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紅外高溫計(jì)的測(cè)量原理、標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用實(shí)例 |
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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(cè)量最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(cè)物輻射的紅外線所進(jìn)行溫度測(cè)量的測(cè)試儀器，按照德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN16160被稱為輻射溫度計(jì)，輻射高溫計(jì)或紅外測(cè)溫儀。這些名稱也適用于那些由被測(cè)體輻射的可見彩色射線所進(jìn)行溫度測(cè)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(cè)溫儀溫度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)
通過接收被測(cè)體輻射的紅外線而進(jìn)行的非接觸溫度測(cè)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(cè)量，如傳熱性能差的或很小的熱容量材料。紅外高溫計(jì)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。高溫計(jì)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(cè)物體，如用接觸測(cè)量，由于物體的導(dǎo)熱性將產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。這里可毫無疑問的使用高溫計(jì)，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(cè)量，可遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，使操作人員無危險(xiǎn)性。
二、紅外高溫計(jì)的原理構(gòu)造
把從被測(cè)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(cè)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)。
原理上有便攜式高溫計(jì)和固定式高溫計(jì)兩種，因此，在選擇合適的紅外高溫計(jì)用于不同的測(cè)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，高溫計(jì)所指的測(cè)量塊或測(cè)量點(diǎn)可以看見，大面積的被測(cè)物可以經(jīng)常不要瞄準(zhǔn)器。在小的被測(cè)物和較遠(yuǎn)的測(cè)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
透鏡確定高溫計(jì)的被測(cè)點(diǎn)，對(duì)大面積的物體來說，一般帶有固定焦距的高溫計(jì)足夠可以。但在測(cè)量距離遠(yuǎn)離聚焦點(diǎn)時(shí)，測(cè)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)，高溫計(jì)可調(diào)整測(cè)量距離，最新的高溫計(jì)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，因此高溫計(jì)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(cè)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(cè)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(cè)量金屬的溫度，一般選擇最短的測(cè)量波長。
三、發(fā)展趨向
如許多的傳感技術(shù)領(lǐng)域，高溫計(jì)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最理想地安裝于機(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精確度。
市場(chǎng)供應(yīng)需要快速的，價(jià)廉的測(cè)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(cè)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)器高溫計(jì)的最新發(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(cè)量位置用同一基礎(chǔ)儀器，節(jié)約了倉庫管理費(fèi)用。
四、選擇高溫計(jì)的主要標(biāo)準(zhǔn)
高溫計(jì)的運(yùn)用主要由測(cè)量范圍所決定，不論是測(cè)量電壓，還是測(cè)量區(qū)域的始值，都應(yīng)與測(cè)量工作的要求相符，選擇愈大的測(cè)量電壓，分辨率就俞小，因而準(zhǔn)確性就差，特別在低測(cè)量溫度始值時(shí)，選用大的測(cè)量電壓，準(zhǔn)確性將成倍的減小，因而值得推薦的是，選擇可能的最小測(cè)量電壓。
測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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高溫計(jì)。盡管它的高測(cè)溫值從250～1300℃
另一個(gè)選擇合適高溫計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是間距比例。這里指的是測(cè)量距離和測(cè)量點(diǎn)直徑的比例關(guān)系，如果被測(cè)物小，測(cè)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(cè)量點(diǎn)，由于傳感器對(duì)測(cè)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，高溫計(jì)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(cè)量物體時(shí)，通�？梢圆灰M裝進(jìn)瞄準(zhǔn)器，代之的是一個(gè)外接的瞄準(zhǔn)器，它將用于高溫計(jì)在安裝時(shí)的矯正，這樣就有價(jià)格上優(yōu)勢(shì)，眾多的測(cè)量處只需一個(gè)瞄準(zhǔn)器。
對(duì)小的測(cè)量物體或者遠(yuǎn)離的測(cè)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(cè)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(cè)量，在測(cè)量閉式爐等相似類時(shí)，需要一個(gè)透視窗。
由此需要決定，高溫計(jì)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，為了高溫計(jì)的相適于測(cè)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，高溫計(jì)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。
最后是高溫計(jì)型號(hào)，是光譜高溫計(jì)，還是比率（雙色）高溫計(jì)，光譜高溫計(jì)接收一個(gè)波長的輻射密度，與此不同的是比率高溫計(jì)帶雙重傳感器二個(gè)單一的傳感器，它將測(cè)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，灰塵在高溫計(jì)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)。但單色光譜高溫計(jì)將馬上顯示此變動(dòng)，故此率高溫計(jì)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(chǎng)合。
五、運(yùn)用舉例
不同高溫計(jì)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。而高溫計(jì)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(cè)量鏡頭，為了防護(hù)高溫計(jì)，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絕對(duì)溫度，否則塑料涂層將損傷。
為了測(cè)量溫度，可以每一機(jī)架裝備三個(gè)固定式高溫計(jì)，也可用一高溫計(jì)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)防水的高溫計(jì)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，必需把溫度控制在最小值內(nèi)，至今以來都是用溫度計(jì)測(cè)量溫度，它得到的是室溫，對(duì)此高溫計(jì)就有優(yōu)勢(shì)，它能直接測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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，而高溫計(jì)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。高溫計(jì)即可在側(cè)邊，或在頂上安裝，避免傾斜的對(duì)準(zhǔn)，以免高溫計(jì)只被抓信邊緣，軸向間隙噴嘴應(yīng)避免放在高溫計(jì)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。
我公司所代理的德國凱樂（KELLER HCW）公司是德國一家具有百年歷史的傳統(tǒng)企業(yè)和通過ISO9001認(rèn)證企業(yè)，其產(chǎn)品的高精度和可靠性在紅外溫度計(jì)量儀器生產(chǎn)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品為許多國際著名企業(yè)（如西門子公司）所使用。該公司所生產(chǎn)的紅外溫度測(cè)量儀具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1． 非接觸，安全：可測(cè)帶電、旋轉(zhuǎn)、腐蝕性強(qiáng)的物體
2． 體積小，特別是PM系列
3． 精度高，性能穩(wěn)定
4． 壽命長
5． 測(cè)量范圍廣 -30─3500℃（分段）
6． 抗干擾能力強(qiáng)
7． 種類多，選擇范圍廣：根據(jù)測(cè)量溫度范圍、距離系數(shù)、波長的不同可有多種選擇
8． 配件齊全：包括各種防護(hù)配件，接口，顯示儀表
9． 響應(yīng)時(shí)間短：最快2ms
10． 一次性投入，不象熱電偶測(cè)溫需要長期的耗材投入
11． KELLER公司歷史悠久，生產(chǎn)的測(cè)溫儀在同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位，被世界上許多大公司所使用，例如SIEMENS公司。
該儀器應(yīng)用廣泛，適用于食品、造紙、紡織工業(yè)、油漆、混凝土、瀝青攪拌、隧道窯、淬火及退火爐、發(fā)電廠、燃燒設(shè)備以及金屬加工等民用和工業(yè)領(lǐng)域。
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