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      紅外高溫計的測量原理、標準和運用實例

      來源: 2009-12-27 訪問:
      (摘要)用紅外高溫計進行非接觸溫度測量有許多的優點,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物和敏感的表面物。本文將討論此優點,給予正確選擇紅外高溫計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,對非接觸溫度測量最重要的波長或光譜范圍是在0.2至2.0µm。這一范圍內的自然射線,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,按照德國工業標準din16160被稱為輻射溫度計,輻射高溫計或紅外測溫儀。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出溫度的儀器。
      一、紅外測溫儀溫度測量的優點
      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。紅外高溫計很短的響應時間能快速地實現有效調節回路。高溫計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,由于物體的導熱性將產生很大的測量誤差。這里可毫無疑問的使用高溫計,及用于腐蝕性的化學物或敏感的表層,如在油漆,紙張和塑料軌上。通過遠距離的搖控測量,可遠離危險區域,使操作人員無危險性。
      二、紅外高溫計的原理構造
      把從被測物接收的紅外線,由透鏡經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,發射率區域的修正,及轉換成一個標準的輸出信號。
      原理上有便攜式高溫計和固定式高溫計兩種,因此,在選擇合適的紅外高溫計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,高溫計所指的測量塊或測量點可以看見,大面積的被測物可以經常不要瞄準器。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
      透鏡確定高溫計的被測點,對大面積的物體來說,一般帶有固定焦距的高溫計足夠可以。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,高溫計可調整測量距離,最新的高溫計帶有變焦的可替換鏡頭,近透鏡和遠透鏡可不需校準復檢進行更換。
      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,即所謂的“大氣層窗”,h2和co2對紅外線幾乎是穿透的,因此高溫計的光變敏感性必須在此范圍內,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,發射率隨著波長的減小而增大,經驗而談,測量金屬的溫度,一般選擇最短的測量波長。
      三、發展趨向
      如許多的傳感技術領域,高溫計的發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器和設備的造型,這一發展趨向的實現,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。與過去模擬技術相比,通過微控件的應用,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精確度。
      市場供應需要快速的,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,調節器或sps(程序控制器)上,通過電纜外接的發射率調整,可以危險區外,即便機器開動著,也可修正,這時也可由sps來調整。
      通過身控件的運用,現在可毫無問題地實現數據總線接口,但網絡連接至今還未實現,對信號的繼續處理,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整時間,帶瞄準器高溫計的最新發展,是變焦的更換鏡頭,不用校準復檢即可替換,對不同的測量位置用同一基礎儀器,節約了倉庫管理費用。
      四、選擇高溫計的主要標準
      高溫計的運用主要由測量范圍所決定,不論是測量電壓,還是測量區域的始值,都應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,選擇可能的最小測量電壓。
      測量區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,測量的誤差由于發射率的錯誤調整,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,由于發射率的錯誤調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,在陶瓷工業或發電廠的燃燒過程,測量范圍通常在0~1300℃。為了避免大的誤差產生,應該選用短波檢波器的高溫計。盡管它的高測溫值從250~1300℃
      另一個選擇合適高溫計的標準是間距比例。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定的輸出信號,固選用小的間距比例。
      另外要確定的是,高溫計是否帶瞄準器裝置,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,它將用于高溫計在安裝時的矯正,這樣就有價格上優勢,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,高溫計是否需要,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,為了高溫計的相適于測量物表面,發射率調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,調節器或程控機來實現。
      此外,對某些運用來說,外型結構也是決定因素,在較高的環境溫度下,高溫計以鏡頭只帶光學部分,由光導電纜連接電器部分,放置于遠離高溫地帶,優點在于,可以節約冷卻裝置。
      最后是高溫計型號,是光譜高溫計,還是比率(雙色)高溫計,光譜高溫計接收一個波長的輻射密度,與此不同的是比率高溫計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溫度的比例關系,由于中間介質如蒸汽,灰塵在高溫計的輻射內,或發射率的變動,至一定的范圍內,這二條線路不顯示信號變動。但單色光譜高溫計將馬上顯示此變動,故此率高溫計優先用行管式轉爐或在金屬制造和加工業中,輻射干擾較嚴重的場合。
      五、運用舉例
      不同高溫計的運用可能性是極其廣泛的,近幾年內的價格大幅度下降開辟了愈來愈多的運用領域,特別在低溫區域或用于替換一般的傳統溫度計,下面的實例是關于使用及解答案的概況。
      1、混凝土加工業
      在混凝土加工時,溫度是對凝結時間和由此而定的堅固性起關鍵作用,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。而高溫計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的質量檢驗的需要,溫度必須與其它的生產參數一起以文件形式被記錄下來,上于臟亂的工業環境,需要十分堅固的,如防塵,防水的測量鏡頭,為了防護高溫計,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
      在造紙業精制中,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絕對溫度,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高溫計,也可用一高溫計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高溫計及帶軸向間隙噴嘴,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射率的修正就可。
      3、陶瓷工業
      為了陶瓷材料的生產,在燃燒過程中需要知道溫度的變化過程,以便達到同樣質量的產品,避廢品產生,同時為了節約能源,必需把溫度控制在最小值內,至今以來都是用溫度計測量溫度,它得到的是室溫,對此高溫計就有優勢,它能直接測量物體表面的溫度,而且是在很短的時間內,這樣就能準確地測量并保持燃燒溫度。
      4、冶金工業
      在冶金工業行業中,紅外溫度測量更是應用于各個領域。例如各種爐體的內壁缺陷診斷、冷卻壁損壞的診斷、工藝參數的控制等等。通過紅外溫度測量可以準確地監控設備的狀況,提高設備使用壽命,節約能源,降低成本,提高產品質量
      由此可知,傳統的溫度計將是淘汰的時代產品,它將隨時間而消失或損壞,以致需要不斷的更換,而高溫計不具有磨損件,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即可贏回。高溫計即可在側邊,或在頂上安裝,避免傾斜的對準,以免高溫計只被抓信邊緣,軸向間隙噴嘴應避免放在高溫計的鏡頭上,在較高環境溫度時,需要一個附加的冷卻裝置。

      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企業和通過iso9001認證企業,其產品的高精度和可靠性在紅外溫度計量儀器生產領域處于世界領先地位,其產品為許多國際著名企業(如西門子公司)所使用。該公司所生產的紅外溫度測量儀具有如下優點:
      1.?非接觸,安全:可測帶電、旋轉、腐蝕性強的物體
      2.?體積小,特別是pm系列
      3.?精度高,性能穩定
      4.?壽命長
      5.?測量范圍廣?-30─3500℃(分段)
      6.?抗干擾能力強
      7.?種類多,選擇范圍廣:根據測量溫度范圍、距離系數、波長的不同可有多種選擇
      8.?配件齊全:包括各種防護配件,接口,顯示儀表
      9.?響應時間短:最快2ms
      10.?一次性投入,不象熱電偶測溫需要長期的耗材投入
      11.?keller公司歷史悠久,生產的測溫儀在同類產品中處于領先地位,被世界上許多大公司所使用,例如siemens公司。

      該儀器應用廣泛,適用于食品、造紙、紡織工業、油漆、混凝土、瀝青攪拌、隧道窯、淬火及退火爐、發電廠、燃燒設備以及金屬加工等民用和工業領域。

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