現代儀器(www 1m odern i nstrs 1org 1cn)
二〇〇七年#第四期
紅外測溫儀原理及其在應用中注意的問題
劉福傑1,2
王浩靜1 范立東
1(11中國科學院山西煤炭化學研究所太原 030001)
(21中國科學院研究生院北京 100039)
摘要分析紅外測溫的基本原理，以高溫爐內溫度的測量為例，詳細剖析實際使用中如
何提高紅外測溫儀的準確性。
關鍵詞黑體輻射紅外測溫儀溫度測量高溫爐紅外
在自然界中，當物體的溫度高於絕對零度(-273e )時，由於它內部分子或原子無規則熱運動的存在，就會不斷地向空間輻射電磁波，其中就包括波段位於0176~1000l m 的紅外線。紅外測溫儀正是利用這一原理製作而成的，因其具有非接觸測量的特性，在對有一些距離、運動的或有危險性的物體進行溫度測量時，具有安全、快速、可靠、方便等優勢，對它進一步研究，無論在軍事方面，還是在其他國民
經濟領域裡，均具有舉足輕重的意義〔1,2〕
。1 紅外測溫的基本原理
紅外測溫儀是根據物體的紅外輻射特性，依靠其內部光學系統將物體的紅外輻射能量匯聚到探測器(感測器)，並轉換成電訊號，再通過放大電路、補償電路及線性處理後，在顯示終端顯示被測物體的溫度。系統由光學系統、光電探測器、訊號放大器及訊號處理、顯示輸出等部分組成，其核心是紅外探測器，將入射輻射能轉換成可測量的電訊號(見圖1)
。圖1 紅外測溫系統結構
對單色紅外測溫是針對不同測溫範圍選擇典型的波長區段，其溫度是由該波長區段內的輻射能量確定的。黑體在波長k 1至k 2區
段所發出的輻射能為v e b =q k 2
k 1e b k d k
(1)實際物體在波長k 1至k 2區段所發出的輻射能為
v e =e q k 2
k 1c 1k -5
e c 2/(k t)-1d k (2)
式(2)正是紅外輻射測溫的數學描述。
對於雙色紅外測溫來說，是針對不同測溫範圍選擇兩個典型的波長區段，其溫度是由兩個獨立波長帶內的輻射能量的比值確定的。由式(2)可知,
雙色紅外輻射測溫的數學描述為
v e 1v e 2=q k 2
k 1c 1k -5
e c 2/(k t)-1d k
q k 2
k 1c 1k -5
e 2-1
d k (3)
2 如何提高紅外測溫儀的準確性
乙個典型的生產石墨纖維的高溫爐(見圖2)，其爐膛最高溫度達到3000e ，工藝要求內部為稍正
壓的無氧氣氛。紅外測溫儀以獨特的優點成功地應用於該爐的溫度測量，並配合plc 系統實現自動控制。但是，為保證溫度測量的準確性，在紅外測溫儀
的選型和使用中還應注意一些問題。
圖2 生產石墨纖維的高溫爐結構簡圖
11石墨纖維;21爐體;31保溫材料;41加熱體51測溫孔;61保護氣體入口;71迷宮式氣封
211 確定紅外測溫儀的測溫範圍
測溫範圍是紅外測溫儀最重要的乙個效能指標。如op tris (歐普士)產品測溫範圍覆蓋-50~3300e ，但這不能由一種型號的紅外測溫儀來完成，每種型號的紅外測溫儀都有自己特定的測溫範圍。因此，使用者必須對待測溫度範圍考慮準確、周全，既
50二〇〇七年#第四期使用與維修
不要過窄,也不要過寬。根據黑體輻射定律,在光譜短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發射率誤差引起的輻射能的變化,因此,在測溫時應選用短波的較好。一般來說,測溫範圍越窄,監控溫度的輸出訊號解析度越高,精確度越高,測溫更準確。
測溫範圍過寬,會降低測溫精度,誤差較大。
212確定紅外測溫的光學解析度(距離係數)光學解析度k由d與s之比確定,即紅外測溫儀探頭到目標之間的距離d與被測目標直徑s之比。如果由於客觀原因紅外測溫儀在遠離目標使用,而又要測量小目標,就應選擇高光學解析度的紅外測溫儀來保證測溫準確性。反之,則選擇低光學解析度的紅外測溫儀。
因為光學解析度越高,即d: s比值越大,測溫儀的成本越高。
在實際應用中,有些人忽略測溫儀的光學解析度,不管被測目標直徑s的大小,開啟測溫儀對準目標就測,結果由於忽略該測溫儀的光學解析度k值要求導致測量誤差很大。
213確定紅外測溫儀的響應時間
響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度,定義為到達最後讀數的95%能量所需要的時間,它與光電探測器、訊號處理電路以及顯示輸出系統的時間常數有關。確定響應時間,主要根據目標的運動速度和目標的溫度變化速度。如果目標的運動速度或公升溫速度很快時,要選用快速響應的紅外測溫儀;對於靜止的或目標熱過程存在熱慣性時,可以放寬測溫儀的響應時間要求。
214峰值保持
在實際應用中,為解決由於客觀條件引起紅外測溫儀的讀數忽高忽低的問題,多數測溫儀設定乙個被稱為"峰值保持"的功能。它可以使測溫儀在其響應時間內對溫度變化做出反應,同時也將讀數的顯示時間延遲。通過設定適當的延遲時間,紅外測溫儀可以只"看到"被測物體的高溫部分,對低溫空間"視而不見",最終溫度的讀數相對穩定。
紅外測溫儀這一功能在具有電源plc控制系統的高溫爐中經常使用,可以保持高溫爐電源工作的穩定性。215確定被測物體的發射率
發射率表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度,根據輻射定律,只要知道材料的發射率,就知道任何物體的紅外輻射特性。因此,要根據設定的發射率來補償不同物體因發射率不同而導致的對測量溫度的影響。影響發射率的主要因素有:
材料種類、表面粗糙度、表面溫度和材料厚度等。對金屬材料而言,表面狀態對發射率的影響較大,一般粗糙表面和受氧化後的表面的發射率是磨光表面的數倍;對非金屬材料而言,發射率值都比較高,一般在0185~0195之間,並且與表面狀態的關係不大。對於未知發射率的物體,可通過實驗方法測量物體的發射率。
對於雙色紅外測溫儀而言,由式(6)可知:其溫度值是由兩個獨立波長帶內的輻射能量的比值確定的,其測量結果與物體的發射率無關,受周圍環境的影響也比較小,抗干擾能力比較強。
216環境條件的影響
紅外測溫儀所處的環境條件對測量結果有很大影響,應予考慮並適當解決,否則會影響測量精度甚至引起損壞。當環境溫度高,存在灰塵、煙霧或蒸汽的條件下,可選用適當廠商提供的水冷套、空氣吹掃器等附件有效地解決環境的影響並保護測溫儀,實現準確測溫。在周圍環境很大程度影響測量能量訊號時,可以選擇雙色測溫儀實現準確測溫。
在密封的或危險的材料應用中(如容器、真空爐等真空裝置),測溫儀通過視窗進行觀測。視窗材料必須透明,並能透射所用測溫儀的工作波長範圍。單色測溫儀的視窗需要讓整個光的通路無礙,而且保持視窗清潔;雙色測溫儀對於視窗的清潔度要求不高,只要視窗不被金屬鍍層遮蓋即可。
217清潔鏡頭與測溫儀的標定
測溫儀使用一段時間後,鏡頭上會積留灰塵,必須及時清洗鏡頭。具體方法是用擦鏡紙或潔淨棉球沾少許水清潔鏡頭表面,否則會造成測量結果低於被測目標的實際溫度。
紅外測溫儀必須定期標定,這樣才能使它準確地顯示被測目標的溫度。如果自檢標定中偏差較大,則需退回廠家或維修中心重新標定。
3結語紅外測溫技術是一種非常有效的**監測手段,而紅外測溫儀在高溫爐、真空裝置測溫方面的應用只是其應用方面的冰山一角。但是要獲得準確的測量溫度,必須對其正確選型,並且與實際條件相結合,找到適合自己的測量方法。
參考文獻
1楊立1紅外熱象儀測溫與誤差分析〔j〕,紅外技術,1999, 21(4):21~24
2郭呈祥1紅外測溫技術〔j〕,工科物理,2000(2):61~63 3楊世銘,陶文銓1傳熱學〔m〕,北京:高等教育出版社,2002 4高魁明1熱工測量儀表〔m〕,北京:
冶金工業出版社,198551
紅外測溫儀在電氣防火安全檢測中的應用
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一 調整設定密碼 接上電後儀表顯示窗顯示當前的實際測量溫度 測量範圍為800 1800 c 若超出測量範圍儀表將顯示 hh 此時可以按 設定 鍵進入設定密碼輸入圈，進入密碼設定圈後儀表顯示提示符 c120 此時可以按 和 鍵調整密碼值,當密碼調整完成後再按 鍵若密碼正確儀表將進入對應的設定圈 a.c...
紅外測溫儀的測量原理標準和運用例項
用紅外測溫儀進行非接觸溫度測量有許多的優點，它的運用範圍從很小或難以接觸到的物體至腐蝕性的化學物和敏感的表面物。本文將討論此優點，給予正確選擇紅外測溫儀的決定性等加以說明運用範疇。由於原子和分子的運動，每一物體都會輻射電磁波，對非接觸溫度測量最重要的波長或光譜範圍是在0.2至2.0 m。這一範圍內的...