基本介紹
- 中文名：紅外溫度計
- 外文名：Infrared thermometer
- 又名：紅外測溫儀
- 性能指標：溫度範圍、光斑尺寸
- 作用：準確地測定它的表面溫度
名稱,發現,原理,黑體輻射定律,選擇,介紹,測溫範圍,目標尺寸,光學解析度,波長範圍,回響時間,信號處理功能,環境條件,標定,套用,主要技術參數,注意問題,
名稱
紅外溫度計又名紅外測溫儀。
發現
紅外光也叫紅外線，它是一位英國科學家發現的。1800年，赫胥爾在研究太陽光時，讓光通過稜鏡分解為彩色光帶，他用溫度計去測量光帶中不同顏色所含的熱量。試驗中，他偶然發現一個奇怪的現象：放在光帶紅光外的一支溫度計，比室內其他溫度的指示數值高。經過反覆試驗，這個所謂熱量最多的高溫區，總是位於光帶最邊緣處紅光的外面。於是他宣布太陽發出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“熱線”，這種人的肉眼看不見的“熱線”位於紅色光外側，叫做紅外線。(不過，要說明的是，事實上太陽發出的能量以波長580nm的綠光最強。)
紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質。紅外線的波長在0.76～100μm之間，位於無線電波與可見光之間。任何物體，只要它的溫度比零下273.15度高，就無一例外地發射出紅外線。
原理
在自然界中，一切溫度高於絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布 —— 與它的表面溫度有著十分密切的關係。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。
紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上並轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路，並按照儀器內療的算法和目標發射率校正後轉變為被測目標的溫度值。除此之外，還應考慮目標和測溫儀所在的環境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。
黑體輻射定律
黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發射率為1。應該指出，自然界中並不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規律，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，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發點，故稱黑體輻射定律。
物體發射率對輻射測溫的影響：自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除依賴於輻射波長及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類、製備方法、熱過程以及表面狀態和環境條件等因素有關。因此，為使黑體輻射定律適用於所有實際物體，必須引入一個與材料性質及表面狀態有關的比例係數，即發射率。該係數表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小於1的數值之間。根據輻射定律，只要知道了材料的發射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。
影響發射率的主要因素：材料種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。
當用紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段範圍內的紅外輻射量，然後由測溫儀計算出被測目標的溫度。單色測溫儀與波段內的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例。
選擇
介紹
可分為三個方面：
性能指標方面,如溫度範圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、回響時間等;環境和工作條件方面,如環境溫度、視窗、顯示和輸出、保護附屬檔案等;其他選擇方面,如使用方便、維修和校準性能以及價格等,也對測溫儀的選擇產生一定的影響。隨著技術和不斷發展,紅外測溫儀最佳設計和新進展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器,擴大了選擇餘地。
測溫範圍
測溫範圍是測溫儀最重要的一個性能指標。如INFR(紅外時代）、Raytek(雷泰)產品覆蓋範圍為-50℃-+3000℃,但這不能由一種型號的紅外測溫儀來完成。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫範圍。因此,用戶的被測溫度範圍一定要考慮準確、周全,既不要過窄,也不要過寬。根據黑體輻射定律,在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發射率誤差所引起的輻射能量的變化,因此,測溫時應儘量選用短波較好。一般來說，測溫範圍越窄，監控溫度的輸出信號解析度越高，精度可靠性容易解決。測溫範圍過寬，會降低測溫精度。例如，如果被測目標溫度為1000℃，首先確定線上式還是攜帶型，如果是攜帶型。滿足這一溫度的型號很多，如Ti315，Ti213等。
手持式紅外測溫儀
手持式紅外測溫儀目標尺寸
紅外測溫儀根據原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀(輻射比色測溫儀)。對於單色測溫儀,在進行測溫時,被測目標面積應充滿測溫儀視場。建議被測目標尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標尺寸小於視場,背景輻射能量就會進入測溫儀的視聲符支幹擾測溫讀數,造成誤差。相反,如果目標大於測溫儀的視場,測溫儀就不會受到測量區域外面的背景影響。
對於雙色測溫儀,其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。因此當被測目標很小,沒有充滿現場,測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時,都不會對測量結果產生影響。甚至在能量衰減了95%的情況下,仍能保證要求的測溫精度。對於目標細小,又處於運動或振動之中的目標;有時在視場內運動,或可能部分移出視場的目標,在此條件下,使用雙色測溫儀是最佳選擇。如果測溫儀和目標之間不可能直接瞄準,測量通道彎曲、狹小、受阻等情況下,雙色光纖測溫儀是最佳選擇。這是由於其直徑小,有柔性,可以在彎曲、阻擋和摺疊的通道上傳輸光輻射能量,因此可以測量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場的目標。
光學解析度
光學解析度由D與S之比確定,是測溫儀到目標之間的距離D與測量光斑直徑S之比。例如國產的手持式紅外測溫儀Ti213，距離係數為80：1，如果距目標80厘米遠，那么測量範圍的直徑是1厘米。如果測溫儀由於環境條件限制必須安裝在遠離目標之處,而又要測量小的目標,就應選擇高光學解析度的測溫儀。光學解析度越高,即增大D:S比值,測溫儀的成本也越高。
波長範圍
目標材料的發射率和表面特性決定測溫儀的光譜回響或波長。對於高反射率合金材料,有低的或變化的發射率。在高溫區,測量金屬材料的最佳波長是近紅外,可選用0.18-1.0μm波長。其他溫區可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長。由於有些材料在一定波長是透明的,紅外能量會穿透這些材料,對這種材料應選擇特殊的波長。如測量玻璃內部溫度選用10μm、2.2μm和3.9μm(被測玻璃要很厚,否則會透過)波長;測量玻璃內部溫度選用5.0μm波長;測低區區選用8-14μm波長為宜;再如測量聚乙烯塑膠薄膜選用3.43μm波長,聚醋類選用4.3μm或7.9μm波長。厚度超過0.4mm選用8-14μm波長;又如測火焰中的C02用窄帶4.24-4.3μm波長,測火焰中的C0用窄帶4.64μm波長,測量火焰中的N02用4.47μm波長。
回響時間
回響時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度,定義為到達最後讀數的95%能量所需要時間,它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統的時間常數有關。新型紅外測溫儀回響時間可達1ms。這要比接觸式測溫方法,快得多。如果目標的運動速度很快或測量快速加熱的目標時,要選用快速回響紅外測溫儀,否則達不到足夠的信號回響,會降低測量精度。然而,並不是所有套用都要求快速回響的紅外測溫儀。對於靜止的或目標熱過程存在熱慣性時,測溫儀的回響時間就可以放寬要求了。因此,紅外測溫儀回響時間的選擇要和被測目標的情況相適應。
信號處理功能
鑒於離散過程（如零件生產）和連續過程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如測溫傳送帶上的瓶子時，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內。否則測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設定測溫儀回響時間稍長於瓶子之間的時間間隔，這樣至少有一個瓶子總是處於測量之中。
環境條件
溫儀所處的環境條件對測量結果有很大影響，應予考慮並適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。當環境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、空氣吹掃器等附屬檔案。
這些附屬檔案可有效地解決環境影響並保護測溫儀，實現準確測溫。在確定附屬檔案時，應儘可能要求標準化服務，以降低安裝成本。當在噪聲、電磁場、震動或難以接近環境條件下，或其他惡劣條件下，煙霧、灰塵或其他顆粒降低測量能量信信號時，光纖雙色測溫儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場、震動和難以接近的環境條件下，或其他惡劣條件時，宜選擇光纖比色測溫儀。
在密封的或危險的材料套用中（如容器或真空箱），測溫儀通過視窗進行觀測。材料必須有足夠的強度並能通過所用測溫儀的工作波長範圍。還要確定操作工是否也需要通過視窗進行觀察，因此要選擇合適的安裝位置和視窗材料，避免相互影響。在低溫測量套用中，通常用Ge或Si材料作為視窗，不透可見光，人眼不能通過視窗觀察目標。如操作員需要通過視窗目標，應採用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如應採用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如ZnSe或BaF2等作為視窗材料。
在環境條件惡劣複雜的情況下，可以選擇測溫頭和顯示器分開的系統，以便於安裝和配置。可選擇與現行控制設備相匹配的信號輸出形式。
標定
套用
紅外測溫技術在生產過程中，在產品質量控制和監測，設備線上故障診斷和安全保護以及節約能源等方面發揮了著重要作用。近20年來，非接觸紅外測溫儀在技術上得到迅速發展，性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用範圍也不斷擴大，市場占有率逐年增長。國產的品牌主要有INFR(紅外時代），光盛等，進口的有雷泰，歐普士等，國產的優勢在與性價比高，相對進口的價格低，售後方便快捷。比起接觸式測溫方法，紅外測溫有著回響時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優點。非接觸紅外測溫儀包括攜帶型、線上式和掃描式三大系列，並備有各種選件和計算機軟體，每一系列中又有各種型號及規格。在不同規格的各種型號測溫儀中，正確選擇紅外測溫儀型號對用戶來說是十分重要的。
非接觸紅外測溫儀和傳統的接觸類測溫儀有何不同.
非接觸紅外測溫儀 | 接觸類測溫儀 |
1.非接觸測溫對物體無影響 | 1．接觸測溫對被測物溫度場有影響 |
2.檢測物體表面溫度 | 2．不適合測瞬態溫度 |
3.反應速度快,可測運動中的物體和瞬態溫度 | 3．不便於測運動中的物體 |
4.測量範圍寬 | 4．測量範圍不夠寬，且耗材 |
5.測量精度高,解析度小 | 5．不適合測量有毒、高壓等危險場合 |
6.可對小面積測溫 | 使用 |
7.可同時對點,線,面測溫 | |
8.可測絕對溫度,也可測相對溫度 |
主要技術參數
型號 | TI213 |
測量範圍 | -25℃ --1200℃ |
測量精度 | 讀數值的±1%或±1℃ |
重複精度 | ±0.5%或±0.5℃ |
80：1 | |
1℃或1℉ | |
顯示方式 | 4位LCD |
功能 | 最大值/最小值/平均值/溫差值, 顯示保持,欠壓指示, 上下限報警 |
0.1—1.00 | |
回響時間 | 小於200ms/ |
瞄準方式 | 同軸雷射瞄準 |
工作波段 | 8—14μm |
環境等級 | Ip65 |
環境溫度 | -10℃-- +60℃ |
相對濕度 | 10% RH -90%RH 不冷凝 |
電源 | |
儀器體積 | 185×170×50 |
儀器重量 | 500g |
注意問題
紅外測溫儀使用時應注意的問題：
1、只測量表面溫度，紅外測溫儀不能測量內部溫度。
2、不能透過玻璃進行測溫，玻璃有很特殊的反射和透過特性，不允許精確紅外溫度讀數。但可通過紅外視窗測溫。紅外測溫儀最好
不用於光亮的或拋光的金屬表面的測溫（不鏽鋼、鋁等）。
3、定位熱點，要發現熱點，儀器瞄準目標，然後在目標上作上下掃描運動,直至確定熱點。
4、注意環境條件：蒸汽、塵土、煙霧等。它阻擋儀器的光學系統而影響精確測溫。
5、環境溫度，如果測溫儀突然暴露在環境溫差為20℃或更高的情況下，允許儀器在20分鐘內調節到新的環境溫度。
