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红外测温仪工作原理及应用(二)

2015-02-13

3.红外测温
  3.1红外测温仪器的种类
  红外测温仪器主要有3种类型:红外热像仪、红外热电视、红外测温仪(点温仪)。60年代我国研制成功第一台红外测温仪1990年以后又陆续生产小目标、远距离、适合电业生产特点的测温仪器如西光IRT-1200D型、HCW-Ⅲ型、HCW-Ⅴ型;YHCW-9400型;WHD4015型(双瞄准目标D 40mm可达15 m)、WFHX330型(光学瞄准目标D 50 mm可达30 m)。美国生产的PM-20、30、40、50、HAS-201测温仪;瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有较广泛的应用。DL-500 E可以应用于110~500 kV变电设备上图像清晰温度准确。红外热像仪主要有日本TVS-2000、TVS-100美国PM-250瑞典AGA- THV510、550、570。近期国产红外热像仪在昆明研制成功实现了国产化。
  3.2红外测温仪工作原理
  了解红外测温仪的工作原理、技术指标、环境工作条件及操作和维修等是用户正确地选择和使用红外测温仪的基础。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。除此之外还应考虑目标和测温仪所在的环境条件如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。
  一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此通过对物体自身辐射的红外能量的测量便能准确地测定它的表面温度这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 
  黑体辐射定律:黑体是一种理想化的辐射体它吸收所有波长的辐射能量没有能量的反射和透过其表面的发射率为1。应该指出自然界中并不存在真正的黑体但是为了弄清和获得红外辐射分布规律在理论研究中必须选择合适的模型这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型从而导出了普朗克黑体辐射的定律即以波长表示的黑体光谱辐射度这是一切红外辐射理论的出发点故称黑体辐射定律。
  物体发射率对辐射测温的影响:自然界中存在的实际物体几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此为使黑体辐射定律适用于所有实际物体必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律只要知道了材料的发射率就知道了任何物体的红外辐射特性。
  影响发射率的主要因纱在:材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。
  当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例;双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。
  红外系统:红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
  3.3红外测温仪性能
  红外测温仪是通过接收目标物体发射、反射和传导的能量来测量其表面温度。测温仪内的探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理然后转换成温度读数显示。在带激光瞄准器的型号中激光瞄准器只做瞄准使用。其性能说明如表1。
    测温范围  -32℃--400℃  显示分辩率   0.1℃(<199.1℃时 )
    精度    23 ℃时±1%  工作环境温度范围  0--50 ℃
    重复性   23 ℃时±1%  相对湿度     30 ℃时 10—95%
    响应时间  500ms     电源        9V
    响应光谱  7 -18micron  尺寸       137 × 41 × 196mm
    最大值显示 Have      重量       270g
    发射率   0.95Preset   防水        根据消防部队要求特殊制作
表1红外测温仪性能
  为了获得精确的温度读数测温仪与测试目标之间的距离必须在合适的范围之内所谓“光点尺寸”(spot size)就是测温仪测量点的面积。您距离目标越远光点尺寸就越大。右图所示为距离与光点尺寸的比率或称D:S。在激光瞄准器型测温仪上激光点在目标中心的上方有12mm(0.47英寸)的偏置距离。
  测量距离与光点尺寸
  在定测量距离时应确保目标直径等于或大于受测的光点尺寸。右图所标示的“1号物体”(object 1 )与测量仪之间的距离正因为目标比被测光点尺寸略大一些。而“2号物体”距离太远因为目标小于受测的光点尺寸即测温仪同在测量背景物体从而降低了读数的精确性。
4.红外测温仪正确选择
  选择红外测温仪可分为3个方面:
  (1)性能指标方面如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、窗口、显示和输出、响应时间、保护附件等;
  (2)环境和工作条件方面如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等;
  (3)其他选择方面如使用方便、维修和校准性能以及价格等也对测温仪的选择产生一定的影响。
  随着技术和不断发展红外测温仪最佳设计和新进展为用户提供了各种功能和多用途的仪器扩大了选择余地。其他选择方面如使用方便、维修和校准性能以及价格等。在选择测温仪型号时应首先确定测量要求如被测目标温度被测目标大小,振动测量仪测量距离被测目标材料目标所处环境响应速度测量精度用便携式还是在线式等等;在现有各种型号的测温仪对比中选出能够满足上述要求的仪器型号;在诸多能够满足上述要求的型号中选择出在性能、功能和价格方面的最佳搭配。 
  4.1确定测温范围
  确定测温范围:测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。如Raytek(雷泰)产品覆盖范围为-50℃- +3000℃但这不能由一种型号的红外测温仪来完成。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。因此用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全既不要过窄也不要过宽。根据黑体辐射定律在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化因此测温时应尽量选用短波较好。一般来说测温范围越窄监控温度的输出信号分辨率越高精度可靠性容易解决。测温范围过宽会降低测温精度。例如如果被测目标温度为1000摄氏度首先确定在线式还是便携式如果是便携式。满足这一温度的型号很多如3iLR33i2M3i1M。如果测量精度是主要的最好选用2M或1M型号的因为如果选用3iLR型其测温范围很宽则高温测量性能便差一些;如果用户除测量1000摄氏度的目标外还要照顾低温目标那只好选择3iLR3。 
  4.2确定目标尺寸
  红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪(辐射比色测温仪)。对于单色测温仪在进行测温时被测目标面积应充满测温仪视场。建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场背景辐射能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数造成误差。相反如果目标大于测温仪的视场测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。对于比色测温仪其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小不充满视场测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时都不对测量结果产生重大影响。对于细小而又处于运动或震动之中的目标,超声探伤仪比色测温仪是最佳选择。这是由于光线直径小有柔性可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量。
  对于Raytek(雷泰)双色测温仪其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小没有充满现场测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时都不会对测量结果产生影响。甚至在能量衰减了95%的情况下仍能保证要求的测温精度。对于目标细小又处于运动或振动之中的目标;有时在视场内运动或可能部分移出视场的目标在此条件下使用双色测温仪是最佳选择。如果测温仪和目标之间不可能直接瞄准测量通道弯曲、狭小、受阻等情况下双色光纤测温仪是最佳选择。这是由于其直径小有柔性可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量因此可以测量难以接近、条件恶劣或靠近电磁场的目标。
  4.3确定距离系数(光学分辨率)
  距离系数由D:S之比确定即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处而又要测量小的目标就应选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高即增大D:S比值测温仪的成本也越高。Raytek红外测温仪D:S的范围从2:1(低距离系数)到高于300:1(高距离系数)。如果测温仪远离目标而目标又小就应选择高距离系数的测温仪。对于固定焦距的测温仪在光学系统焦点处为光斑最小位置近于和远于焦点位置光斑都会增大。存在两个距离系数。因此为了能在接近和远离焦点的距离上准确测温被测目标尺寸应大于焦点处光斑尺寸变焦测温仪有一个最小焦点位置可根据到目标的距离进行调节。增大D:S接收的能量就减少如不增大接收口径距离系数D:S很难做大这就要增加仪器成本。
  4.4确定波长范围
  目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料有低的或变化的发射率。在高温区测量金属材料的最佳波长是近红外可选用0.8~1.0μm。其他温区可选用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波长上是透明的红外能量会穿透这些材料对这种材料应选择特殊的波长。如测量玻璃内部温度选用1.0μm2.2μm和3.9μm(被测玻璃要很厚否则会透过)波长;测玻璃表面温度选用5.0μm;测低温区选用8~14μm为宜。如测量聚乙烯塑料薄膜选用3.43μm聚酯类选用4.3μm或7.9μm厚度超过0.4mm的选用8-14μm。如测火焰中的CO用窄带4.64μm测火焰中的NO2用4.47μm。
  4.5确定响应时间
  响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度,时代维氏硬度计定义为到达最后读数的95%能量所需要时间它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。Raytek(雷泰)新型红外测温仪响应时间可达1ms。这要比接触式测温方法快得多。如果目标的运动速度很快或测量快速加热的目标时要选用快速响应红外测温仪否则达不到足够的信号响应会降低测量精度。然而并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪。对于静止的或目标热过程存在热惯性时测温仪的响应时间就可以放宽要求了。因此红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。确定响应时间主要根据目标的运动速度和目标的温度变化速度。对于静止的目标或目标参在热惯性或现有控制设备的速度受到限制测温仪的响应时间就可以放宽要求了。
  4.6信号处理功能
  鉴于离散过程(如零件生产)和连续过程不同所以要求红外测温仪具有多信号处理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)可供选用如测温传送带上的瓶子时就要用峰值保持其温度的输出信号传送至控制器内。否则测温仪读出瓶子之间的较低的温度值。若用峰值保持设置测温仪响应时间稍长于瓶子之间的时间间隔这样至少有一个瓶子总是处于测量之中。
  4.7环境条件考虑
  测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响应予考虑并适当解决否则会影响测温精度甚至引起损坏。当环境温度高存在灰尘、烟雾和蒸汽的条件下可选用厂商提供的保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫器等附件。这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪实现准确测温。在确定附件时应尽可能要求标准化服务以降低安装成本。当在噪声、电磁场、震动或难以接近环境条件下或其他恶劣条件下烟雾、灰尘或其他颗粒降低测量能量信信号时光纤双色测温仪是最佳选择。比色测温仪是最佳选择。在噪声、电磁场、震动和难以接近的环境条件下或其他恶劣条件时宜选择光线比色测温仪。
  在密封的或危险的材料应用中(如容器或真空箱)测温仪通过窗口进行观测。材料必须有足够的强度并能通过所用测温仪的工作波长范围。还要确定操作工是否也需要通过窗口进行观察因此要选择合适的安装位置和窗口材料避免相互影响。在低温测量应用中通常用Ge或Si材料作为窗口不透可见光人眼不能通过窗口观察目标。如操作员需要通过窗口目标应采用既透红外辐射又透过可见光的光学材料如应采用既透红外辐射又透过可见光的光学材料如ZnSe或BaF2等作为窗口材料。
  当测温仪工作环境中存在易燃气体时可选用本征安全型红外测温仪从而在一定浓度的易燃气体环境中进行安全测量和监视。
  在环境条件恶劣复杂的情况下可以选择测温头和显示器分开的系统以便于安装和配置。可选择与现行控制设备相匹配的信号输出形式。
  4.8红外辐射测温仪的标定
  红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。如果所用的测温仪在使用中出现测温超差则需退回厂家或维修中心重新标定。

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