紅外測溫儀的測量原理標準和運用實例
用紅外測溫儀進行非接觸溫度測量有許多的優(yōu)點，它的運用范圍從很小或難以接觸到的物體至腐蝕性的化學(xué)物和敏感的表面物。本文將討論此優(yōu)點，給予正確選擇紅外測溫儀的決定性等加以說明運用范疇。由于原子和分子的運動，每一物體都會輻射電磁波，對非接觸溫度測量zui重要的波長或光譜范圍是在0.2至2.0μm。這一范圍內(nèi)的自然射線，人們稱作為熱輻射或紅外線。    
    由被測物輻射的紅外線所進行溫度測量的測試儀器，按照德國工業(yè)標準DIN16160被稱為輻射溫度計，輻射測溫儀或紅外測溫儀。這些名稱也適用于那些由被測體輻射的可見彩色射線所進行溫度測量的儀器，及由相對頻譜的輻射密度導(dǎo)出溫度的儀器。    
一、紅外測溫儀溫度測量的優(yōu)點    
    通過接收被測體輻射的紅外線而進行的非接觸溫度測量有很多的優(yōu)點。這樣那些難以接觸到或運動著的物體就可毫無問題的進行溫度測量，如傳熱性能差的或很小的熱容量材料。紅外測溫儀很短的響應(yīng)時間能快速地實現(xiàn)有效調(diào)節(jié)回路。測溫儀不擁有會磨損的部件，因而就不存在如使用溫度計所存在的連續(xù)費用。特別是在很小的被測物體，如用接觸測量，由于物體的導(dǎo)熱性將產(chǎn)生很大的測量誤差。這里可毫無疑問的使用測溫儀，及用于腐蝕性的化學(xué)物或敏感的表層，如在油漆，紙張和塑料軌上。通過遠距離的搖控測量，可遠離危險區(qū)域，使操作人員無危險性。   
二、紅外測溫儀的原理構(gòu)造    
    把從被測物接收的紅外線，由透鏡經(jīng)過濾波器聚焦在檢波器上。檢波器通過被測物輻射密度的積分，產(chǎn)生一個與溫度成比例的電流或電壓信號，在此后相連接的電器部件中，把此溫度信號線性化，發(fā)射率區(qū)域的修正，及轉(zhuǎn)換成一個標準的輸出信號。
    原理上有便攜式測溫儀和固定式測溫儀兩種，因此，在選擇合適的紅外測溫儀用于不同的測量點時，以下的特征將是主要的：
   1、瞄準器 
   瞄準器有此作用，測溫儀所指的測量塊或測量點可以看見，大面積的被測物可以經(jīng)常不要瞄準器。在小的被測物和較遠的測量距離時，瞄準器以透光鏡形式帶有儀表板刻度或激光指向點是值得推薦的。
   2、透鏡
    透鏡確定測溫儀的被測點，對大面積的物體來說，一般帶有固定焦距的測溫儀足夠可以。但在測量距離遠離聚焦點時，測量點邊緣的圖像將不清楚。為此，采用變焦鏡更好，在所給予的變焦范圍內(nèi)，測溫儀可調(diào)整測量距離，的測溫儀帶有變焦的可替換鏡頭，近透鏡和遠透鏡可不需校準復(fù)檢進行更換。
   3、傳感器，即光譜接收器
    溫度是與波長成反比的。在低物體溫度時，對長波光譜區(qū)域敏感的傳感器(熱膜傳感器或熱電傳感器)是很合適的，在高溫度時，將用對短波敏感受的，由鍺，硅，銦-鎵等組成的光電傳感器。    在選擇光譜敏感性時，還要考慮對氫氣和二氧化碳的吸收光譜帶。在一定的波長范圍內(nèi)，即所謂的“大氣層窗"，H2和CO2對紅外線幾乎是穿透的，因此測溫儀的光變敏感性必須在此范圍內(nèi)，以便排除大氣層濃度變化帶來的影響，在測量薄膜或玻璃時，還要考慮到這些材料在一定波長內(nèi)不易穿透的。為了避免背景光線引起的測量誤差，運用相宜的，只接收表面溫度的傳感器，金屬有此物理特性，發(fā)射率隨著波長的減小而增大，經(jīng)驗而談，測量金屬的溫度，一般選擇zui短的測量波長。
三、發(fā)展趨向
    如許多的傳感技術(shù)領(lǐng)域，測溫儀的發(fā)展趨向也走向小型的，精巧的造型，圓型的，帶有中央螺紋的外殼是地安裝于機器和設(shè)備的造型，這一發(fā)展趨向的實現(xiàn)，是通過不斷的電器部件微型化，及高度的微積分使得愈來愈小的，愈來愈精致的電器部件濃縮于愈來愈小的空間。與過去模擬技術(shù)相比，通過微控件的應(yīng)用，提高了檢波器信號線性化高度的精密性，因而也提高了儀器的度。   市場供應(yīng)需要快速的，價廉的測量值接收，它能直接輸出一個與溫度成比例的，線性的電流/電壓信號，測量值得處理，如平整功能，特殊值儲存，或邊界接觸將放置在智能顯示器，調(diào)節(jié)器或SPS(程序控制器)上，通過電纜外接的發(fā)射率調(diào)整，可以危險區(qū)外，即便機器開動著，也可修正，這時也可由SPS來調(diào)整。通過身控件的運用，現(xiàn)在可毫無問題地實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線接口，但網(wǎng)絡(luò)連接至今還未實現(xiàn)，對信號的繼續(xù)處理，還延用過去的標準模擬信號。在檢波器段，用了新的材料作光電傳感器，證實了敏感性的提高，乃至分辨率的提高。在熱膜傳感器中，新的傳感器只需要更短的調(diào)整時間，帶瞄準器測溫儀的發(fā)展，是變焦的更換鏡頭，不用校準復(fù)檢即可替換，對不同的測量位置用同一基礎(chǔ)儀器，節(jié)約了倉庫管理費用。
    四、選擇測溫儀的主要標準
    測溫儀的運用主要由測量范圍所決定，不論是測量電壓，還是測量區(qū)域的始值，都應(yīng)與測量工作的要求相符，選擇愈大的測量電壓，分辨率就俞小，因而準確性就差，特別在低測量溫度始值時，選用大的測量電壓，準確性將成倍的減小，因而值得推薦的是，選擇可能的zui小測量電壓。
    測量區(qū)域的始值時決定了光譜的敏感性，以至也決定了檢波器的型號，測量的誤差由于發(fā)射率的錯誤調(diào)整，在短波的傳感器要明顯地比長波傳感器小，所以在熱膜傳感器(8～14μm)800℃時，由于發(fā)射率的錯誤調(diào)整所引起的測量誤差，將五倍的大于鍺-光電二級管的傳感器(1,1～1,6μm)。鍺-光電二級管的傳感器容許的測量范圍從大約250℃起。
舉例說明，在陶瓷工業(yè)或發(fā)電廠的燃燒過程，測量范圍通常在0～1300℃。為了避免大的誤差產(chǎn)生，應(yīng)該選用短波檢波器的測溫儀。盡管它的高測溫值從250～1300℃
    另一個選擇合適測溫儀的標準是間距比例。這里指的是測量距離和測量點直徑的比例關(guān)系，如果被測物小，測量距離大，或所謂的“熱點"在大面積上，那就需要大的間距比例。相反如果大面積的測量點，由于傳感器對測量點的是間值有一個穩(wěn)定的輸出信號，固選用小的間距比例。    另外要確定的是，測溫儀是否帶瞄準器裝置，因為瞄準器裝置將提高50%的成本，這里關(guān)鍵是一個價錢的部下，在大面積的測量物體時，通常可以不要組裝進瞄準器，代之的是一個外接的瞄準器，它將用于測溫儀在安裝時的矯正，這樣就有價格上優(yōu)勢，眾多的測量處只需一個瞄準器。
    對小的測量物體或者遠離的測量距離就需隨時能瞄準的可能。在一個帶儀表板刻度的透光鏡，人們可看清測量點的實際大小，價格便宜的是用激光指向點，但它只能逐點進行測量，在測量閉式爐等相似類時，需要一個透視窗。由此需要決定，測溫儀是否需要，及南非要哪些功能?如平整功能，特殊值儲存，邊界接觸或電腦接口，為了測溫儀的相適于測量物表面，發(fā)射率調(diào)整的可能有性是必須的，其他的功能可以價廉地通過連接記錄儀，調(diào)節(jié)器或程控機來實現(xiàn)。此外，對某些運用來說，外型結(jié)構(gòu)也是決定因素，在較高的環(huán)境溫度下，測溫儀以鏡頭只帶光學(xué)部分，由光導(dǎo)電纜連接電器部分，放置于遠離高溫地帶，優(yōu)點在于，可以節(jié)約冷卻裝置。
    zui后是測溫儀型號，是光譜測溫儀，還是比率(雙色)測溫儀，光譜測溫儀接收一個波長的輻射密度，與此不同的是比率測溫儀帶雙重傳感器二個單一的傳感器，它將測量二個不同波長的輻射密度，這二個檢波器信號的比便再現(xiàn)溫度的比例關(guān)系，由于中間介質(zhì)如蒸汽，灰塵在測溫儀的輻射內(nèi)，或發(fā)射率的變動，至一定的范圍內(nèi)，這二條線路不顯示信號變動。但單色光譜測溫儀將馬上顯示此變動，故此率測溫儀優(yōu)先用行管式轉(zhuǎn)爐或在金屬制造和加工業(yè)中，輻射干擾較嚴重的場合。
 五、運用舉例 
    不同測溫儀的運用可能性是極其廣泛的，近幾年內(nèi)的價格大幅度下降開辟了愈來愈多的運用領(lǐng)域，特別在低溫區(qū)域或用于替換一般的傳統(tǒng)溫度計，下面的實例是關(guān)于使用及解答案的概況。
   1、混凝土加工業(yè)
    在混凝土加工時，溫度是對凝結(jié)時間和由此而定的堅固性起關(guān)鍵作用，特別是安全混凝土，得達到一定的加工溫度，接觸探針將機械地由于水泥的腐蝕作用而很快損壞。而測溫儀即可直接接受攪拌滾筒的溫度，也可是混凝土出口時的溫度，因為ISO9000的質(zhì)量檢驗的需要，溫度必須與其它的生產(chǎn)參數(shù)一起以文件形式被記錄下來，上于臟亂的工業(yè)環(huán)境，需要十分堅固的，如防塵，防水的測量鏡頭，為了防護測溫儀，采用相宜的附件如軸向間隙噴嘴，光鏡保護蓋及絕緣管。
   2、造紙業(yè)
    在造紙業(yè)精制中，紙軌將在一個加熱的金屬軋輥和涂有塑料層的精壓軋輥之間運行，如果紙的寬度小于軋輥寬時，精壓軋輥的邊緣的溫度將大大高于中間的，這中間和邊緣的溫度之差不能超出已定的溫度，否則塑料涂層將損傷。
   為了測量溫度，可以每一機架裝備三個固定式測溫儀，也可用一測溫儀在瞄準器裝置上沿著軋輥長度移動，由于局部的強烈蒸汽需要一個防水的測溫儀及帶軸向間隙噴嘴，用于視窗的自由吹氣，因為溫度的處理需要SPS機，所以一般的儀器帶有發(fā)射率的修正就可。
   3、陶瓷工業(yè)
    為了陶瓷材料的生產(chǎn)，在燃燒過程中需要知道溫度的變化過程，以便達到同樣質(zhì)量的產(chǎn)品，避廢品產(chǎn)生，同時為了節(jié)約能源，必需把溫度控制在zui小值內(nèi)，至今以來都是用溫度計測量溫度，它得到的是室溫，對此測溫儀就有優(yōu)勢，它能直接測量物體表面的溫度，而且是在很短的時間內(nèi)，這樣就能準確地測量并保持燃燒溫度。
   4、冶金工業(yè)
    在冶金工業(yè)行業(yè)中，紅外溫度測量更是應(yīng)用于各個領(lǐng)域。例如各種爐體的內(nèi)壁缺陷診斷、冷卻壁損壞的診斷、工藝參數(shù)的控制等等。通過紅外溫度測量可以準確地監(jiān)控設(shè)備的狀況，提高設(shè)備使用壽命，節(jié)約能源，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量
    由此可知，傳統(tǒng)的溫度計將是淘汰的時代產(chǎn)品，它將隨時間而消失或損壞，以致需要不斷的更換，而測溫儀不具有磨損件，因而理論上，它的使用壽命是無限的，因此它的較貴些的投資成本在短期內(nèi)即可贏回。測溫儀即可在側(cè)邊，或在頂上安裝，避免傾斜的對準，以免測溫儀只被抓信邊緣，軸向間隙噴嘴應(yīng)避免放在測溫儀的鏡頭上，在較高環(huán)境溫度時，需要一個附加的冷卻裝置。          紅外探測原理:
   利用在自然界，任何高于溫度（- 273度）時物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體，其釋放的紅外能量的波長是不一樣的。全稱是被動式熱釋電紅外探測器。
   在被動紅外探測器中有兩個關(guān)鍵性的元件，一個是熱釋電紅外傳感器(PIR)，它能將波長為8一12um之間的紅外信號變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并能對自然界中的白光信號具有抑制作用，因此在被動紅外探測器的警戒區(qū)內(nèi)，當無人體移動時，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當人體進人警戒區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號，因此，紅外探測器的紅外探測的基本概念就是感應(yīng)移動物體與背景物體的溫度的差異。
   另外一個器件就是菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡有兩種形式，即折射式和反射式。菲涅爾透鏡作用有兩個:一是聚焦作用，即將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入警戒區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號，這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號。
   人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10微米左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10微米左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10微米左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。