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红外测温仪应用技术  

2008-01-06 13:35:34|  分类: 视频监控系统 |  标签: |举报 |字号 订阅

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前言

红外测温仪也叫辐射测温仪。它根据被测物的红外辐射能量确定其温度,因此它具有快速、非接触和可测小目标的特点。同时它也有测量值受被测物体发射率、反射热源、气氛干扰影响的弱点。在现场应用中排除这些影响的应用技术就显得十分重要。

尽管价格较贵和存在上述弱点,它还是得到了越来越广泛的应用,因为它的应用减少了铂铑等贵金属的消耗,解决了许多常规测温方法不能解决的测温难题,例如,火车轴温、高压线接线夹温度、轧制中的板材和线材温度、连铸温度、真空镀膜工件温度、半导体分子束外延温度、光纤拉制和玻璃板弯曲温度、塑料和漆膜温度,回转窑外皮和烧成带温度、纺织品定型温度、建筑物和管道漏热损失、弹药混合温度、枪炮身管温度、火箭飞机尾焰温度……等等。

在发达国家中,红外测温仪应用已进入成熟阶段。它主要表现在两个方面。一方面测温仪产品规格型号多、质量稳定、配套件齐全、售后服务好、应用技术开发快。另一方面使用户减少了贵金属消耗、产品质量得到提高、节约了能源,从而产生了好的经济效益。当前阻碍我国迅速发展的总是之一是用户不熟悉红外测温的应用技术,本文将主要讨论这个问题。

测温原理

红外测温的理论根据是普朗克黑体辐射定律,它定量地确定了不同温度的黑体在各个波长的电磁辐射能量的大小。 

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图一

图一是黑体辐射曲线图。纵座标表示辐射能量,横座标表示波长,曲线从下至上表示温度越来越高。从图一可以得出如下结论:

1、随着温度升高辐射能量增加。这是单波段测温仪的依据。
2、随着温度升高辐射波长向短波方向移动,其规律为维恩位移定律T?λm=2898μm?k。
显然,测高温度选择短波长测温仪,测低温应选择长波长测温仪,被测目标较小时尤其如此。
3、短波长处辐射能随温度增加比长波长处快。这意味着短波长处比长波长处的测温灵敏度高。即对于同样温度变化量△Т,短波测温仪获得的信号△V比长波测温仪大,故尔前者抗干扰能力强和测温误差小。对于同样测温范围前者信号变化动态范围比后者大,因而前者信号处理难度较大。例如,在0.9μm处辐射能随温度的9次方左右变化,在8~14μm处仅呈1.5次方左右变化。这一条结论也是双波段比色测温仪的依据。同时利用两个相近的波段测量同一物体,取短波信号与长波信号的比值,这个比值将物体温度升高而加大,根据比值大小就可以确定物体温度。由于这两个波段十分靠近,发射率和气氛吸收对两个信号的衰减可能相同,不大会影响比值,因此比色测温抗干扰性强。同样道理它也能测量不充满视场的小目标。

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图二

图中:

1)物镜 2)孔径光栏 3)分光镜 4)消杂光栏 5)视场光栏 6)滤可见光滤光片 7)气隙 8)滤可见光滤光片 9)探测器 10)可移动防护眼睛率光片 11)凹透镜 12)五角屋脊棱镜 13)凸透镜 14)分划板 15)凸透镜 16)目镜 17)目镜窗

工作原理

图二是典型的单波段红外测温仪方框图。被测目标的红外辐射通过物镜被汇聚到测温仪探头内。45°分光片使可见光反射供人眼瞄准,使红外光透射到红外探测器。前后移动物镜使目标的辐射在探测器上聚焦。由于探测器和分划板距离分光片相等,目标上的可见光将也聚焦在分划板上。分划板上刻有小环,小环的大小和探测器光栏大小相等,目标复盖了分划板小环,也就复盖了探测器光栏。用户通过目镜观察分划板确定对目标的瞄准和聚焦情况。探测器前面的滤光片限定测温仪的工作波段,使探测器接收的红外温度信号转化为电压电信号送入前置放大器放大来自探测器的信号,热敏元件产生环境温度补偿信号。这俩个信号通过叠加产生仅与目标温度对应的信号,这个信号再经发射率ε修正、时间常数τ设定、峰值保持选择及延迟时间设定和线性化修正,最后以数字或电流形式显示目标温度。

参数选择

针对不同的用途,通常要选用不同类型和不同参数的测温仪。如选择不当,可能完全达不到预期的目的,因此,仔细地选择是至关重要的,最好取得专家指导。

1、类型选择

当因被测目标较小或在光路中有机械阻挡使目标不能充满视场时,应该选用比色测温仪。比色测温仪在一定程度上还能克服发射率以及少量烟雾水汽和粉尘的影响。

光纤测温仪用光纤传输辐射能,它可以用在烟尘水汽较严重的场所。光纤可以弯曲,能测量阻挡物后面目标的温度。光纤也可以插入密封容器,测其内部目标温度。

目标能充满视场且不受阻挡的场所,可以用单波段测温仪,烟尘水汽较大时可以采用附加空气吹扫器和窥视管克服。

2、波长选择

所有的红外测温仪都是用黑体炉标定的。黑体炉近于理想黑体,它的发射率ε等于1,反射率r等于0,透过率τ等于0。而实际物体ε不等于1,r和τ也不一定是0。根据能量守恒定律,ε+r+τ=1。ε较小意味着物体的辐射能低。例如钢坯的发射率为0.8,意味着它辐射的能量仅是同温黑体辐射能量的百分之八十。

发射率随波长变化比随温度变化明显得多。通常温度高时的发射率要高一些,由于我们常常只对材料的小段温度范围感兴趣,一般不需要考虑温度对发射率的影响。但是选择测温仪的工作波长则十分重要,应选在发射率高和反射率、透射率低的波段。当被测材料在容器内,应选择容器窗口的透射率高的波段。当环境中存在烟尘水汽时,应选择它们吸收较少的波段。下面给出了一些材料的发射率、反射率和透过率曲线。

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图三 未氧化的金属的发射率

图三是石墨和一些金属材料的发射率曲线。它们在短波区域发射率较高,因此应选择短工作波长测温。应注意图中给出的是未经氧化时的数据,实际加工过程中它们的表面将被氧化,发射率将显著提高。

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图四 碱石灰玻璃透过率和反射率曲线

图四是普通玻璃的透过率和反射率。在3~4μm 范围,可测玻璃内部温度。在4~5μm区域可测浅表层温度。在7.9~8.2μm 测低温表面温度,如误选普通8~14μm 低温测仪将极易受反射干扰。

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图五 聚乙烯透过率曲线

图五 表明测聚乙烯薄膜应在3.4μm 。图九表明测氟塑料应在8μm 附近。

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图六 氟塑料笾过率曲线

图七是天然气的火焰光谱,主要是在CO2的发射带有较强的辐射。当火焰的厚度超过0.3米时,辐射的能量就不再随厚度增加。可选择4.5μm波长测量火焰温度。

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图七 火焰中CO2粒子的发射率

图八是厚度为1.82米,温度为27℃时不同湿度的空气的透过率。选择测温波段应使用空气透过率高的区域。例如,火焰的发射峰虽然在4.2μm ,但这个地方大气吸收严重,因此选择4.5μm较为合适。 

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图八 不同湿度空气透过率

图九是不同厚度水膜的透过率。当测量热轧钢板的温度时,由于需要用水除掉氧化皮,钢板上有一层水膜,所以应选择短于0.9μm 工作波段测量它的温度。 

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图九 不同厚度(mm)水膜的笾过率

3、距离系数

距离系数是测量距离与被测目标直径之比。距离系数越大,允许目标越小。对于单波段测温仪,目标必须大于距离系数要求的尺寸,至少应是计算值的1.5倍。对于比色测温仪目标可以小于计算值,至于小多少要看仪器的性能指标,它很适合线材或感应加热工艺测温。

可调焦测温仪距离系数用数字表示,如50、100、150、200、300等等。应注意测温仪允许的测量距离或调焦范围,通常最近的距离有一定限制。 

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图十

图十是可调焦距离系数示意图。单波段非调焦测温仪的距离系数通常以图表或公式表示。

4、响应时间

对于快速运动的目标和温度变化快的目标,必须选择响应时间短的测温仪。快速运动目标通过上节目标视场尺寸d值的时间如果是1秒,响应时间至少应小于通过时间的二分之一——0.5秒。对于温度变化快的目标,如果你要识别的温差是1℃,而1℃的变化时间是1秒,应选择响应时间小于这个变化时间的二分之一——0.5秒。

5、峰值保持

当被测目标上附有间断的氧化皮或目标表面有不稳定的水或气流。为了测知它的最高
温度,应选用峰值保持功能。通常峰值衰减时间或保持时间是可调的。这个时间要根据现场的实际情况确定。图十一是它的示意图。 

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图十一

修正值并不一定相同。通常要根据该仪器说明书中给出的数据修正。

当用户不能精确地修正时,有可能测量的数据中含有一定误差,得出的是一个相对温度或叫做工艺温度。这时,仪器的重复性指标就显得十分重要。只要测温仪的重复性好,就能够确保工艺温度的稳定。

7、测温范围

一般不要选择过宽的温度范围,因为这会增加成本。尤其要注意到低温和小目标之间的权衡,这两项要求意味着信号很弱,仪器的成本将明显增加。

现场安装

用户在购置红外测温仪的同时必须购置必要的防护附件。有了防护附件将大大延长测温仪的使用寿命和减少故障率。有了必要的应用附件将保证测量数据的可靠性。这样做虽然一次性投资大,但总的效益是非常好的。

1、水冷套

当现场环境温度超过仪器规定的环境时,必须在探测头上加装水冷套。水冷套有两种。一种是全包封的,它把整个探测头包封在水冷套内,适用于恶劣环境。另一种是一个套筒,加装在探头前部,阻挡被测物的热辐射,它用在环境较好的场所。

2、空气吹扫器

它被安装在探测头前端,从侧面小孔输入村缩空气,从前端流出压缩空气。它可以把环境中的粉尘、水汽吹走,使其不污染探测头的光学镜片。此外,它能吹出一条清洁的光学通路,减少目标的辐射能的损失,保证测量精度。

在全包封水冷套结构中常包含有空气吹扫器。

图十二是装有水冷套和空气吹扫器等的探测头示意图。 

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图十二

3、防回火快门

当探测头安装在内有火焰的炉壳上时,必须加装防回火快门。快门中有一挡板,它被一低熔点保险片拉住。当由于事故,火焰喷向探测头时,首先烧断保险片,挡板被弹簧拉下来挡住火焰,使探测头受到保护。

4、窥视管

对于火焰、烟尘或气体干扰严重的场所和对于被测物附近有温度更高的加热源的场所,可以在探测头前端加装开口和闭口的窥视管屏蔽这些干扰源。前端开口的窥视管,使探测头能够直接测量被测物的表面,可以获得较快的响应时间,通常在探测头和窥视管之间加装空气吹扫器,使窥视管内保持正压气流,避免火焰、烟尘等进科窥视管。用闭口窥视管时,探测头测得的是闭口处的温度,它只能间接反映闭口外面的温度响应时间将大大延长。闭口管也适于插入腐蚀性溶液中,如盐浴炉等,它也可以镶嵌在密封窗口壁上,如一些反应炉。

窥视管有几种,铬镍铁合金管耐温达1149℃,硅瓷管耐温1593℃(垂直安装)和1428℃(水平安装),硅碳管耐温1649℃。其中硅瓷管可以浸入盐浴中使用。

5、背景补偿系统

如果被测目标在一个加热炉中,而且炉壁的间谍高于目标温度,由于目标的发射率小于1,目标除发射自身的辐射外,还反射炉壁的辐射。当用红外测温仪测量目标温度时,显示值将高于目标实际温度。这时可用另一测温仪测量炉壁温度,将两台测温仪的输出信号相减,再查出对应差值的温度就可以得到目标温度。现在已有这种补偿系统商品。图十八是它的示意图。

6、发射率问题

由于几乎所有现场要测的物体的发射率都小于1,而且很难精确知道具体数值,所以用户不容易准确地测出物体的真实温度。当前还没有更好的办法解决这个问题。多数用户使用仪器说明书中给出的数据或从其他资料中查出的数据。国外产品说明书中的数据通常是针对本仪器工作波段和测温范围的,可信程度较高。从其他资料中查得的数据,由于波长和温度不一样,可信程度不高。

有些在线测定发射率和修正发射率的方法,如激光测量法和碗形腔本法,由于激光波长不一定与测温仪工作波长相同和碗形腔体容易被污染等原因,还不够完善,因而未能大量推广应用。

最实际和最可靠的方法是实验法,就是取出一部份被测样品,用热电偶和红外测温仪在静态条件下对比测量其温度,确定其以射率。在以后的实际测量时就采用这个发射率。

还有一个较为实际的方法,就是在被测物表面涂高发射率漆或涂料,它们具有高达0.97的发射率,耐温达600℃。最新的涂料有的可达1000℃。用测温仪先后测量涂层表面和未涂层表面,就可以确定未涂层表面的发射率。

发射率与测试方向有关,如图十九所示。最好保持测试角θ在30°之内,无论如何不宜超过45°。

不要忘记,由于发射率不准确所造成的误差,短波长测温仪比长波测温仪小得多。所以应尺量采用短波长测温仪。例如,当使用的发射率值误差为0.1时,对于0.9μm波长测温仪,仅形成3%的测温误差。而对于8~14μm波长测温仪,将形成7%的测温误差。

应用选型

红外测温仪的类型参数较多,不同的应用现场要求选择不同类型的测温仪,远比使用热电偶,热电阻复杂。不恰当的选择往往导致应用的失败,设计和应手工程师必须慎重对待此项工作。

便携式测温仪——多为通用型,测温范围较宽。波长规格较少,高温型工作波长一般为0.7~1.08μm ,测温范围600~3000℃。低温型工作长波为8~14μm ,测温范围-50~1000℃。具实时值、峰值、谷值和平均数字显示,响应时间、峰值保持时间和发射率可以设定。绝大多数为单波段、比色型较少。尽管它自身的精度并不低,但由于用户可能用于多种被测物的测温,在合适的场所能取行准确的测量结果,在不合适的场所只能取得一个相对的测量结果。

台式单波段测温仪——它由一个探头和二次显示仪表构成。探头分带瞄准焦距可调和不带瞄准固定焦距两种,它被安装在被测物现场。二次显示仪表多为数字显示,也有表头指针显示,通常具有发射率设定、响应时间调节和峰值保持调整功能,具有标准电压或电流输出信号,有些还具有数字信号输出。根据用户需要可以附加位式调节报警输出、时间比例输出和PID输出。二次显示仪表通常安置在仪表操作室中。

这类测温仪工作波长规格较多,测温范围不宽,距离系数较大(测斑较小)。它的专用性较强,能针对特定的测温工艺取得最佳的效果。

探头式单波段测温仪——它也分带瞄准可调焦和不带瞄准固定焦距两种。它们多数具0~10V或4~20mA线性输出,少数只提供非线性电压输出。多数没有响应时间,发射率设定和峰值保持功能,但少数探头也具有这些功能。在多数应用中它们被接入PLC计算机控制系统,许多调节、设定、显示和输出记录功能都可以通过计算机实现。它的规格型号与台式单波段类似,选择余地较多,专用性强。

单波段测温仪要求被测目标的尺寸必须大于距离系数所要求测斑的1.5倍,并且被测物法线与测量光轴夹角应在30°以内,被测面弯曲度不宜太大。

比色台式和比色探头测温仪——比色测温仪的工作波长规格较少,高温型为0.7~1.08μm /1.08μm ,测温范围700~3500℃(分段)。低温型为1.51~1.60/1.65~1.71μm ,测温范围250~1000℃(分段)。它是带瞄准可调焦的。主要用于被测物尺寸小或直径小的圆材,不能满足距离系数要求的场所和物体表面状态(如氧化程度)不断变化的场所。它也适合测量含碳粒子或含灰粉的火焰的温度。

光纤传输测温仪——光纤和光纤头部的透镜或探测棒能耐200~300℃的环境温度,因此可以靠近被测物,也可以省去前面普通探头配套的水冷套。光纤可以弯曲,解决普通探头不能直视的困难场所的测温。光纤能屏蔽现场烟尘水汽及电磁干扰,可用于这些恶劣环境。

扫瞄测温仪——它可以连续扫瞄一条线,测量一条线上的温度。随着被测钢板、玻璃板和回转窑体的运动可以获得全面积上的温度分布,并可以图形显示和彩色打印温度分布图。

红外表面测温仪——它的探头是一个长杆,一端手持,另一端是个高反射率腔体。用时把腔体置于被测表面上方1~2毫米处,测量时间不超过1~2秒,获得表面温度理论上不须发射率设定,认为发射率在0.97以上。必须保持腔体不受任何污染,和不能过热,否则效果将大大下降。这种测温仪只是偶尔用几次,不能长期连续使用。

文章来源:http://www.cetcir.com/ziye3.htm

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