1介紹
紅外線測(cè)溫儀英文譯為:InfraredThermometer.
紅外測(cè)溫技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中,在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè),設(shè)備在線故障診斷和安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。近20年來(lái),非接觸紅外人體測(cè)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。比起接觸式測(cè)溫方法,紅外測(cè)溫有著響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。非接觸紅外測(cè)溫儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列,并備有各種選件和計(jì)算機(jī)軟件,每一系列中又有各種型號(hào)及規(guī)格。在不同規(guī)格的各種型號(hào)測(cè)溫儀中,正確選擇紅外測(cè)溫儀型號(hào)對(duì)使用者來(lái)說(shuō)是十分重要的。
2基礎(chǔ)理論
1672年,人們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光(白光)是由各種顏色的光復(fù)合而成,同時(shí),牛頓做出了單色光在性質(zhì)上比白色光更簡(jiǎn)單的著名結(jié)論。使用分光棱鏡就把太陽(yáng)光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各色單色光。1800年,英國(guó)物理學(xué)家F.W.赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來(lái)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(yáng)光通過(guò)棱鏡時(shí),便被分解為彩色光帶,并用溫度計(jì)去測(cè)量光帶中不同顏色所含的熱量。為了與環(huán)境溫度進(jìn)行比較,赫胥爾用在彩色光帶附近放幾支作為比較用的溫度計(jì)來(lái)測(cè)定周圍環(huán)境溫度。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)其他溫度的批示數(shù)值高。經(jīng)過(guò)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(yáng)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。紅外線是一種電磁波,具有與無(wú)線電波及可見光一樣的本質(zhì),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。
紅外線的波長(zhǎng)在0.76~100μm之間,按波長(zhǎng)的范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四類,它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無(wú)線電波與可見光之間的區(qū)域。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射,它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng),并不停地輻射出熱紅外能量,分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈,輻射的能量愈大,反之,輻射的能量愈小。
溫度在絕對(duì)零度以上的物體,都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。通過(guò)紅外探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后,成像裝置的輸出信號(hào)就可以完全一一對(duì)應(yīng)地模擬掃描物體表面溫度的空間分布,經(jīng)電子系統(tǒng)處理,傳至顯示屏上,得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。運(yùn)用這一方法,便能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測(cè)溫并進(jìn)行分析判斷。
3熱像儀
紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)(先進(jìn)的焦平面技術(shù)則省去了光機(jī)掃描系統(tǒng))接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上,在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間,有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)(焦平面熱像儀無(wú)此機(jī)構(gòu))對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描,并聚焦在單元或分光探測(cè)器上,由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過(guò)電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng);實(shí)質(zhì)上是被測(cè)目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號(hào)非常弱,與可見光圖像相比,缺少層次和立體感,因此,在實(shí)際動(dòng)作過(guò)程中為更有效地判斷被測(cè)目標(biāo)的紅外熱分布場(chǎng),常采用一些輔助措施來(lái)增加儀器的實(shí)用功能,如圖像亮度、對(duì)比度的控制,實(shí)標(biāo)校正,偽色彩描繪等技術(shù)
4發(fā)展
1800年,英國(guó)物理學(xué)家F.W.赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線,從此開辟了人類應(yīng)用紅外技術(shù)的廣闊道路。在第二次世界大戰(zhàn)中,德國(guó)人用紅外變像管作為光電轉(zhuǎn)換器件,研制出了主動(dòng)式夜視儀和紅外通信設(shè)備,為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
二次世界大戰(zhàn)后,首先由美國(guó)德克薩蘭儀器公司經(jīng)過(guò)近一年的探索,開發(fā)研制的第一代用于軍事領(lǐng)域的紅外成像裝置,稱之為紅外尋視系統(tǒng)(FLIR),它是利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射掃描。由光子探測(cè)器接收兩維紅外輻射跡象,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及一系列儀器處理,形成視頻圖像信號(hào)。這種系統(tǒng)、原始的形式是一種非實(shí)時(shí)的自動(dòng)溫度分布記錄儀,后來(lái)隨著五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測(cè)器的發(fā)展,才開始出現(xiàn)高速掃描及實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)熱圖像的系統(tǒng)。
六十年代早期,瑞典AGA公司研制成功第二代紅外成像裝置,它是在紅外尋視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上以增加了測(cè)溫的功能,稱之為紅外熱像儀。
開始由于保密的原因,在發(fā)達(dá)的國(guó)家中也僅限于軍用,投入應(yīng)用的熱成像裝置可的黑夜或濃厚幕云霧中探測(cè)對(duì)方的目標(biāo),探測(cè)偽裝的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。由于有國(guó)家經(jīng)費(fèi)的支撐,投入的研制開發(fā)費(fèi)用很大,儀器的成本也很高。以后考慮到在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的實(shí)用性,結(jié)合工業(yè)紅外探測(cè)的特點(diǎn),采取壓縮儀器造價(jià)。降低生產(chǎn)成本并根據(jù)民用的要求,通過(guò)減小掃描速度來(lái)提高圖像分辨率等措施逐漸發(fā)展到民用領(lǐng)域。
六十年代中期,AGA公司研制出第一套工業(yè)用的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)(THV),該系統(tǒng)由液氮致冷,110V電源電壓供電,重約35公斤,因此使用中便攜性很差,經(jīng)過(guò)對(duì)儀器的幾代改進(jìn),1986年研制的紅外熱像儀已無(wú)需液氮或高壓氣,而以熱電方式致冷,可用電池供電;1988年推出的全功能熱像儀,將溫度的測(cè)量、修改、分析、圖像采集、存儲(chǔ)合于一體,重量小于7公斤,儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。
九十年代中期,美國(guó)FSI公司首先研制成功由軍用技術(shù)(FPA)轉(zhuǎn)民用并商品化的新一紅外熱像儀(CCD)屬焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的一種凝成像裝置,技術(shù)功能更加先進(jìn),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí)只需對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像,并將上述信息存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)的PC卡上,即完成全部操作,各種參數(shù)的設(shè)定可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析數(shù)據(jù),最后直接得出檢測(cè)報(bào)告,由于技術(shù)的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的改變,取代了復(fù)雜的機(jī)械掃描,儀器重量已小于二公斤,使用中如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣,單手即可方便地操作。
如今,紅外熱成像系統(tǒng)已經(jīng)在電力、消防、石化以及醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外熱像儀在世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中正發(fā)揮著舉足輕重的作用。
5分類
紅外熱像儀一般分光機(jī)掃描成像系統(tǒng)和非掃描成像系統(tǒng)。光機(jī)掃描成像系統(tǒng)采用單元或多元(元數(shù)有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多)光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器,用單元探測(cè)器時(shí)速度慢,主要是幀幅響應(yīng)的時(shí)間不夠快,多元陣列探測(cè)器可做成高速實(shí)時(shí)熱像儀。非掃描成像的熱像儀,如近幾年推出的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀,屬新一代的熱成像裝置,在性能上大大優(yōu)于光機(jī)掃描式熱像儀,有逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀的趨勢(shì)。其關(guān)鍵技術(shù)是探測(cè)器由單片集成電路組成,被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)視野都聚焦在上面,并且圖像更加清晰,使用更加方便,儀器非常小巧輕便,同時(shí)具有自動(dòng)調(diào)焦圖像凍結(jié),連續(xù)放大,點(diǎn)溫、線溫、等溫和語(yǔ)音注釋圖像等功能,儀器采用PC卡,存儲(chǔ)容量可高達(dá)500幅圖像。
紅外熱電視是紅外熱像儀的一種。紅外熱電視是通過(guò)熱釋電攝像管(PEV)接受被測(cè)目標(biāo)物體的表面紅外輻射,并把目標(biāo)內(nèi)熱輻射分布的不可見熱圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào),因此,熱釋電攝像管是紅外熱電視的光鍵器件,它是一種實(shí)時(shí)成像,寬譜成像(對(duì)3~5μm及8~14μm有較好的頻率響應(yīng))具有中等分辨率的熱成像器件,主要由透鏡、靶面和電子槍三部分組成。其技術(shù)功能是將被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射線通過(guò)透鏡聚焦成像到熱釋電攝像管,采用常溫?zé)犭娨曁綔y(cè)器和電子束掃描及靶面成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱像儀的主要參數(shù)有:
1工作波段;工作波段是指紅外熱像儀中所選擇的紅外探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)區(qū)域,一般是3~5μm或8~12μm。
2探測(cè)器類型;探測(cè)器類型是指使用的一種紅外器件。是采用單元或多元(元數(shù)8、10、16、23、48、55、60、120、180等)光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器,其采用的元素有硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PnSe)、碲化銦(InSb)、碲鎘汞(HgCdTe)、碲錫鉛(PbSnTe)、鍺摻雜(Ge:X)和硅摻雜(Si:X)等。
3掃描制式;一般為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電視制式,PAL制式。
4顯示方式;指屏幕顯示是黑白顯示還是偽彩顯示。
5溫度測(cè)定范圍;指測(cè)定溫度的最低限與最高限的溫度值的范圍。
6測(cè)溫準(zhǔn)確度;指紅外熱像儀測(cè)溫的最大誤差與儀器量程之比的百分?jǐn)?shù)。
7最大工作時(shí)間;紅外熱像儀允許連續(xù)的工作時(shí)間。
6紅外測(cè)溫
1、紅外測(cè)溫儀器的種類
紅外測(cè)溫儀器主要有3種類型:紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測(cè)溫儀(點(diǎn)溫儀)。60年代我國(guó)研制成功第一臺(tái)紅外測(cè)溫儀,八十年代初期以后又陸續(xù)生產(chǎn)小目標(biāo)、遠(yuǎn)距離、適合電業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的測(cè)溫儀器,如西光IRT-1200D型、HCW-Ⅲ型、HCW-Ⅴ型;YHCW-9400型;WHD4015型(雙瞄準(zhǔn),目標(biāo)D40mm,可達(dá)15m)、WFHX330型(光學(xué)瞄準(zhǔn),目標(biāo)D50mm,可達(dá)30m)。美國(guó)生產(chǎn)的PM-20、30、40、50、HAS-201測(cè)溫儀;瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有較廣泛的應(yīng)用。DL-500E可以應(yīng)用于110~500kV變電設(shè)備上,圖像清晰,溫度準(zhǔn)確。紅外熱像儀,主要有日本TVS-2000、TVS-100,美國(guó)PM-250,瑞典AGA-THV510、550、570。國(guó)產(chǎn)紅外熱像儀在昆明研制成功,實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。
2、紅外測(cè)溫儀工作原理
了解紅外測(cè)溫儀的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、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(cè)溫儀的基礎(chǔ)。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量,視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。除此之外,還應(yīng)考慮目標(biāo)和測(cè)溫儀所在的環(huán)境條件,如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對(duì)性能指標(biāo)的影響及修正方法。
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。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此,通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量,便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度,這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。
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(zhǎng)的輻射能量,沒有能量的反射和透過(guò),其表面的發(fā)射率為1。應(yīng)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(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律,即以波長(zhǎng)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(diǎn),故稱黑體輻射定律。
物體發(fā)射率對(duì)輻射測(cè)溫的影響:自然界中存在的實(shí)際物體,幾乎都不是黑體。所有實(shí)際物體的輻射量除依賴于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度之外,還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過(guò)程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此,為使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體,必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù),即發(fā)射率。該系數(shù)表示實(shí)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(shù)值之間。根據(jù)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(jié)構(gòu)和材料厚度等。
當(dāng)用紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測(cè)量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量,然后由測(cè)溫儀計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度。單色測(cè)溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例;雙色測(cè)溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。
紅外系統(tǒng):紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量,視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路,并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。
7性能
為了獲得精確的溫度讀數(shù),測(cè)溫儀與測(cè)試目標(biāo)之間的距離必須在合適的范圍之內(nèi),所謂“光點(diǎn)尺寸”(spotsize)就是測(cè)溫儀測(cè)量點(diǎn)的面積。您距離目標(biāo)越遠(yuǎn),光點(diǎn)尺寸就越大。右圖所示為距離與光點(diǎn)尺寸的比率,或稱D:S。在激光瞄準(zhǔn)器型測(cè)溫儀上,激光點(diǎn)在目標(biāo)中心的上方,有12mm(0.47英寸)的偏置距離。
測(cè)量距離與光點(diǎn)尺寸
在定測(cè)量距離時(shí),應(yīng)確保目標(biāo)直徑等于或大于受測(cè)的光點(diǎn)尺寸。右圖所標(biāo)示的“1號(hào)物體”(object1)與測(cè)量?jī)x之間的距離正,因?yàn)槟繕?biāo)比被測(cè)光點(diǎn)尺寸略大一些。而“2號(hào)物體”距離太遠(yuǎn),因?yàn)槟繕?biāo)小于受測(cè)的光點(diǎn)尺寸,即測(cè)溫儀同在測(cè)量背景物體,從而降低了讀數(shù)的精確性。
8正確選擇
選擇紅外測(cè)溫儀可分為3個(gè)方面:
?。?)性能指標(biāo)方面,如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長(zhǎng)、測(cè)量精度、窗口、顯示和輸出、響應(yīng)時(shí)間、保護(hù)附件等;
?。?)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(hù)附件等;
(3)其他選擇方面,如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等,也對(duì)測(cè)溫儀的選擇產(chǎn)生一定的影響。
隨著技術(shù)和不斷發(fā)展,紅外測(cè)溫儀最佳設(shè)計(jì)和新進(jìn)展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器,擴(kuò)大了選擇余地。其他選擇方面,如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等。在選擇測(cè)溫儀型號(hào)時(shí)應(yīng)首先確定測(cè)量要求,如被測(cè)目標(biāo)溫度,被測(cè)目標(biāo)大小,測(cè)量距離,被測(cè)目標(biāo)材料,目標(biāo)所處環(huán)境,響應(yīng)速度,測(cè)量精度,用便攜式還是在線式等等;在現(xiàn)有各種型號(hào)的測(cè)溫儀對(duì)比中,選出能夠滿足上述要求的儀器型號(hào);在諸多能夠滿足上述要求的型號(hào)中選擇出在性能、功能和價(jià)格方面的最佳搭配。
1、確定測(cè)溫范圍
確定測(cè)溫范圍:測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。有些測(cè)溫儀產(chǎn)品量程可達(dá)到為-50℃-+3000℃,但這不能由一種型號(hào)的紅外測(cè)溫儀來(lái)完成。每種型號(hào)的測(cè)溫儀都有自己特定的測(cè)溫范圍。因此,用戶的被測(cè)溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、周全,既不要過(guò)窄,也不要過(guò)寬。根據(jù)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(guò)由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化,因此,測(cè)溫時(shí)應(yīng)盡量選用短波較好。一般來(lái)說(shuō),測(cè)溫范圍越窄,監(jiān)控溫度的輸出信號(hào)分辨率越高,精度可靠性容易解決。測(cè)溫范圍過(guò)寬,會(huì)降低測(cè)溫精度。例如,如果被測(cè)目標(biāo)溫度為1000℃,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(hào)很多,如3iLR3,3i2M,3i1M。如果測(cè)量精度是主要的,最好選用2M或1M型號(hào)的,因?yàn)槿绻x用3iLR型,其測(cè)溫范圍很寬,則高溫測(cè)量性能便差一些;如果用戶除測(cè)量1000℃的目標(biāo)外,還要照顧低溫目標(biāo),那只好選擇3iLR3。
.2、確定目標(biāo)尺寸
紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀(輻射比色測(cè)溫儀)。對(duì)于單色測(cè)溫儀,在進(jìn)行測(cè)溫時(shí),被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿測(cè)溫儀視場(chǎng)。建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng),背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù),造成誤差。相反,如果目標(biāo)大于測(cè)溫儀的視場(chǎng),測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響。對(duì)于比色測(cè)溫儀,不充滿視場(chǎng),測(cè)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(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對(duì)于細(xì)小而又處于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)之中的目標(biāo),比色測(cè)溫儀是最佳選擇。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(duì)于某些測(cè)溫儀,其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很小,沒有充滿現(xiàn)場(chǎng),測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對(duì)輻射能量有衰減時(shí),都不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。甚至在能量衰減了95%的情況下,仍能保證要求的測(cè)溫精度。對(duì)于目標(biāo)細(xì)小,又處于運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)之中的目標(biāo);有時(shí)在視場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng),或可能部分移出視場(chǎng)的目標(biāo),在此條件下,使用雙色測(cè)溫儀是最佳選擇。如果測(cè)溫儀和目標(biāo)之間不可能直接瞄準(zhǔn),測(cè)量通道彎曲、狹小、受阻等情況下,雙色光纖測(cè)溫儀是最佳選擇。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(cè)量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場(chǎng)的目標(biāo)。
.3、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(cè)溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。如果測(cè)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(cè)量小的目標(biāo),就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測(cè)溫儀。光學(xué)分辨率越高,即增大D:S比值,測(cè)溫儀的成本也越高。Raytek紅外測(cè)溫儀D:S的范圍從2:1(低距離系數(shù))到高于300:1(高距離系數(shù))。如果測(cè)溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo),而目標(biāo)又小,就應(yīng)選擇高距離系數(shù)的測(cè)溫儀。對(duì)于固定焦距的測(cè)溫儀,在光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)處為光斑最小位置,近于和遠(yuǎn)于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì)增大。存在兩個(gè)距離系數(shù)。因此,為了能在接近和遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的距離上準(zhǔn)確測(cè)溫,被測(cè)目標(biāo)尺寸應(yīng)大于焦點(diǎn)處光斑尺寸,變焦測(cè)溫儀有一個(gè)最小焦點(diǎn)位置,可根據(jù)到目標(biāo)的距離進(jìn)行調(diào)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(shù)D:S很難做大,這就要增加儀器成本。
4、確定波長(zhǎng)范圍
目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜相應(yīng)波長(zhǎng)對(duì)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(cè)量金屬材料的最佳波長(zhǎng)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(zhǎng)上是透明的,紅外能量會(huì)穿透這些材料,對(duì)這種材料應(yīng)選擇特殊的波長(zhǎng)。如測(cè)量玻璃內(nèi)部溫度選用1.0μm,2.2μm和3.9μm(被測(cè)玻璃要很厚,否則會(huì)透過(guò))波長(zhǎng);測(cè)玻璃表面溫度選用5.0μm;測(cè)低溫區(qū)選用8~14μm為宜。如測(cè)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(guò)0.4mm的選用8-14μm。如測(cè)火焰中的CO用窄帶4.64μm,測(cè)火焰中的NO2用4.47μm。
5、確定響應(yīng)時(shí)間
響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度,定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要時(shí)間,它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。有些紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ms,比接觸式測(cè)溫方法快得多。如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測(cè)量快速加熱的目標(biāo)時(shí),要選用快速響應(yīng)紅外測(cè)溫儀,否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng),會(huì)降低測(cè)量精度。然而,并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測(cè)溫儀。對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過(guò)程存在熱慣性時(shí),測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。因此,紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要和被測(cè)目標(biāo)的情況相適應(yīng)。確定響應(yīng)時(shí)間,主要根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和目標(biāo)的溫度變化速度。對(duì)于靜止的目標(biāo)或目標(biāo)參在熱慣性,或現(xiàn)有控制設(shè)備的速度受到限制,測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。
.6、信號(hào)處理功能
鑒于離散過(guò)程(如零件生產(chǎn))和連續(xù)過(guò)程不同,所以要求紅外測(cè)溫儀具有多信號(hào)處理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)可供選用,如測(cè)溫傳送帶上的瓶子時(shí),就要用峰值保持,其溫度的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)。否則測(cè)溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持,設(shè)置測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng)于瓶子之間的時(shí)間間隔,這樣至少有一個(gè)瓶子總是處于測(cè)量之中。
7、環(huán)境條件考慮
測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響,應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決,否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起損壞。當(dāng)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(hù)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(hù)測(cè)溫儀,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。在確定附件時(shí),應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù),以降低安裝成本。當(dāng)在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)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(cè)量能量信信號(hào)時(shí),光纖雙色測(cè)溫儀是最佳選擇。比色測(cè)溫儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)和難以接近的環(huán)境條件下,或其他惡劣條件時(shí),宜選擇光線比色測(cè)溫儀。
在密封的或危險(xiǎn)的材料應(yīng)用中(如容器或真空箱),測(cè)溫儀通過(guò)窗口進(jìn)行觀測(cè)。材料必須有足夠的強(qiáng)度并能通過(guò)所用測(cè)溫儀的工作波長(zhǎng)范圍。還要確定操作工是否也需要通過(guò)窗口進(jìn)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(cè)量應(yīng)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(guò)窗口觀察目標(biāo)。如操作員需要通過(guò)窗口目標(biāo),應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見光的光學(xué)材料,如應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見光的光學(xué)材料,如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。
當(dāng)測(cè)溫儀工作環(huán)境中存在易燃?xì)怏w時(shí),可選用本征安全型紅外測(cè)溫儀,從而在一定濃度的易燃?xì)怏w環(huán)境中進(jìn)行安全測(cè)量和監(jiān)視。
在環(huán)境條件惡劣復(fù)雜的情況下,可以選擇測(cè)溫頭和顯示器分開的系統(tǒng),以便于安裝和配置??蛇x擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號(hào)輸出形式。
8、紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定
紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度。如果所用的測(cè)溫儀在使用中出現(xiàn)測(cè)溫超差,則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。
9應(yīng)用
AIKOM公司的超小型溫度校正儀,最大限度地克服了由于超小型化而帶來(lái)的技術(shù)困難,使用戶可以攜帶到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的每一角落,對(duì)其需要檢查、維修和標(biāo)定的溫度探頭實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)作業(yè),免除將其拆卸取回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定,又要重新裝回原系統(tǒng)的麻煩,可以大大提高工作效率,節(jié)約時(shí)間,提高設(shè)備和系統(tǒng)的可用率,并且為現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制工程師提供了優(yōu)異的維修、校驗(yàn)手段。
AIKOM系列超小型溫度校正儀,一改傳統(tǒng)的溫度校驗(yàn)?zāi)J?,其?yīng)用領(lǐng)域之廣泛,遍及工業(yè)領(lǐng)域溫度測(cè)量和標(biāo)定的每一環(huán)節(jié),并提供了一個(gè)可調(diào)的模擬溫度源,對(duì)提高工藝流程控制水平、產(chǎn)品質(zhì)量保證以及防止工業(yè)過(guò)程自動(dòng)保護(hù)定值的誤動(dòng)和尋找故障提供了重要的檢查手段。特別是對(duì)于溫度開關(guān)的定值檢查,可以做到快速準(zhǔn)確而方便,其應(yīng)用領(lǐng)域涉及:
電力:燃煤發(fā)電廠、燃?xì)夤犭姀S、水電站、核電站、地區(qū)供熱管網(wǎng)、大型電力變壓器的溫度保護(hù)和信號(hào)傳送等。
冶金:鋁廠、銅廠、鋼廠等。
石化:采油、輸油管路、石化廠、煉油廠。
一般工業(yè):冷凍機(jī)廠、空調(diào)廠、冰箱廠、啤酒廠、制藥廠、汽車廠。
溫度元件制造廠:鉑電阻、熱電偶及補(bǔ)償導(dǎo)線電纜、溫度開關(guān)、溫度傳感器制造廠。
交通運(yùn)輸:機(jī)場(chǎng)的飛機(jī)維修、大型運(yùn)輸動(dòng)力系統(tǒng)維修、遠(yuǎn)洋海運(yùn)作為在役維修測(cè)量手段。
Aikom產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)推出的主要有二個(gè)系列(PD-1000/PD-2000)四種型號(hào)。PD-1025特點(diǎn)是采用半導(dǎo)體制冷技術(shù),在攝氏20度環(huán)境溫度下最低溫度可以達(dá)到-25度,高溫能達(dá)到105度。PD-2300的特點(diǎn)是槽體有效尺寸深,加熱元件使用24V直流,安全性好和靜電影響小,利用機(jī)內(nèi)風(fēng)扇冷卻而不需要外壓縮空氣,采用錐形槽體和傳熱套管,熱阻極小傳熱快,溫場(chǎng)經(jīng)過(guò)特殊補(bǔ)償,溫度范圍為環(huán)境溫度至攝氏400度。
PD-2800的特點(diǎn)是可以提供攝氏720度的高溫源,升降溫速度快,使用方便,操作簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,特別適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用。但由于采肒型熱電偶作為槽體測(cè)溫元件,適用于高溫而精度要求不高場(chǎng)稀?BR>PD-2600是Aikom公司最新推出的高精度,高穩(wěn)定性,高溫槽體,標(biāo)定后的精度為正負(fù)0.3℃滿量程非線性誤差。它還可以通過(guò)選購(gòu)一個(gè)軟件,用以實(shí)現(xiàn)十段可編程升降溫速率控制,用來(lái)模擬和實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝流程。也可以輸入1-5V過(guò)程電壓信號(hào),用以改變槽體控溫單元的設(shè)定值構(gòu)成環(huán)路控制??傊?,它是一臺(tái)功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)程控小型便攜式恒溫槽,是世界上同類產(chǎn)品中性能優(yōu)異的代表作。
采用紅外成像檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行非接觸檢測(cè),拍攝其溫度場(chǎng)的分布、測(cè)量任何部位的溫度值,據(jù)此對(duì)各種外部及內(nèi)部故障進(jìn)行診斷,具有實(shí)時(shí)、遙測(cè)、直觀和定量測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn),用來(lái)檢測(cè)發(fā)電廠、變電所和輸電線路的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備和帶電設(shè)備非常方便、有效。
利用熱像儀檢測(cè)在線電氣設(shè)備的方法是紅外溫度記錄法。紅外溫度記錄法是工業(yè)上用來(lái)無(wú)損探測(cè),檢測(cè)設(shè)備性能和掌握其運(yùn)行狀態(tài)的一項(xiàng)新技術(shù)。與傳統(tǒng)的測(cè)溫方式(如熱電偶、不同熔點(diǎn)的蠟片等放置在被測(cè)物表面或體內(nèi))相比,熱像儀可在一定距離內(nèi)實(shí)時(shí)、定量、在線檢測(cè)發(fā)熱點(diǎn)的溫度,通過(guò)掃描,還可以繪出設(shè)備在運(yùn)行中的溫度梯度熱像圖,而且靈敏度高,不受電磁場(chǎng)干擾,便于現(xiàn)場(chǎng)使用。它可以在-20℃~2000℃的寬量程內(nèi)以0.05℃的高分辨率檢測(cè)電氣設(shè)備的熱致故障,揭示出如導(dǎo)線接頭或線夾發(fā)熱,以及電氣設(shè)備中的局部過(guò)熱點(diǎn)等等。
帶電設(shè)備的紅外診斷技術(shù)是一門新興的學(xué)科。它是利用帶電設(shè)備的致熱效應(yīng),采用專用設(shè)備獲取從設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息,進(jìn)而判斷設(shè)備狀況和缺陷性質(zhì)的一門綜合技術(shù)。
10工廠應(yīng)用
溫度、壓力、電流、電壓等都是人們所熟悉的基本物理量。在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、全工藝流程控制等影響很大,這些基本物理量中,對(duì)溫度的測(cè)量和標(biāo)定相比之下難度要大的多。這是因?yàn)闇囟认到y(tǒng)本身的“絕熱”和“熱量傳輸”的影響是十分復(fù)雜的,這就造成了溫度測(cè)量標(biāo)定統(tǒng)體積大,所需要的穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng),精度很難提高等。并非象壓力系統(tǒng)那樣只要保證壓力傳輸管路泄漏就可以保證內(nèi)外壓力互不影響,這樣就很容易實(shí)現(xiàn)壓力的快速傳輸,穩(wěn)定時(shí)間只需幾毫秒而測(cè)量精度很容易達(dá)到萬(wàn)分之幾以上。
再來(lái)看看一個(gè)高精度和高穩(wěn)定度的溫度測(cè)量系統(tǒng),保證其“絕熱”也就是說(shuō)完全阻止熱傳輸是不可能的。人們通常使一個(gè)足夠大的體積在其達(dá)到熱平衡的條件下,認(rèn)為其內(nèi)部質(zhì)量中心處某一小體積的溫場(chǎng)梯度足夠均衡,這就是為什么溫度校準(zhǔn)源體積龐大的重要原因之一。另外,一個(gè)溫度系統(tǒng)的熱傳輸也是十分復(fù)雜的,常常通過(guò)熱的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射來(lái)完成,可以想象,一下子使其溫度突變并達(dá)到熱平衡幾乎是不可能的,這就是常規(guī)溫度標(biāo)定源為了保證一定的溫場(chǎng)均勻性,器體積大,升、降溫時(shí)間長(zhǎng),造成工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)溫度測(cè)量系統(tǒng)的檢查、維修和標(biāo)定,費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢和由于多次拆裝溫度探頭而影響系統(tǒng)的可靠性。
工業(yè)領(lǐng)域希望能有一種小型輕巧象壓力校驗(yàn)儀一樣的便攜式溫度校正源(恒溫槽),然而這種小型便攜的溫度校驗(yàn)儀,必須克服由于體積減小而造成的溫場(chǎng)均勻性不良和穩(wěn)定性差的弊端,要使溫度升降在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定,必然要有加溫和冷卻的密切配合,都能使升溫降溫時(shí)間減少,在小型化恒溫槽內(nèi)冷卻和加溫又影響到溫場(chǎng)均勻性,所以綜合各方面的因素,達(dá)到超小體積而具有一定精確度,快速升降溫的便攜式溫度校正儀,是溫度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域中多年探索研制渴望得到的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用儀器。
紅外檢測(cè)技術(shù)是“九五”國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目,紅外檢測(cè)是一種在線監(jiān)測(cè)(不停電)式高科技檢測(cè)技術(shù),它集光電成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身,通過(guò)接收物體發(fā)出的紅外線(紅外輻射),將其熱像顯示在熒光屏上,從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況,具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速等優(yōu)點(diǎn)。任何物體由于其自身分子的運(yùn)動(dòng),不停地向外輻射紅外熱能,從而在物體表面形成一定的溫度場(chǎng),俗稱“熱像”。紅外診斷技術(shù)正是通過(guò)吸收這種紅外輻射能量,測(cè)出設(shè)備表面的溫度及溫度場(chǎng)的分布,從而判斷設(shè)備發(fā)熱情況。應(yīng)用紅外診技術(shù)的測(cè)試設(shè)備比較多,如紅外測(cè)溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。像紅外熱電視、紅外熱像儀等設(shè)備利用熱成像技術(shù)將這種看不見的“熱像”轉(zhuǎn)變成可見光圖像,使測(cè)試效果直觀,靈敏度高,能檢測(cè)出設(shè)備細(xì)微的熱狀態(tài)變化,準(zhǔn)確反映設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況,可靠性高,對(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效。
紅外診斷技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備的早期故障缺陷及絕緣性能做出可靠的預(yù)測(cè),使傳統(tǒng)電氣設(shè)備的預(yù)防性試驗(yàn)維修(預(yù)防試驗(yàn)是50年代引進(jìn)前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn))提高到預(yù)知狀態(tài)檢修,這也是現(xiàn)代電力企業(yè)發(fā)展的方向。特別是大機(jī)組、超高電壓的發(fā)展,對(duì)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定,提出了越來(lái)越高的要求。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展成熟與日益完善,利用紅外狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、不接觸、不取樣、不解體,又具有準(zhǔn)確、快速、直觀等特點(diǎn),實(shí)時(shí)地在線監(jiān)測(cè)和診斷電氣設(shè)備大多數(shù)故障(幾乎可以覆蓋所有電氣設(shè)備各種故障的檢測(cè))。它備受國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)的重視(國(guó)外70年代后期普遍應(yīng)用的一種先進(jìn)狀態(tài)檢修體制),并得到快速發(fā)展。紅外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)提高電氣設(shè)備的可靠性與有效性,提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益,降低維修成本都有很重要的意義。是在預(yù)知檢修領(lǐng)域中普遍推廣的一種很好手段,又能使維修水平和設(shè)備的健康水平上一個(gè)臺(tái)階。
11注意問(wèn)題
為了測(cè)溫,將儀器對(duì)準(zhǔn)要測(cè)的物體,按觸發(fā)器在儀器的LCD上讀出溫度數(shù)據(jù),保證安排好距離和光斑尺寸之比,和視場(chǎng)。
紅外測(cè)溫儀使用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題:
1、只測(cè)量表面溫度,紅外測(cè)溫儀不能測(cè)量?jī)?nèi)部溫度。
2、波長(zhǎng)在5um以上不能透過(guò)石英玻璃進(jìn)行測(cè)溫,玻璃有很特殊的反射和透過(guò)特性,不允許精確紅外溫度讀數(shù)。但可通過(guò)紅外窗口測(cè)溫。紅外測(cè)溫儀最好不用于光亮的或拋光的金屬表面的測(cè)溫(不銹鋼、鋁等)。
3、定位熱點(diǎn),要發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn),儀器瞄準(zhǔn)目標(biāo),然后在目標(biāo)上作上下掃描運(yùn)動(dòng),直至確定熱點(diǎn)。
4、注意環(huán)境條件:蒸汽、塵土、煙霧等。它阻擋儀器的光學(xué)系統(tǒng)而影響精確測(cè)溫。
5、環(huán)境溫度,如果測(cè)溫儀突然暴露在環(huán)境溫差為20℃或更高的情況下,允許儀器在20分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)到新的環(huán)境溫度。
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