一級(jí)計(jì)量師

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淺談紅外測(cè)溫儀的正確選擇

紅外測(cè)溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線(xiàn)故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了正在發(fā)揮著重要作用。近二十年來(lái)，非接觸紅外測(cè)溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷提高，適用范圍也不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)占有率逐年增長(zhǎng)。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)。<

紅外測(cè)溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線(xiàn)故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了正在發(fā)揮著重要作用。近二十年來(lái)，非接觸紅外測(cè)溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷提高，適用范圍也不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)占有率逐年增長(zhǎng)。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)。

Baytek（雷泰）公司非接觸紅外輻射測(cè)溫產(chǎn)品包括便攜式、在線(xiàn)式和掃描式三大系列，并備有各種選配件和相應(yīng)的計(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，正確地選擇紅外測(cè)溫儀型號(hào)對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是十分重要的。這里僅提出如何正確選擇測(cè)溫儀型號(hào)的思考步驟，供購(gòu)買(mǎi)者參考。

外測(cè)溫儀工作原理

了解組外測(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為了幫助用戶(hù)正確地選擇和使用紅外測(cè)溫儀。

一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射特性一輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布一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(méi)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(chēng)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(lài)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(lèi)、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)射率的主要因素在：

材料種類(lèi)、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。

選擇紅外測(cè)溫儀可分為三個(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、響應(yīng)時(shí)間等；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；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(hù)提供了各種功能和多用途的儀器，擴(kuò)大了選擇余地。

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)。如Raytek（雷泰）產(chǎn)品覆蓋范圍為-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(hù)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。

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(mǎn)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Raytek（雷泰）雙色測(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(méi)有充滿(mǎn)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)。

確定光學(xué)分辨率（距離及靈敏）

光學(xué)分辨率由D與S之比確定，是測(cè)溫儀到目標(biāo)之間的距離D與測(cè)量光斑直徑S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。

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)溫儀的光譜響應(yīng)或波長(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0.18-1.0μm波長(zhǎng)。其他溫區(qū)可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長(zhǎng)。由于有些材料在一定波長(zhǎng)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10μm、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)量玻璃內(nèi)部溫度選用5.0μm波長(zhǎng)；測(cè)低區(qū)區(qū)選用8-14μm波長(zhǎng)為宜；再如測(cè)量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長(zhǎng)，聚醋類(lèi)選用4.3μm或7.9μm波長(zhǎng)。厚度超過(guò)0.4mm選用8-14μm波長(zhǎng)；又如測(cè)火焰中的C02用窄帶4.24-4.3μm波長(zhǎng)，測(cè)火焰中的C0用窄帶4.64μm波長(zhǎng)，測(cè)量火焰中的N02用4.47μm波長(zhǎng)。

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)。bytek（雷泰）新型紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ms。這要比接觸式測(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)。

信號(hào)處理功能：

測(cè)量離散過(guò)程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過(guò)程不同，要求紅外測(cè)溫儀有信號(hào)處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。如測(cè)溫傳送帶上的玻璃時(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)。

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)加以考慮、并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起測(cè)溫儀的損壞。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)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)煙霧、灰塵或其他顆粒降低測(cè)量能量信號(hào)，雙色測(cè)溫儀是最佳選擇。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，光纖雙色測(cè)溫儀是最佳選擇。

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(jiàn)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(jiàn)光的光學(xué)材料，如應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光學(xué)材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。

操作簡(jiǎn)單，使用方便：

紅外測(cè)溫儀應(yīng)該是直觀的，操作簡(jiǎn)單，易于被操作人員使用，其中便攜式紅外測(cè)溫儀是一種集測(cè)溫和顯示輸出為一體的小型、輕便、由人攜帶進(jìn)行測(cè)溫的儀器，在顯示面板上可顯示溫度和輸出各種溫度信息，有的可通過(guò)遙控或通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件程序操作。

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(kāi)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。

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。

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