非接觸式溫度測量技術(shù)

非接觸式溫度技術(shù)講義非接觸式測溫儀表接觸式測溫儀表是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的測溫儀表，它具有測量精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。但在某些工業(yè)生產(chǎn)過程中，受到測溫現(xiàn)場條件的限制，如高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境、運(yùn)動(dòng)物體、微小目標(biāo)、熱容量小的對(duì)象以及不允許因測溫而破壞被測對(duì)象溫度場等情況下的溫度測量，都得用非接觸式測溫儀表才能實(shí)現(xiàn)。近20年來，非接觸紅外測溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強(qiáng)，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴(kuò)大，市場占有率逐年增長。與接觸式測溫法相比，它具有如下特點(diǎn)：非接觸式測溫儀表1）傳感器和被測對(duì)象不接觸，不會(huì)破壞被測對(duì)象的溫度場，故可測量運(yùn)動(dòng)物體的溫度；2）由于傳感器或熱輻射探測器不必達(dá)到被測對(duì)象同樣的溫度，故儀表的測溫上限不受傳感器材料熔點(diǎn)的限制，從理論上說儀表無測溫上限；3）在檢測過程中傳感器不必和被測對(duì)象達(dá)到熱平衡,故檢測速度快、響應(yīng)時(shí)間短,適于快速測溫；物體受到熱輻射后，視物體本身的性質(zhì)，能將它吸收、透過或反射。而受熱物體放出的輻射能的多少，與它的溫度有一定的關(guān)系。熱輻射式測溫儀表就是根據(jù)這種熱輻射原理制成的。常用的熱輻射式測溫儀表有：輻射式測溫儀和紅外測溫儀等。其中輻射式測溫儀分為全輻射高溫計(jì)、單輻射高溫計(jì)（光學(xué)高溫計(jì)和光電高溫計(jì)）、比色溫度計(jì)。物體熱輻射與溫度的關(guān)系任何物體都會(huì)以電磁波形式向外放射能量，這就是熱輻射。如果物體能全部吸收外界輻射到其表面的輻射能，該物體就稱為絕對(duì)黑體，簡稱黑體。實(shí)驗(yàn)證明，吸收輻射能力強(qiáng)的物體，其輻射能力也強(qiáng)。物體在單位時(shí)間內(nèi)每單位面積輻射出的所有波長的總輻射能稱為物體的全輻射力。而每一定波長的輻射能稱為物體的單色輻射力，因此，物體全輻射力是各單色輻射力的積分。普朗克定律：在一定溫度下，不同波長的單色輻射力不同，溫度上升時(shí)的單色輻射力增大，但不同波長其增大的幅度不同。物體熱輻射與溫度的關(guān)系全輻射定律（波爾茲曼定律）：黑體的全輻射力與其絕對(duì)溫度的四次方成正比，即E=σT4。式中σ—波爾茲曼常數(shù)，也稱為黑體輻射常數(shù)。這一結(jié)論不僅對(duì)黑體是正確的，而且對(duì)任何實(shí)際物體（即非黑體或灰體）也是成立的。所不同的是，實(shí)際物體的全輻射力要低于相同溫度的黑體全輻射力。實(shí)際物體的全輻射力為：E=εσT4。式中ε—實(shí)際物體的總發(fā)射率；輻射高溫計(jì)輻射高溫計(jì)是根據(jù)全輻射定律實(shí)現(xiàn)測溫的儀表。它以熱電堆作檢測元件，由于熱電堆對(duì)不同波長輻射能的響應(yīng)率是均勻的，因此該儀表被稱為全輻射高溫計(jì)。其結(jié)構(gòu)原理如下圖。當(dāng)通過目鏡6及物鏡1瞄準(zhǔn)被測對(duì)象時(shí)，對(duì)象的輻射能通過物鏡聚焦，再經(jīng)光闌2投射到玻璃泡內(nèi)的熱電堆3上。熱電堆由四支熱電偶串聯(lián)構(gòu)成，其熱端集中加在玻璃泡中心的鉑箔4上。鉑箔涂以黑色，以增大黑度，加強(qiáng)對(duì)輻射的吸收能力，經(jīng)鉑箔吸收的輻射能，通過熱電堆轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭妱葺敵?，送至顯示儀表7指示出溫度值。在聚焦時(shí)灰色濾光片可以減弱輻射以保護(hù)人眼。1243567輻射高溫計(jì)由于輻射高溫計(jì)只能規(guī)定被測對(duì)象為黑體時(shí)的輻射-溫度關(guān)系刻度。如果被測對(duì)象不是黑體，則儀表顯示將偏低。若被測對(duì)象黑度已知，則可根據(jù)黑度修正偏差。使用輻射高溫計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：⑴被測對(duì)象為非黑體時(shí)若不知其黑度,則可以在被測對(duì)象內(nèi)加裝窺視管,窺視管長度為其直徑的10倍以上，因此管底近似于黑體，故可減少測量誤差。⑵中間介質(zhì)的影響：被測對(duì)象與儀表之間的空間含有其它介質(zhì)，如灰塵、水蒸氣、二氧化碳等，們對(duì)輻射能有所吸收，從而使儀表顯示偏低，為了減少誤差，安裝距離一般不超過1米。輻射高溫計(jì)⑶環(huán)境溫度的影響：儀表內(nèi)熱電堆的冷端溫度隨環(huán)境溫度而變化，為此儀表內(nèi)部采用了由雙金屬片控制的補(bǔ)償光闌，以達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康?。但儀表內(nèi)的環(huán)境溫度不宜超過100℃，必要時(shí)應(yīng)裝設(shè)水冷套。光學(xué)高溫計(jì)物體溫度變化時(shí)，某些單色輻射力的變化比全輻射力的變化更為顯著，因此利用單色輻射力與溫度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)測溫時(shí)，儀表靈敏度較高。光學(xué)高溫計(jì)是利用λ=0.65μm單色輻射力與溫度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)測溫的，但由于單色輻射力測量很困難，實(shí)際上在光學(xué)高溫計(jì)中，是采用了單色亮度的比較法。光學(xué)高溫計(jì)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，使用方便，它是通過人眼瞄準(zhǔn)和亮度比較來實(shí)現(xiàn)測溫的，測量結(jié)果帶有人為的主觀誤差。光學(xué)高溫計(jì)的原理結(jié)構(gòu)如下圖：光學(xué)高溫計(jì)測溫時(shí)，用眼通過目鏡4和物鏡1瞄準(zhǔn)被測對(duì)象。調(diào)節(jié)目鏡使眼睛清晰地看到儀表中的鎢絲燈燈絲后，再調(diào)節(jié)物鏡，使對(duì)象成像于燈絲平面上，以便與燈絲亮度進(jìn)行比較，這時(shí)可調(diào)節(jié)滑線電阻6，待燈絲頂端亮度與被測對(duì)象亮度相等時(shí)（看上去好像燈絲中斷一樣），此時(shí)電流表7指示出測量值。8為灰色吸收玻璃，用于擴(kuò)展儀表量程。18625734abc紅外基礎(chǔ)理論幾百年前，人們發(fā)現(xiàn)太陽光（白光）可分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各色單色光。1800年，英國物理學(xué)家威廉姆.赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來研究各種色光時(shí)，發(fā)現(xiàn)了紅外線。他在研究各種色光的熱量時(shí)，有意地把暗室的唯一的窗戶用暗板堵住，并在板上開了一個(gè)矩形孔，孔內(nèi)裝一個(gè)分光棱鏡。當(dāng)太陽光通過棱鏡時(shí)，便被分解為彩色光帶，并用溫度計(jì)去測量光帶中不同顏色所含的熱量。試驗(yàn)中，他偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：放在光帶紅光外的一支溫度計(jì)，比室內(nèi)其他溫度的指示數(shù)值高。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，這個(gè)所謂熱量最多的高溫區(qū)，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布太陽發(fā)出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“熱線”，這種看不見的“熱線”位于紅色光外側(cè)，叫做紅外線。紅外線的發(fā)現(xiàn)是人類對(duì)自然認(rèn)識(shí)的一次飛躍，對(duì)研究、利用和發(fā)展紅外技術(shù)領(lǐng)域開辟了一條全新的廣闊道路。

紅外線溫度計(jì)一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量,從而在物體表面形成一定的溫度場，俗稱“熱像”。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(guān)系。因此，通過對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。目前應(yīng)用紅外技術(shù)的測量設(shè)備比較多，如紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。紅外線溫度計(jì)的測溫原理：波長在0.8~100μm的輻射稱為紅外輻射。紅外輻射能被物體吸收并轉(zhuǎn)換成熱能。并且在一定波長下，紅外輻射強(qiáng)度與溫度T(K)及波長λ(μm)之間的關(guān)系，仍然由普朗克定律來描述。這樣可通過一定波長下的紅外輻射強(qiáng)度來確定物體的溫度。紅外線溫度計(jì)原理1、物鏡；2、濾光片；3、調(diào)制盤；4、微電機(jī)；5、反射鏡；6、聚光燈；7、參比燈；8、探測元件24813567前置放大差值放大相敏檢波放大調(diào)節(jié)線性調(diào)整溫度顯示輸出轉(zhuǎn)換增益控制4~20mA紅外線溫度計(jì)原理

紅外線溫度計(jì)由感溫器和顯示儀表兩部分組成。被測物體的表面輻射能量由物鏡會(huì)聚，經(jīng)調(diào)制盤（又稱切光片）反射到濾光片，一定波長的紅外線透過濾光片到達(dá)探測元件上而被吸收。儀器中用作參考輻射源—參比燈的輻射能量通過另一路聚光鏡6，經(jīng)反射鏡5反射到調(diào)制盤并被調(diào)制后，也到達(dá)探測元件上被吸收。被測物體輻射能量和參比燈輻射能量是交替的被紅外探測元件吸收的，從而產(chǎn)生兩個(gè)相位相差180°的電信號(hào)。從探測元件輸出的脈沖信號(hào)是這兩個(gè)信號(hào)的差值。此信號(hào)經(jīng)放大，相敏檢波成直流信號(hào)，再經(jīng)直流放大處理，以調(diào)節(jié)參比燈工作電流，使其輻射能量與被測能量相平衡。參比燈的輻射能量始終精確跟蹤被測輻射能量，保持平衡狀態(tài)，再將參比燈的電參數(shù)經(jīng)過電子線路進(jìn)一步處理，輸出4~20mADC統(tǒng)一信號(hào)送顯示儀表，指示、記錄被測的溫度值。紅外線溫度計(jì)的選擇確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。產(chǎn)品覆蓋范圍為-50℃-+3000℃，每種型號(hào)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(zhǔn)確、周全，既不要過窄，也不要過寬。確定目標(biāo)尺寸：紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀。對(duì)于單色測溫儀，在進(jìn)行測溫時(shí)，被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫儀視場。如果目標(biāo)尺寸小于視場，背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測溫儀干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。對(duì)于比色測溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長輻射能量的比值來確定的。因此當(dāng)被測目標(biāo)很小，不充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都不對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。

確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：距離系數(shù)由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測目標(biāo)直徑之比。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。光學(xué)分辨率越高，即增大D：S比值，測溫儀的成本也越高。確定波長范圍：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應(yīng)波長，在高溫區(qū)，測量金屬材料的最佳波長是近紅外，可選用0.8～1.0μm。測量玻璃內(nèi)部溫度選用1.0μm，2.