红外测温仪原理及其在应用中注意的问题

红外测温仪原理及其在应用中注意的问题

红外测温仪原理及其在应用中注意的问题

刘福杰

1,2

王浩静 范立东

11

(11中国科学院山西煤炭化学研究所 太原 030001)

(21中国科学院研究生院 北京 100039)

摘 要 分析红外测温的基本原理,以高温炉内温度的测量为例,详细剖析实际使用中如

何提高红外测温仪的准确性。

关键词 黑体辐射 红外测温仪 温度测量 高温炉 红外

在自然界中,当物体的温度高于绝对零度(-273e)时,由于它内部分子或原子无规则热运动的存在,就会不断地向空间辐射电磁波,其中就包括波段位于0176~1000Lm的红外线。红外测温仪正是利用这一原理制作而成的,因其具有非接触测量的特性,在对有一些距离、运动的或有危险性的物体进行温度测量时,具有安全、快速、可靠、方便等优势,对它进一步研究,无论在军事方面,还是在其他国民

〔1,2〕

经济领域里,均具有举足轻重的意义。

式(2)正是红外辐射测温的数学描述。

对于双色红外测温来说,是针对不同测温范围选择两个典型的波长区段,其温度是由两个独立波长带内的辐射能量的比值确定的。由式(2)可知,

双色红外辐射测温的数学描述为

c1KK2

2K1evE1Q-=-5

2c1KK2

2QK1e--5

dK

1dK1

(3)

1 红外测温的基本原理

红外测温仪是根据物体的红外辐射特性,依靠其内部光学系统将物体的红外辐射能量汇聚到探测器(传感器),并转换成电信号,再通过放大电路、补偿电路及线性处理后,在显示终端显示被测物体的温度。系统由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成,其核心是红外探测器,将入射辐射能转换成可测量的电信号(见图1)

。

2 如何提高红外测温仪的准确性

一个典型的生产石墨纤维的高温炉(见图2),其炉膛最高温度达到3000e,工艺要求内部为稍正

压的无氧气氛。红外测温仪以独特的优点成功地应用于该炉的温度测量,并配合PLC系统实现自动控制。但是,为保证温度测量的准确性,在红外测温仪

的选型和使用中还应注意一些问题。

图1 红外测温系统结构

对单色红外测温是针对不同测温范围选择典型的波长区段,其温度是由该波长区段内的辐射能量确定的。黑体在波长K段所发出的辐射能为1至K2区

K2

vEb=QEbKdK

K1

(1)

图2 生产石墨纤维的高温炉结构简图

11石墨纤维;21炉体;31保温材料;41加热体51测温孔;61保护气体入口;71迷宫式气封

211 确定红外测温仪的测温范围

测温范围是红外测温仪最重要的一个性能指标。如Optris(欧普士)产品测温范围覆盖-50~3300e,但这不能由一种型号的红外测温仪来完成,每种型号的红外测温仪都有自己特定的测温范围。因此,用户必须对待测温度范围考虑准确、周全,既

实际物体在波长K1至K2区段所发出的辐射能为

c1KK2

vE=EQdKc/(KT)K1

e2-150

-5

(2)

红外测温仪原理及其在应用中注意的问题

不要过窄,也不要过宽。根据黑体辐射定律,在光谱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引起的辐射能的变化,因此,在测温时应选用短波的较好。一般来说,测温范围越窄,监控温度的输出信号分辨率越高,精确度越高,测温更准确。测温范围过宽,会降低测温精度,误差较大。212 确定红外测温的光学分辨率(距离系数)

光学分辨率K由D与S之比确定,即红外测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径S之比。如果由于客观原因红外测温仪在远离目标使用,而又要测量小目标,就应选择高光学分辨率的红外测温仪来保证测温准确性。反之,则选择低光学分辨率的红外测温仪。因为光学分辨率越高,即D:S比值越大,测温仪的成本越高。

在实际应用中,有些人忽略测温仪的光学分辨率,不管被测目标直径S的大小,打开测温仪对准目标就测,结果由于忽略该测温仪的光学分辨率K值要求导致测量误差很大。213 确定红外测温仪的响应时间

响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度,定义为到达最后读数的95%能量所需要的时间,它与光电探测器、信号处理电路以及显示输出系统的时间常数有关。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。如果目标的运动速度或升温速度很快时,要选用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,可以放宽测温仪的响应时间要求。214 峰值保持

在实际应用中,为解决由于客观条件引起红外测温仪的读数忽高忽低的问题,多数测温仪设置一个被称为"峰值保持"的功能。它可以使测温仪在其响应时间内对温度变化做出反应,同时也将读数的显示时间延迟。通过设置适当的延迟时间,红外测温仪可以只"看到"被测物体的高温部分,对低温空间"视而不见",最终温度的读数相对稳定。红外测温仪这一功能在具有电源PLC控制系统的高温炉中经常使用,可以保持高温炉电源工作的稳定性。215 确定被测物体的发射率

发射率表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度,根据辐射定律,只要知道材料的发射率,就知道任何物体的红外辐射特性。因此,要根据设定的发射率来补偿不同物体因发射率不同而导致的对测量温度的影响。影响发射率的主要因素有:材料种类、表面粗糙度、表面温度和材料厚度等。对金属材料而言,表面

状态对发射率的影响较大,一般粗糙表面和受氧化后的表面的发射率是磨光表面的数倍;对非金属材料而

言,发射率值都比较高,一般在0185~0195之间,并且与表面状态的关系不大。对于未知发射率的物体,可通过实验方法测量物体的发射率。

对于双色红外测温仪而言,由式(6)可知:其温度值是由两个独立波长带内的辐射能量的比值确定的,其测量结果与物体的发射率无关,受周围环境的影响也比较小,抗干扰能力比较强。

216 环境条件的影响

红外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,否则会影响测量精度甚至引起损坏。当环境温度高,存在灰尘、烟雾或蒸汽的条件下,可选用适当厂商提供的水冷套、空气吹扫器等附件有效地解决环境的影响并保护测温仪,实现准确测温。在周围环境很大程度影响测量能量信号时,可以选择双色测温仪实现准确测温。在密封的或危险的材料应用中(如容器、真空炉等真空设备),测温仪通过窗口进行观测。窗口材料必须透明,并能透射所用测温仪的工作波长范围。单色测温仪的视窗需要让整个光的通路无碍,而且保持视窗清洁;双色测温仪对于视窗的清洁度要求不高,只要视窗不被金属镀层遮盖即可。217 清洁镜头与测温仪的标定

测温仪使用一段时间后,镜头上会积留灰尘,必须及时清洗镜头。具体方法是用擦镜纸或洁净棉球沾少许水清洁镜头表面,否则会造成测量结果低于被测目标的实际温度。

红外测温仪必须定期标定,这样才能使它准确地显示被测目标的温度。如果自检标定中偏差较大,则需退回厂家或维修中心重新标定。

3 结语

红外测温技术是一种非常有效的在线监测手段,而红外测温仪在高温炉、真空设备测温方面的应用只是其应用方面的冰山一角。但是要获得准确的测量温度,必须对其正确选型,并且与实际条件相结合,找到适合自己的测量方法。

参考文献

1 杨立1红外热象仪测温与误差分析〔J〕,红外技术,1999,

21(4):21~24

2 郭呈祥1红外测温技术〔J〕,工科物理,2000(2):61~633 杨世铭,陶文铨1传热学〔M〕,北京:高等教育出 …… 此处隐藏：1738字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……