运用智能红外传感器测量温度

　　　　现代计量测试1998年第2期

运用智能红外传感器测量温度

JohnRegister

　　红外温度测量法在重工业生产过程中获得了越来越广泛的应用,它具有响应快、耐用、无污染等特点。最新一代的红外温度计结合了智能传感器技术,具有数字通讯功能,易于使用,并能获得一些传统器件所无法获得的温度信息。此外,红外温度计是非接触器件,其使用寿命要比那些接触测量传感器(如热电偶)长,因而大大降低了开支,经济实用。11原理

能量,即A=Ε。代入上式,方程变为:Ε+R+T=110。

必须选择适当的红外仪才能准确测量物体。红外仪的光谱响应应能正好测量物体不透明波段的波长,此时T等于0。这样,若已知物体的辐射率或反射率,就可以计算出全部的入射辐射,从而得出温度值

。

现代红外理论基于以下这一概念:温度比绝对零度(-27315℃)高的所有物体都辐射一定的能量。随着物体温度的升高,辐射能量也逐渐增大,由此通过测量辐射能量就可以测定温度。

红外辐射只是电磁波谱的一部分,其它电磁波还包括无线电波、微波、可见光、紫外光、Χ射线和X射线,这些形式的能量由频率或波长来区分,一般地,红外温度测量使用的是017～114Λm波段的电磁波。

)——红外温度测量的一个重要辐射率(Ε

图1　红外温度传感器的测量原理

红外温度测量系统中另一个需要考虑的因

素是大气吸收。如前所述,在被测光谱区域中待测物体必须是不透明,这样透射因子为0,从而可以从方程中消去。该原理也同样适用于大气,在几个区域中大气是不透明的(主要是由于H2O和CO2)。

如果不考虑大气吸收的话,那么当仪器靠近物体时,其读数基本正确,而当仪器距物体几英尺远时,其读数就将低几度,这是因为,此时所显示的温度值是物体温度与大气温度的平均值。湿度的变化、水蒸汽或某些气体的出现都可能影响读数。然而,在大气吸收带中存在几个透射“窗口”,物体的红外能量可以穿过这些窗口。21传感器设计

因数,是指某一特定温度物体的辐射能量与同

一温度下的理想辐射体(黑体)的辐射能量之比。黑体的辐射率为110。与辐射率密切相关的是吸收率(A)——物体吸收的能量总量;反射率(R)——物体反射红外能量的能力大小;和透射率(T)——物体通过或透射红外能量的能力大小。全部的辐射或者被透射,或者被反射,或者被吸收,因而有:A+R+T=110。

如图1所示,红外仪器把辐射中的上述三种成分一一区分并分别测量出来。如果物体处于平衡状态,则其辐射的能量必须等于所吸收的62

典型的红外温度传感器由四个主要部分组

成:镜头、探测器、放大器和信号处理电路(见图2)。光学镜头收集红外能量并会聚到探测器上,探测器的信号被放大并通过仪器电路而线性化

。

装了一个光谱滤光片,从而将能量限制在一个狭窄的波段。辐射温度计中使用了三类基本的探测器:光子型、热电型和热能型。光子探测器相应于入射辐射而释放电能;热电探测器则相应于入射辐射的变化而使探测器自身表面的电荷发生变化。热能探测器,包括热电偶和辐射热测量计(黑端热敏电阻),其输出电压直接与入射红外辐射成正比,但这种比例是非线性的。

(3)传感器放大器和电路

一般地,红外温度传感器需要固定的电路来测量红外探测器输出的小信号。放大器电路必须能够分辨并放大低至1ΛV的来自探测器的输出信号,这相当于物体温度的1℃变化。

一旦得出一个有待处理的稳定信号后,还要使用大量的模拟和数字电路来对放大器的输出信号进行线性化。许多红外温度计都设有A D变换系统,允许微处理器通过软件对数据线性化。然后,再通过一次D A变换,就可得到一个电流为4～20mA、电压与热电偶曲线一致(0～5V)的输出信号,或直接输出一个数字信号。31智能红外传感器

图2　典型红外温度传感器的结构

(1)镜头

光学镜头可能是红外温度系统中最关键的部分。好的光学设计可以尽可能地减小除待测物体之外的其它辐射源的影响。

大多数红外镜头都受到红外视场(FOV)的限制。所谓视场是指电路将其中所测得的所有温度都进行平均的视角,它既可用角度,也可用距离 大小比(D S)来描述。D S为60 1等于1°的视场。若D S为30 1,且与物体的距离除

以物体的直径等于30,那么物体就正好充满仪器的视场。对于大多数红外温度器件来说,充满视场是非常关键的,因为如果物体未充满视场的话,所算得的温度就将是物体温度与背景温度的平均。

比例温度计(双色)是个例外。使用这种仪器可以同时测量两个或多个波长(即颜色),并根据两个信号的比率(或其它算法)来计算温度。这种方法尽可能地降低了当目标小于视场时测量的退化,另外,在光路被烟雾或灰尘遮挡的高温环境中,此法使目标的模糊程度降至最低。

在高温环境中,还可用光纤来测量模糊目标。密光纤光缆可绕过或穿过各种障碍物。

(2)探测器

红外温度传感器中探测器将红外能量转化为可测的电压、电流或电阻,典型的探测器都加

最新型的红外温度传感器结合了微处理器

和有关电路系统,可起到发送器和接收器的作用,允许生产车间中的传感器与控制室中的计算机之间的双向串行通讯。智能红外温度传感器可同时提供模拟输出和数字通讯,不仅可作为控制环的一部分,而且可进行长期的统计分析和质量监控。

借助于双向通讯,工程师可遥控各单元的访问、成形、改进和维护。安装好传感器后,过程工程师可遥控传感器参数,如温度单位、波特率设置、在运行期间,传感器mA输出和报警等。

参数很容易进行调整,以适应过程中发生的变化。例如,一个薄膜聚酯压膜过程中,材料厚度可从1mil变至10mil,这样就导致了其透射性能的差异。与此变化相适应,过程工程师可以遥控调节辐射率和其它传感器参数,从而避免了因停机造成的浪费。

智能传感器最强大的功能之一是能够直接在硬盘上存贮一定时间内的过程数据,这一点比热电偶或低端红外器件所常用的座标记录仪有了很大的进步。数据可快速输入数据库以便于保存,对于质量控制来说,在线记录还有助于过程分析,是进行ISO9001认证的有力工具。

目前的智能传感器都配有软件开发工具,从而进一步增强了其灵活性并延长了其寿命。软件功能包括数据记录、绘图及统计分析(例如直方图和标准偏差数据),并可对传感器进行现场校准,将新参数下载到传感器的固有操作系统中。软件升级也可被下载到传感器的固有操作系统,从而进一步延长了仪器的寿命并扩展了其功能。

软件包还支持过程的故障查寻。传感器可自检诊断电源电压故障和电压继电器差。用户可建立设计极限载荷与人2机接口软件相连,以形成集成过程监控系统。采用已公布的传感器访问规程,可将传感器轻松地结合到现有的过程中,而不产生任何影响。

新一代的智能红外温度传感器使得过程工程师能及时跟上最好的生产工艺,提供了更大的灵活,而且使用也比以前要简单得多。41新的需求和新的功能

由于智能红外温度传感器提供了可以存贮、恢复和分析的连续温度数据,因而且助于形成质量文件。在世界某一最大的锻压工厂中,采用智能红外温度传感器来测量锻压之前碳素钢钢坯的温度,并将温度数据输出到一个PLC,PLC再根据这些数据通过调节电功率而达到控制炉温的目的。

借助于这一手段,企业实现了生产过程优化,节约了大量能源,并获得了产品认证和质量控制所需的连续和实时的数据。51结论

红外温度测量传感器的典型应用主要有以下情形:非接触性、无污染测量;热的运动物体;不可接近的物体。智能红外温 …… 此处隐藏：2576字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……