紅外測溫儀的測量原理標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用實(shí)例
用紅外測溫儀進(jìn)行非接觸溫度測量有許多的優(yōu)點(diǎn)，它的運(yùn)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(diǎn)，給予正確選擇紅外測溫儀的決定性等加以說明運(yùn)用范疇。由于原子和分子的運(yùn)動(dòng)，每一物體都會(huì)輻射電磁波，對(duì)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(jìn)行溫度測量的測試儀器，按照德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN16160被稱為輻射溫度計(jì)，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(jìn)行溫度測量的儀器，及由相對(duì)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(diǎn)    
    通過接收被測體輻射的紅外線而進(jìn)行的非接觸溫度測量有很多的優(yōu)點(diǎn)。這樣那些難以接觸到或運(yùn)動(dòng)著的物體就可毫無問題的進(jìn)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(shí)間能快速地實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)回路。測溫儀不擁有會(huì)磨損的部件，因而就不存在如使用溫度計(jì)所存在的連續(xù)費(fèi)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(yuǎn)距離的搖控測量，可遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，使操作人員無危險(xiǎn)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(gè)與溫度成比例的電流或電壓信號(hào)，在此后相連接的電器部件中，把此溫度信號(hào)線性化，發(fā)射率區(qū)域的修正，及轉(zhuǎn)換成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)。
    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(diǎn)時(shí)，以下的特征將是主要的：
   1、瞄準(zhǔn)器 
   瞄準(zhǔn)器有此作用，測溫儀所指的測量塊或測量點(diǎn)可以看見，大面積的被測物可以經(jīng)常不要瞄準(zhǔn)器。在小的被測物和較遠(yuǎn)的測量距離時(shí)，瞄準(zhǔn)器以透光鏡形式帶有儀表板刻度或激光指向點(diǎn)是值得推薦的。
   2、透鏡
    透鏡確定測溫儀的被測點(diǎn)，對(duì)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(yuǎn)離聚焦點(diǎn)時(shí)，測量點(diǎn)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(yuǎn)透鏡可不需校準(zhǔn)復(fù)檢進(jìn)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(shí)，對(duì)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(shí)，將用對(duì)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(shí)，還要考慮對(duì)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(duì)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(shí)，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(yùn)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(yàn)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(jī)器和設(shè)備的造型，這一發(fā)展趨向的實(shí)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(hào)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(jià)廉的測量值接收，它能直接輸出一個(gè)與溫度成比例的，線性的電流/電壓信號(hào)，測量值得處理，如平整功能，特殊值儲(chǔ)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(xiǎn)區(qū)外，即便機(jī)器開動(dòng)著，也可修正，這時(shí)也可由SPS來調(diào)整。通過身控件的運(yùn)用，現(xiàn)在可毫無問題地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線接口，但網(wǎng)絡(luò)連接至今還未實(shí)現(xiàn)，對(duì)信號(hào)的繼續(xù)處理，還延用過去的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。在檢波器段，用了新的材料作光電傳感器，證實(shí)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(shí)間，帶瞄準(zhǔn)器測溫儀的發(fā)展，是變焦的更換鏡頭，不用校準(zhǔn)復(fù)檢即可替換，對(duì)不同的測量位置用同一基礎(chǔ)儀器，節(jié)約了倉庫管理費(fèi)用。
    四、選擇測溫儀的主要標(biāo)準(zhǔn)
    測溫儀的運(yùn)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(zhǔn)確性就差，特別在低測量溫度始值時(shí)，選用大的測量電壓，準(zhǔn)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(shí)決定了光譜的敏感性，以至也決定了檢波器的型號(hào)，測量的誤差由于發(fā)射率的錯(cuò)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(shí)，由于發(fā)射率的錯(cuò)誤調(diào)整所引起的測量誤差，將五倍的大于鍺-光電二級(jí)管的傳感器(1,1～1,6μm)。鍺-光電二級(jí)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(gè)選擇合適測溫儀的標(biāo)準(zhǔn)是間距比例。這里指的是測量距離和測量點(diǎn)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(diǎn)"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(diǎn)，由于傳感器對(duì)測量點(diǎn)的是間值有一個(gè)穩(wěn)定的輸出信號(hào)，固選用小的間距比例。    另外要確定的是，測溫儀是否帶瞄準(zhǔn)器裝置，因?yàn)槊闇?zhǔn)器裝置將提高50%的成本，這里關(guān)鍵是一個(gè)價(jià)錢的部下，在大面積的測量物體時(shí)，通常可以不要組裝進(jìn)瞄準(zhǔn)器，代之的是一個(gè)外接的瞄準(zhǔn)器，它將用于測溫儀在安裝時(shí)的矯正，這樣就有價(jià)格上優(yōu)勢，眾多的測量處只需一個(gè)瞄準(zhǔn)器。
    對(duì)小的測量物體或者遠(yuǎn)離的測量距離就需隨時(shí)能瞄準(zhǔn)的可能。在一個(gè)帶儀表板刻度的透光鏡，人們可看清測量點(diǎn)的實(shí)際大小，價(jià)格便宜的是用激光指向點(diǎn)，但它只能逐點(diǎn)進(jìn)行測量，在測量閉式爐等相似類時(shí)，需要一個(gè)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(chǔ)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(jià)廉地通過連接記錄儀，調(diào)節(jié)器或程控機(jī)來實(shí)現(xiàn)。此外，對(duì)某些運(yùn)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(yuǎn)離高溫地帶，優(yōu)點(diǎn)在于，可以節(jié)約冷卻裝置。
    zui后是測溫儀型號(hào)，是光譜測溫儀，還是比率(雙色)測溫儀，光譜測溫儀接收一個(gè)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(gè)單一的傳感器，它將測量二個(gè)不同波長的輻射密度，這二個(gè)檢波器信號(hào)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(dòng)，至一定的范圍內(nèi)，這二條線路不顯示信號(hào)變動(dòng)。但單色光譜測溫儀將馬上顯示此變動(dòng)，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(yán)重的場合。
 五、運(yùn)用舉例 
    不同測溫儀的運(yùn)用可能性是極其廣泛的，近幾年內(nèi)的價(jià)格大幅度下降開辟了愈來愈多的運(yùn)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(jì)，下面的實(shí)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(shí)，溫度是對(duì)凝結(jié)時(shí)間和由此而定的堅(jiān)固性起關(guān)鍵作用，特別是安全混凝土，得達(dá)到一定的加工溫度，接觸探針將機(jī)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(shí)的溫度，因?yàn)镮SO9000的質(zhì)量檢驗(yàn)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(jiān)固的，如防塵，防水的測量鏡頭，為了防護(hù)測溫儀，采用相宜的附件如軸向間隙噴嘴，光鏡保護(hù)蓋及絕緣管。
   2、造紙業(yè)
    在造紙業(yè)精制中，紙軌將在一個(gè)加熱的金屬軋輥和涂有塑料層的精壓軋輥之間運(yùn)行，如果紙的寬度小于軋輥寬時(shí)，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(jī)架裝備三個(gè)固定式測溫儀，也可用一測溫儀在瞄準(zhǔn)器裝置上沿著軋輥長度移動(dòng)，由于局部的強(qiáng)烈蒸汽需要一個(gè)防水的測溫儀及帶軸向間隙噴嘴，用于視窗的自由吹氣，因?yàn)闇囟鹊奶幚硇枰猄PS機(jī)，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(dá)到同樣質(zhì)量的產(chǎn)品，避廢品產(chǎn)生，同時(shí)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(jì)測量溫度，它得到的是室溫，對(duì)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(shí)間內(nèi)，這樣就能準(zhǔn)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(gè)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(zhǔn)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(jì)將是淘汰的時(shí)代產(chǎn)品，它將隨時(shí)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(duì)準(zhǔn)，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(shí)，需要一個(gè)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(shí)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(dòng)式熱釋電紅外探測器。
   在被動(dòng)紅外探測器中有兩個(gè)關(guān)鍵性的元件，一個(gè)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(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并能對(duì)自然界中的白光信號(hào)具有抑制作用，因此在被動(dòng)紅外探測器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)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(hào)，因此，紅外探測器的紅外探測的基本概念就是感應(yīng)移動(dòng)物體與背景物體的溫度的差異。
   另外一個(gè)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(gè):一是聚焦作用，即將熱釋的紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，第二個(gè)作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)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(hào)，這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號(hào)。
   人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)發(fā)出特定波長10微米左右的紅外線，被動(dòng)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(jìn)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(qiáng)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(shí)就會(huì)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(bào)警信號(hào)。