紅外測溫儀工作原理及應用(二)
3.紅外測溫

　　3.1紅外測溫儀器的種類

　　紅外測溫儀器主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀（點溫儀）。60年代我國研制成功**臺紅外測溫儀，1990年以后又陸續(xù)生產小目標、遠距離、適合電業(yè)生產特點的測溫儀器，如西光IRT－1200D型、HCW－Ⅲ型、HCW－ⅤA型。美國生產的PM－20、30、40、50、HAS－201測溫儀；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有較廣泛的應用。DL－500E可以應用于110～500kV變電設備上，圖像清晰，溫度準確。紅外熱像儀，主要有日本TVS－2000、TVS－100，美國PM－250，瑞典AGA－SGV510、550、570。

　　3.2紅外測溫儀工作原理

　　了解紅外測溫儀的工作原理、技術指標、環(huán)境工作條件及操作和維修等是用戶正確地選擇和使用紅外測溫儀的基礎。紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯集其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘枴Ｔ撔盘柦涍^放大器和信號處理電路按照儀器內部的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。除此之外，還應考慮目標和測溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。
　　一切溫度高于**零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。　
　　黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1。應該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點，故稱黑體輻射定律。
　　物體發(fā)射率對輻射測溫的影響：自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實際物體，必須引入一個與材料性質及表面狀態(tài)有關的比例系數，即發(fā)射率。該系數表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數值之間。根據輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。
　　影響發(fā)射率的主要因紗在：材料種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。
　　當用紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段范圍內的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標的溫度。單色測溫儀與波段內的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例。
　　紅外系統(tǒng)：紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘枴Ｔ撔盘柦涍^放大器和信號處理電路，并按照儀器內療的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。

　　3.3紅外測溫儀性能

　　紅外測溫儀是通過接收目標物體發(fā)射、反射和傳導的能量來測量其表面溫度。測溫儀內的探測元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進行處理，然后轉換成溫度讀數顯示。在帶激光瞄準器的型號中，激光瞄準器只做瞄準使用。其性能說明如表1。
　　
　　　　測溫范圍　　-20℃--400℃　　顯示分辯率　　　0.1℃(<199.1℃時 )
　　　　精度　　　　23 ℃時±1%　　工作環(huán)境溫度范圍　　0--50 ℃
　　　　重復性　　　23 ℃時±1%　　相對濕度　　　　　30 ℃時 10—95%
　　　　響應時間　　500ms　　　　　電源　　　　　　　　9V
　　　　響應光譜　　7 -18micron　　尺寸　　　　　　　137 × 41 × 196mm
　　　　大值顯示　Have　　　　　 重量　　　　　　　270g
　　　　發(fā)射率　　　0.95Preset　　 防水　　　　　　　　根據消防**要求特殊制作

　　為了獲得**的溫度讀數，測溫儀與測試目標之間的距離必須在合適的范圍之內，所謂“光點尺寸”（spotsize）就是測溫儀測量點的面積。您距離目標越遠，光點尺寸就越大。右圖所示為距離與光點尺寸的比率，或稱D：S。在激光瞄準器型測溫儀上，激光點在目標中心的上方，有12mm（0.47英寸）的偏置距離。
　　測量距離與光點尺寸
　　在定測量距離時，應確保目標直徑等于或大于受測的光點尺寸。右圖所標示的“1號物體”（object1）與測量儀之間的距離正，因為目標比被測光點尺寸略大一些。而“2號物體”距離太遠，因為目標小于受測的光點尺寸，即測溫儀同在測量背景物體，從而降低了讀數的**性。

4.紅外測溫儀正確選擇

　　選擇紅外測溫儀可分為3個方面：
　　（1）性能指標方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、窗口、顯示和輸出、響應時間、保護附件等；
　　（2）環(huán)境和工作條件方面，如環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護附件等；
　　（3）其他選擇方面，如使用方便、維修和校準性能以及價格等，也對測溫儀的選擇產生一定的影響。
　　隨著技術和不斷發(fā)展，紅外測溫儀佳設計和新進展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器，擴大了選擇余地。其他選擇方面，如使用方便、維修和校準性能以及價格等。在選擇測溫儀型號時應首先確定測量要求，如被測目標溫度，被測目標大小，測量距離，被測目標材料，目標所處環(huán)境，響應速度，測量精度，用便攜式還是在線式等等；在現(xiàn)有各種型號的測溫儀對比中，選出能夠滿足上述要求的儀器型號；在諸多能夠滿足上述要求的型號中選擇出在性能、功能和價格方面的佳搭配。

　　4.1確定測溫范圍

　　確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀重要的一個性能指標。如Wahl產品覆蓋范圍為-25℃-+3000℃，但這不能由一種型號的紅外測溫儀來完成。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。因此，用戶的被測溫度范圍一定要考慮準確、周全，既不要過窄，也不要過寬。根據黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，測溫時應盡量選用短波較好。一般來說，測溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號分辨率越高，精度可靠性容易解決。測溫范圍過寬，會降低測溫精度。例如，如果被測目標溫度為1000攝氏度，首先確定在線式還是便攜式，如果是便攜式。滿足這一溫度的型號很多，如DHS-200/2185或IRT-3000。如果測量精度是主要的，好選用DHS-200/2185型號的.

　　4.2確定目標尺寸

　　紅外測溫儀根據原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色測溫儀，在進行測溫時，被測目標面積應充滿測溫儀視場。建議被測目標尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標尺寸小于視場，背景輻射能量就會進入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數，造成誤差。相反，如果目標大于測溫儀的視場，測溫儀就不會受到測量區(qū)域外面的背景影響。對于比色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。因此當被測目標很小，不充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時，都不對測量結果產生重大影響。對于細小而又處于運動或震動之中的目標，比色測溫儀是佳選擇。這是由于光線直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量。
　　對于Wahl雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。因此當被測目標很小，沒有充滿現(xiàn)場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時，都不會對測量結果產生影響。甚至在能量衰減了95%的情況下，仍能保證要求的測溫精度。對于目標細小，又處于運動或振動之中的目標；有時在視場內運動，或可能部分移出視場的目標，在此條件下，使用雙色測溫儀是佳選擇。如果測溫儀和目標之間不可能直接瞄準，測量通道彎曲、狹小、受阻等情況下，雙色光纖測溫儀是佳選擇。這是由于其直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量，因此可以測量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場的目標。

　　4.3確定距離系數（光學分辨率）

　　距離系數由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標之間的距離D與被測目標直徑之比。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光學分辨率的測溫儀。光學分辨率越高，即增大D：S比值，測溫儀的成本也越高。Raytek紅外測溫儀D：S的范圍從2：1（低距離系數）到高于300：1（高距離系數）。如果測溫儀遠離目標，而目標又小，就應選擇高距離系數的測溫儀。對于固定焦距的測溫儀，在光學系統(tǒng)焦點處為光斑小位置，近于和遠于焦點位置光斑都會增大。存在兩個距離系數。因此，為了能在接近和遠離焦點的距離上準確測溫，被測目標尺寸應大于焦點處光斑尺寸，變焦測溫儀有一個小焦點位置，可根據到目標的距離進行調節(jié)。增大D：S，接收的能量就減少，如不增大接收口徑，距離系數D：S很難做大，這就要增加儀器成本。

　　4.4確定波長范圍

　　目標材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū)，測量金屬材料的佳波長是近紅外，可選用0.8～1.0μm。其他溫區(qū)可選用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波長上是透明的，紅外能量會穿透這些材料，對這種材料應選擇特殊的波長。如測量玻璃內部溫度選用1.0μm，2.2μm和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會透過）波長；測玻璃表面溫度選用5.0μm；測低溫區(qū)選用8～14μm為宜。如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm，聚酯類選用4.3μm或7.9μm，厚度超過0.4mm的選用8-14μm。如測火焰中的CO用窄帶4.64μm，測火焰中的NO2用4.47μm。

　　4.5確定響應時間

　　響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達后讀數的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數有關。Wahl新型紅外測溫儀響應時間可達1ms。這要比接觸式測溫方法快得多。如果目標的運動速度很快或測量快速加熱的目標時，要選用快速響應紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應，會降低測量精度。然而，并不是所有應用都要求快速響應的紅外測溫儀。對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應時間的選擇要和被測目標的情況相適應。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。對于靜止的目標或目標參在熱慣性，或現(xiàn)有控制設備的速度受到限制，測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。

　　4.6信號處理功能

　　鑒于離散過程（如零件生產）和連續(xù)過程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如測溫傳送帶上的瓶子時，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內。否則測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設置測溫儀響應時間稍長于瓶子之間的時間間隔，這樣至少有一個瓶子總是處于測量之中。

　　4.7環(huán)境條件考慮

　　測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結果有很大影響，應予考慮并適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。當環(huán)境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護測溫儀，實現(xiàn)準確測溫。在確定附件時，應盡可能要求標準化服務，以降低安裝成本。當在噪聲、電磁場、震動或難以接近環(huán)境條件下，或其他惡劣條件下，煙霧、灰塵或其他顆粒降低測量能量信信號時，光纖雙色測溫儀是佳選擇。比色測溫儀是佳選擇。在噪聲、電磁場、震動和難以接近的環(huán)境條件下，或其他惡劣條件時，宜選擇光線比色測溫儀。
　　在密封的或危險的材料應用中（如容器或真空箱），測溫儀通過窗口進行觀測。材料必須有足夠的強度并能通過所用測溫儀的工作波長范圍。還要確定操作工是否也需要通過窗口進行觀察，因此要選擇合適的安裝位置和窗口材料，避免相互影響。在低溫測量應用中，通常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見光，人眼不能通過窗口觀察目標。如操作員需要通過窗口目標，應采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如應采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。
　　當測溫儀工作環(huán)境中存在易燃氣體時，可選用本征**型紅外測溫儀，從而在一定濃度的易燃氣體環(huán)境中進行**測量和監(jiān)視。
　　在環(huán)境條件惡劣復雜的情況下，可以選擇測溫頭和顯示器分開的系統(tǒng)，以便于安裝和配置。可選擇與現(xiàn)行控制設備相匹配的信號輸出形式。

　　4.8紅外輻射測溫儀的標定

　　紅外測溫儀必須經過標定才能使它正確地顯示出被測目標的溫度。如果所用的測溫儀在使用中出現(xiàn)測溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標定。