2022年2022年红外测温方法的工作原理及测温 .pdf

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1、红外测温方法的工作原理及测温仪在自然界中 , 当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在, 就会不断地向四周辐射电磁波 , 其中就包含了波段位于0. 75100m的红外线 . 红外测温仪就是利用这一原理制作而成的 , 温度是度量物体冷热程度的一个物理量，是工业生产中很普遍、很重要的一个热工参数， 许多生产工艺过程均要求对温度进行监视和控制，特别是在化工、 食品等行业生产过程中， 温度的测量和控制直接影响到产品的质量和性能。传统的接触式测温仪表如热电偶、热电阻等， 因要与被测物质进行充分的热交换，需经过一定的时间后才能达到热平衡，存在着测温的延迟现象，故在连续生产质量检验中存在一定的使用

2、局限。目前，红外温度仪因具有使用方便，反应速度快，灵敏度高，测温范围广，可实现在线非接触连续测量等众多优点，正在逐步地得以推广应用。表1列出了常用的测温方法和特点，其中红外测温作为一种常用的测温技术显示出较明显的优势。表1 常用测温方法对比测温方法温度传感器测温范围（ C）精度（%）接触式热电偶-2001800 0.21.0热电阻-503000.10.5非接触式红外测温-5033001其它示温材料-35200011红外测温仪的工作原理及特点1.1黑体辐射与红外测温原理一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密

3、切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。黑体辐射定律： 黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1，其它的物质反射系数小于1，称为灰体。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型， 这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律， 即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。1.2红外测温仪特点一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外

4、辐射能量。红外辐射能量的大小按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此, 通过对物体自身发出的红外能量的测量, 便能准确地测出它的表面温度。红外测温仪能接收多种物体自身发射出的不可见红外辐射能量。红外辐射是电磁频谱的一部分, 红外位于可见光和无线电波之间。当仪器测温时 , 被测物体发射出的红外辐射能量, 通过测温仪的光学系统在探测器上转为电信号, 并通过红外测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度。红外测温仪特点: 非接触式测量, 测温范围广 , 响应速度快 , 灵敏度高。但由于受被测对象的发射率影响 , 几乎不可能测到被测对象的真实温度, 测量的是表面温度。名师资料总结 - - -精

5、品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 2红外测温仪的系统组成红外测温采用逐点分析的方式，即把物体一个局部区域的热辐射聚焦在单个探测器上，并通过已知物体的发射率，将辐射功率转化为温度。由于被检测的对象、测量范围和使用场合不同， 红外测温仪的外观设计和内部结构不尽相同，但基本结构大体相似，主要包括光学系统、光电探测器、 信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，其基本结构如图2 所示。辐射体发出的红外辐射，进入光学系统， 经调制器把红外辐射调制成交

6、变辐射，由探测器转变成为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。调制盘电子放大器调制盘图2 红外测温仪结构图如图 2所示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3图) 。图 3 红外测温系统结构3红外测温误差分析热辐射体光学系统红 外 探 测器显示器

7、被测目标光学系统探测器调制电机信号处理电路补偿电路显示器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 由于红外测温是非接触式的，这样会存在着各种误差，影响误差的因素很多，除了仪器本身的因素外，主要表现在以下几个方面：1、 辐射率辐射率是一个物体相对于黑体辐射能力大小的物理量，它除了与物体的材料形状、表面粗糙度、凹凸度等有关，还与测试的方向有关。若物体为光洁表面时，其方向性更为敏感。不同物质的辐射率是不同的，红外测温仪从物体上接

8、收到辐射能量大小正比于它的辐射率。（1） 辐射率的设定根据基尔霍夫定理：物体表面的半球单色发射率( )等于它的半球单色吸收率( )， =。在热平衡条件下，物体辐射功率等于它的吸收功率，即吸收率( )、反射率 ( )、透射率 ( )总和为 1，即 + =1，图 4 解释了上述规律。对于不透明的( 或具有一定厚度)的物体透射率可视 =0， 只有辐射和反射( +=1)，当物体的辐射率越高，反射率就越小，背景和反射的影响就会越小，测试的准确性也就越高；反之，背景温度越高或反射率越高，对测试的影响就越大。由此可以看出， 在实际的检测过程中必须注意不同物体和测温仪相对应的辐射率，对辐射率的设定要尽量准确，

9、以减小所测温度的误差。图4 目标的红外辐射（2） 测试角度辐射率与测试方向有关，测试角度越大，测试误差越大，在用红外进行测温时，这一点很容易被忽视。一般来说，测试角最好在30 C 之内，一般不宜大于45 C，如果不得不大于45 C 进行测试，可以适当地调低辐射率进行修正。如果两个相同物体的测温数据要进行判断分析，那么在测试时测试角一定要相同，这样才更具有可比性。2、 距离系数距离系数 (K=S:D)是测温仪到目标的距离S 与测温目标直径D 的比值，它对红外测温的精确度有很大影响，K 值越大，分辨率越高。因此，如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分

10、辨率的测温仪，以减小测量误差。在实际使用中，许多人忽略了测温仪的光学分辨率。不管被测目标点直径D 大小，打开激光束对准测量目标就测试。实际上他们忽略了该测温仪的S:D 值的要求，这样测出的温度会有一定的误差。比如，用测量距离与目标直径S:D=8:1 的测温仪，测量距离应满足名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 表2 的要求。表2 S 值应满足的要求目标大小 D(mm)1550100200测量距离 S(mm)120400

11、800 确定温度范围2 确定目标尺寸3 确定光学分辨率4 确定波长范围5 确定响应时间6 信号处理功能7 考虑环境条件8 红外辐射测温仪的标定T 环 温 补 偿 信 号发生器指 示 仪表对数放大器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 9 操作使用6红外测微仪的应用红外测温仪具有非接触和快速测温的优点, 在工业、 农业、医疗和科学研究方面都有着广泛的用途。 按其使用的途径可分为两大类首先是测量被测目标的表面温度其次是利用

12、测量物体的热分布状况判断物体与热分布有关的其他性质的间接测量。举例如下：1钢铁工业中使用的红外测温仪占总量的一半以上。炼钢、轧钢、浇铸、淬火时测量控制温度对提高产品的质量起着重要的作用。对炉壁和机械设备热故障的监测为延长使用寿命和安全保障提供依据。2在机械加工中, 测量控制热处理部件的温度对产品质量起着关键的作用。3在化学工业中, 化工设备都在高温高压下工作, 监测设备的热分布状况, 判断设备工作情况 , 检测热篙道接口热损耗、热泄漏故障是十分有用的。4在动力、 电力业方面 , 在运行及带电条件下检测动力设备、配电设备、电缆、电器接头等温度的异常 , 为设备的安全运行提供一定的保障。5在建筑业

13、中 , 通过对建筑物墙壁、楼面、 房顶热分布的检测确定它的绝热、裂漏隐患及缺陷的位置。确定工厂、建筑物热耗的管理。6在农业方面 , 土壤、 植物表面温度的测量, 粮食、种子烘干过程中温度的测量, 农副产品如烟叶、茶叶加工过程中温度的监测, 中草药烘干、制药温度的监测。7在农业方面 , 土壤、 植物表面温度的测量, 粮食、种子烘干过程中温度的测量, 农副产品如烟叶、茶叶加工过程中温度的监测, 中草药烘干、制药温度的监测。8在科学研究方面, 由于红外测温仪的突出优点, 使得在特殊试验条件要求一能提供测温手段 , 应用范围较广。总之，其应用范围很广，在就不一一列举，由此可见红外测温仪的用途很大，对工

14、业，农业的发展有着重要的作用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 温度测量仪表 3 . 0 . 1 温度计安装一般采用法兰连接或螺纹连接。对下列情况应采用法兰连接: 1 管道和设备中介质工作压力大于5 . O MP a o 2 管道和设备中介质工作温度大于3 7 0 C , 3 测量结焦、颗粒、粉状或胶粘介质; 4 合金或衬里的管道和设备: 5 测量苯酚、苛性碱、无机酸或其它腐蚀介质; 6 测量有毒介质 : 7 加热

15、炉 . 3 . 0 . 2 温度测量元件安装应符合以下规定: 1 测量点应设在能灵敏、准确地反映介质温度的位置，不应位于介质不流动的死角处。 2 在直管段上安装时，可垂直或倾余协5 - 插入管道内，在弯头处或倾余林5 安装时，应与介质逆向。 3 温度计的感温体应全部伸入管道内。温度计的插入深度 ( ( L ) 按下式计算 : L =L , + 6 +U ( 3 . 0 . 2 - 1 ) 式中 几 仪表连接头长度( m m): 5 - 管壁厚度 ( mm); U- 浸没长度 ( mm) 。测量液体时 : U L =L 5 +4 0 mm ( 3 . 0 . 2 - 2 ) 测量气体时 : U

16、c = L 5 +2 5 m m ( 3 . 0 . 2 - 3 ) 式中 认 液体的浸没长度 ( m m): 姚一一气体的浸没长度 ( mm); L S 温度计敏感段的长度( m m). 注:热屯 偶的敏感段长度约为 z 。 二，热电胆和双金属温度计约为的画， 压力式温度计的歌感段长度为沮包长度 . 4 对于直径较小的管道，温度计可在弯头处安装，或扩大管径后安装。对热电偶、热电阻和双金属温度计， 管道直径应扩大为8 0 mm 或l 0 0 mm: 压力式温度计的扩管管径根据计算后的浸没长度决定 : 扩大管径部分的长度为2 5 0- 3 0 0 mma 5 测炉膛温度的热电偶保护管末端超过炉管

17、的长度应为5 0 - 1 0 0 m m:水平安装的热电偶插入炉内的悬臂长度不宜超过6 0 0 mm; 安装在回弯头箱内的热电偶的接线盒应在回弯头箱的隔热层外面。 6 炉管测温用表面热电偶的安装应符合以下要求: a 热电偶与炉膛之间应采用法兰或螺纹连接; b 热电偶的长度应充分考虑炉管的受热膨胀因素; c 热电偶的刀刃状端部应紧密焊接固定于炉管上，刀刃长度不少于5 0 mm, 靠近刀刃处应用适当的金属卡子将热电偶焊接固定于炉管上. 7 设备上热电偶或热电阻的安装要求: a 不同标高的热电偶或热电阻宜按同一方位安装; b 设备本体上的热电偶或热电阻宜水平安装，亦可 4 5 “ 安装，但不应与设备内构件碰名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 撞或插入名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -