凝土出口時(shí)的溫度,因?yàn)镮SO9000的質(zhì)量檢驗(yàn)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(lái),上于臟亂的工業(yè)環(huán)境,需要十分堅(jiān)固的,如防塵,防水的測(cè)量鏡頭,為了防護(hù)測(cè)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(gè)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(shí),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(cè)量溫度,可以每一機(jī)架裝備三個(gè)固定式測(cè)溫儀,也可用一測(cè)溫儀在瞄準(zhǔn)器裝置上沿著軋輥長(zhǎng)度移動(dòng),由于局部的強(qiáng)烈蒸汽需要一個(gè)防水的測(cè)溫儀及帶軸向間隙噴嘴,用于視窗的自由吹氣,因?yàn)闇囟鹊奶幚硇枰猄PS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(guò)程中需要知道溫度的變化過(guò)程,以便達(dá)到同樣質(zhì)量的產(chǎn)品,避廢品產(chǎn)生,同時(shí)為了節(jié)約能源,必需把溫度控制在zui小值內(nèi),至今以來(lái)都是用溫度計(jì)測(cè)量溫度,它得到的是室溫,對(duì)此測(cè)溫儀就有優(yōu)勢(shì),它能直接測(cè)量物體表面的溫度,而且是在很短的時(shí)間內(nèi),這樣就能準(zhǔn)確地測(cè)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(cè)量更是應(yīng)用于各個(gè)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(guò)紅外溫度測(cè)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(jì)將是淘汰的時(shí)代產(chǎn)品,它將隨時(shí)間而消失或損壞,以致需要不斷的更換,而測(cè)溫儀不具有磨損件,因而理論上,它的使用壽命是無(wú)限的,因此它的較貴些的投資成本在短期內(nèi)即可贏回。測(cè)溫儀即可在側(cè)邊,或在頂上安裝,避免傾斜的對(duì)準(zhǔn),以免測(cè)溫儀只被抓信邊緣,軸向間隙噴嘴應(yīng)避免放在測(cè)溫儀的鏡頭上,在較高環(huán)境溫度時(shí),需要一個(gè)附加的冷卻裝置。          紅外探測(cè)原理:
   利用在自然界,任何高于溫度(- 273度)時(shí)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(zhǎng)是不一樣的。全稱(chēng)是被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器。
   在被動(dòng)紅外探測(cè)器中有兩個(gè)關(guān)鍵性的元件,一個(gè)是熱釋電紅外傳感器(PIR),它能將波長(zhǎng)為8一12um之間的紅外信號(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),并能對(duì)自然界中的白光信號(hào)具有抑制作用,因此在被動(dòng)紅外探測(cè)器的警戒區(qū)內(nèi),當(dāng)無(wú)人體移動(dòng)時(shí),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(guò)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(hào),因此,紅外探測(cè)器的紅外探測(cè)的基本概念就是感應(yīng)移動(dòng)物體與背景物體的溫度的差異。
   另外一個(gè)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(gè):一是聚焦作用,即將熱釋的紅外信號(hào)折射(反射)在PIR上,第二個(gè)作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū),使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)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(hào),這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號(hào)。
   人體都有恒定的體溫,一般在37度,所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10微米左右的紅外線,被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)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(guò)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(shí)就會(huì)失去電荷平衡,向外釋放電荷,后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

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