1、非接觸式溫度測(cè)量的理論和應(yīng)用Walter Glockmann, Capintec Instruments, Inc.對(duì)于小尺寸、不斷運(yùn)動(dòng)或者無(wú)法接近的物體、對(duì)于要求快速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,以及對(duì)于溫度小于1000C (1832F的應(yīng)用,非接觸式溫度測(cè)量是首選技術(shù)。要為具體應(yīng)用選擇最適合的非接觸式溫度測(cè)量設(shè)備,重要的是要了解溫度測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、溫度測(cè)量參數(shù)以及當(dāng)前市售的各種測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)。定義術(shù)語(yǔ)溫度。溫度是物質(zhì)中振動(dòng)的原子和分子具有的動(dòng)能的一種表現(xiàn)形式。動(dòng)能可以通過(guò)各種間接現(xiàn)象來(lái)衡量:例如,體積或壓力的變化、電阻、電磁力、電子表面電荷或者電磁輻射的發(fā)射。最常用的溫標(biāo)是攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo),它們分

2、別把水的凝固點(diǎn)與沸點(diǎn)之間的差值分成100和180。熱力學(xué)溫標(biāo)以絕對(duì)零度或開(kāi)氏0度為起始溫度,在此溫度下,所有原子停止振動(dòng)并且不會(huì)消耗任何動(dòng)能。0 K = 273.15C = 459.67F紅外線輻射。紅外線是電磁波光譜中人眼可見(jiàn)光(藍(lán)色到紅色,0.4 .75 m以外的一部分光譜。紅外線波長(zhǎng)為0.75 m 1000 m,微波波長(zhǎng)(雷達(dá)波是該范圍的起始波長(zhǎng)。由于紅外線輻射主要由熱量產(chǎn)生,因此稱它為熱輻射。對(duì)于輻射測(cè)溫法,只有部分紅外線光譜是重要的。該光譜通常劃分為多個(gè)“大氣窗區(qū)”,可提供穿透空氣中水汽的最大無(wú)損透射:0.7-1.3 µm; 1.4-1.8 µm; 2.0-2.5

3、 µm; 3.2-4.3 µm; 4.8-5.3 µm; 8-14 µm溫度計(jì)。大多數(shù)眾所周知的溫度計(jì)(例如玻璃水銀或玻璃酒精溫度計(jì)、熱電偶或者電阻式溫度計(jì)必須和溫度源直接接觸。它們的可用測(cè)量范圍是100C 1500C。輻射溫度計(jì)。這種非接觸式溫度計(jì)通過(guò)截取并測(cè)量物體發(fā)射的熱輻射來(lái)確定物體的表面溫度。發(fā)射率。該特性確定的是與相同溫度的理想輻射體(黑體發(fā)射的輻射量相比物體發(fā)射出的一部分輻射量。發(fā)射率部分程度上取決于材料類型及材料的表面狀況,其變化范圍從接近零(反射性極強(qiáng)的鏡子到幾乎達(dá)到1(黑體模擬器。發(fā)射率用來(lái)根據(jù)測(cè)量的亮度或光譜輻射強(qiáng)度計(jì)算物體的真實(shí)溫度

4、。由于物體的發(fā)射率也會(huì)隨波長(zhǎng)變化,應(yīng)該為具體應(yīng)用選擇其光譜響應(yīng)與高發(fā)射區(qū)波段相符的輻射溫度計(jì)。發(fā)射率值在多種材料和光譜帶的資料中給出,或者也可以主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定發(fā)射率值。亮度/單色高溫計(jì)。這些設(shè)備測(cè)量并計(jì)算截取的熱輻射的強(qiáng)度或亮度。強(qiáng)度或更加廣泛地說(shuō)光譜輻射在熱輻射光譜的較窄波長(zhǎng)帶內(nèi)測(cè)量。波長(zhǎng)帶的選擇取決于溫度范圍以及待測(cè)量材料的類型。最古老的亮度高溫計(jì)通過(guò)將發(fā)光物體與紅熱的“隱滅式”燈絲比較,在波長(zhǎng)為0.65 m 的可見(jiàn)光(紅色光譜內(nèi)比較光學(xué)亮度。術(shù)語(yǔ)“單色”來(lái)源于用戶看見(jiàn)的單個(gè)紅色窄波長(zhǎng)帶。對(duì)于在紅外線區(qū)測(cè)量溫度比較敏感的儀器也叫做光譜輻射高溫計(jì)或者光譜輻射溫度計(jì)。比值/雙色高溫計(jì)。這種

5、輻射溫度計(jì)以兩種(或多種不連續(xù)的波長(zhǎng)為基礎(chǔ)測(cè)量溫度。不同波長(zhǎng)中亮度的比值對(duì)應(yīng)于可見(jiàn)光譜中的顏色。一直都在廣泛使用兩種明顯不同的可見(jiàn)顏色(通常為紅色和綠色推斷色溫。最近,該術(shù)語(yǔ)拓寬了最初的使用范圍,將紅外線光譜中的波長(zhǎng)包括在內(nèi)。比值測(cè)量法的優(yōu)勢(shì)在于溫度讀數(shù)在很大程度上與發(fā)射率波動(dòng)和/或瞄準(zhǔn)通道遮蔽物無(wú)關(guān)。這項(xiàng)技術(shù)通常用來(lái)測(cè)量白熾溫度(700C,1300F以上的溫度,但也可以測(cè)量最低至200C(400F的低溫。 測(cè)量參數(shù)先進(jìn)的光學(xué)和電子信號(hào)處理模塊大幅擴(kuò)展了非接觸式溫度測(cè)量的精度和性能。對(duì)于過(guò)程控制,可以使用標(biāo)準(zhǔn)化接口,以便提供針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的調(diào)節(jié)后信號(hào)輸出。輻射能量探測(cè)發(fā)射率調(diào)整。溫度讀數(shù)

6、的精度依靠根據(jù)目標(biāo)發(fā)射率恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整儀器。預(yù)設(shè)發(fā)射率值可供在線傳感器使用,用來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)射率恒定不變的目標(biāo)。而測(cè)量發(fā)射率不斷變化的材料時(shí),需要進(jìn)行精確并且可重復(fù)進(jìn)行的發(fā)射率調(diào)整。周圍環(huán)境溫度。目標(biāo)的熱輻射中總是包括目標(biāo)區(qū)域的周圍環(huán)境發(fā)射的雜散輻射以及目標(biāo)表面反射的雜散輻射。在實(shí)踐中,時(shí)常假定環(huán)境溫度與傳感器的溫度相同。如果目標(biāo)處于不同的熱環(huán)境中(例如在加熱爐內(nèi)、在冷卻室中或者在室外露天環(huán)境中,要獲得精確的測(cè)量,調(diào)整必不可少?？蓪z測(cè)目標(biāo)周圍環(huán)境的單獨(dú)傳感器用于自動(dòng)溫度計(jì)算。瞄準(zhǔn)通道遮蔽物。瞄準(zhǔn)通道中的氣體、水蒸汽、灰塵及其它懸浮顆粒物可能會(huì)影響溫度讀數(shù)。利用紅外線區(qū)域中的“大氣窗體”可以顯著減少測(cè)量

7、誤差。由于兩條光通道受到同等程度的衰減,比值高溫計(jì)通常不會(huì)受到瞄準(zhǔn)通道遮蔽物的影響,并且信號(hào)色比保持不變。環(huán)境溫度漂移。由于其設(shè)計(jì)本質(zhì),環(huán)境溫度變化對(duì)輻射溫度計(jì)有著顯著影響。為了確保高測(cè)量精度,需要對(duì)這種溫度漂移進(jìn)行精確的補(bǔ)償。溫度漂移規(guī)定為環(huán)境溫度變化引起的誤差,即誤差/C或誤差/F。光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)器件。反射(鏡子和折射(透鏡光學(xué)器件在非接觸式溫度傳感器中使用,用于分離并且限定來(lái)自被測(cè)量物體的輻射。視場(chǎng)。視場(chǎng)(FOV用立體角(度數(shù)或弧度表示。視場(chǎng)(FOV簡(jiǎn)化了每個(gè)工作距離處最小目標(biāo)尺寸的計(jì)算。一種方便的度量方式是距離目標(biāo)比,例如20:1,表示在測(cè)量距離為20英寸處最小目標(biāo)尺寸為1英寸。目標(biāo)對(duì)焦

8、。非接觸式溫度傳感器中的光學(xué)器件通常是固定焦距型。如果目標(biāo)區(qū)域小于儀器的入口光圈(透鏡直徑,則不需要在較長(zhǎng)測(cè)量距離處對(duì)焦。小目標(biāo)。對(duì)于微小物體,可使用固定焦距式近距離光學(xué)器件,并且要指定最小目標(biāo)尺寸?？梢源_定最小為0.5 mm的目標(biāo)。光纖。在受限空間或惡劣環(huán)境中,通過(guò)光纖可以將鏡頭組件與探測(cè)器和信號(hào)處理電路隔開(kāi)。光纖的可用測(cè)量范圍的起始溫度是400C (750F。最小目標(biāo)區(qū)域如同上面定義的一樣。目標(biāo)掃描。如果直接觀測(cè)有困難或者不合實(shí)際情況,可使用反射面鏡改變測(cè)量傳感器的視角。擺鏡可用來(lái)讓截取的輻射偏轉(zhuǎn)并且掃描目標(biāo)區(qū)域中預(yù)定的溫度曲線。一系列在目標(biāo)上方的預(yù)設(shè)空間段內(nèi)獲取的掃描溫度曲線可以顯示為熱

9、像或者熱相圖。瞄準(zhǔn)目標(biāo)。有多種光學(xué)瞄準(zhǔn)技術(shù)用于非接觸式溫度傳感器:簡(jiǎn)單的準(zhǔn)星-槍膛式槍械瞄準(zhǔn)器一體式或分體式探視器透過(guò)鏡頭瞄準(zhǔn)器一體式或分體式光束標(biāo)識(shí)器信號(hào)處理直接輸出。非接觸式傳感器將截取的熱輻射轉(zhuǎn)換成與目標(biāo)發(fā)射的光譜輻射強(qiáng)度成比例的電信號(hào)。線性化輸出。電子網(wǎng)絡(luò)將熱輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的電流/電壓。采樣和保持。由外部觸發(fā)器選擇的瞬間溫度讀數(shù)將一直保持(凍結(jié),直到為下一個(gè)采樣周期中的新值所取代。最大值或峰值保持。顯示在特定測(cè)量周期內(nèi)最高的溫度讀數(shù)。復(fù)位由外部信號(hào)觸發(fā)。最小值或谷值保持。顯示在特定測(cè)量周期內(nèi)最低的溫度讀數(shù)。復(fù)位由外部信號(hào)觸發(fā)。峰峰值。顯示在特定測(cè)量周期內(nèi)最高溫度讀數(shù)與最低溫

10、度讀數(shù)之間的差值。響應(yīng)速度。要監(jiān)控快速變化的動(dòng)態(tài)溫度過(guò)程,需要較短的響應(yīng)時(shí)間。較長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間集成特定測(cè)量周期內(nèi)所有信號(hào)變化,并提高了溫度分辨率,以便對(duì)變化的值求平均值或者提高測(cè)量精度。自動(dòng)觸發(fā)器(波動(dòng)功能。探測(cè)并顯示最高溫度讀數(shù)。當(dāng)信號(hào)達(dá)到可調(diào)節(jié)閾值時(shí),將自動(dòng)觸發(fā)復(fù)位,但是上一個(gè)峰值將一直顯示直到被下一個(gè)峰值替代。該技術(shù)適合對(duì)間歇性目標(biāo)值進(jìn)行快速的采樣和分析,無(wú)需使用外部觸發(fā)器信號(hào)。報(bào)警。當(dāng)信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度值時(shí),輸出信號(hào)(繼電器激活。一般情況下,提供兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)定值HI/LO。配件水冷護(hù)套。水冷將傳感器的環(huán)境溫度范圍擴(kuò)大到高達(dá)400C (752F或更高。 非接觸式溫度測(cè)量(續(xù)空氣凈化接頭。帶壓縮空氣接頭的透鏡鏡筒和透鏡配件設(shè)計(jì)成可將潔凈的空氣流對(duì)準(zhǔn)整個(gè)透鏡表面。它們可以讓光學(xué)瞄準(zhǔn)通道上始終沒(méi)有蒸汽、煙霧和灰塵。黑體校準(zhǔn)器。在均勻分布的溫度中控制的深空腔可以作為黑體模擬器,用來(lái)校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)。為了適應(yīng)多種儀器,它們提供了1英寸(25 mm的有效光圈,并且針對(duì)其工作溫度范圍進(jìn)行了優(yōu)化:攪動(dòng)型水浴槽:30-100C(86-212F鋁芯:50-400C (122-752F不銹鋼芯:350-1000C(662-1832F 便攜式電池供電現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)器:固定溫度,可在40C 100C (104 212F范圍內(nèi)選擇 選擇在線式還是便攜式?在線