非接觸式溫度

Walter Glockmann, Capintec

Instruments, Inc.

 

對于小尺寸、不斷運(yùn)動或者無法接近的物體、對于要求快速響應(yīng)的動態(tài)過程,以及對于溫度小于1000?C (1832?F)的應(yīng)用，非接觸式溫度測量是首選技術(shù)。要為具體應(yīng)用選擇最適合的非接觸式溫度測量設(shè)備，重要的是要了解溫度測量技術(shù)的基礎(chǔ)知識、溫度測量參數(shù)以及當(dāng)前市售的各種測量系統(tǒng)的特點(diǎn)。

定義術(shù)語
溫度。溫度是物質(zhì)中振動的原子和分子具有的動能的一種表現(xiàn)形式。動能可以通過各種間接現(xiàn)象來衡量：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)以絕對零度或開氏0度為起始溫度，在此溫度下，所有原子停止振動并且不會消耗任何動能。

0 K = -273.15?C = -459.67?F

紅外線輻射。紅外線是電磁波光譜中人眼可見光（藍(lán)色到紅色，0.4 ~.75 μm）以外的一部分光譜。紅外線波長為0.75μm ~ 1000 μm，微波波長（雷達(dá)波）是該范圍的起始波長。由于紅外線輻射主要由熱量產(chǎn)生，因此稱它為熱輻射。

對于輻射測溫法，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損透射：

0.7-1.3 μm; 1.4-1.8 μm; 2.0-2.5 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。它們的可用測量范圍是–100°C ~ 1500°C。

輻射溫度計(jì)。這種非接觸式溫度計(jì)通過截取并測量物體發(fā)射的熱輻射來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)射率用來根據(jù)測量的亮度或光譜輻 射強(qiáng)度計(jì)算物體的真實(shí)溫度。由于物體的發(fā)射率也會隨波長變化，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)來確定發(fā)射率值。

亮度/單色高溫計(jì)。 這些設(shè)備測量并計(jì) 算截取的熱輻射的強(qiáng)度或亮度。強(qiáng)度或 更加廣泛地說光譜輻射在熱輻射光譜的 較窄波長帶內(nèi)測量。波長帶的選擇取決 于溫度范圍以及待測量材料的類型。

最古老的亮度高溫計(jì) 通過將發(fā)光物體與 紅熱的“隱滅式”燈絲比較，在波長為 0.65 μm 的可見光（紅色）光譜內(nèi)比較 光學(xué)亮度。術(shù)語“單色”來源于用戶看 見的單個(gè)紅色窄波長帶。對于在紅外線 區(qū)測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)。這種輻射溫度計(jì)以兩 種（或多種）不連續(xù)的波長為基礎(chǔ)測量 溫度。不同波長中亮度的比值對應(yīng)于可 見光譜中的顏色。一直都在廣泛使用兩 種明顯不同的可見顏色（通常為紅色和 綠色）推斷色溫。最近，該術(shù)語拓寬了 最初的使用范圍，將紅外線光譜中的波 長包括在內(nèi)。比值測量法的優(yōu)勢在于溫 度讀數(shù)在很大程度上與發(fā)射率波動和/或 瞄準(zhǔn)通道遮蔽物無關(guān)。這項(xiàng)技術(shù)通常用 來測量白熾溫度（700°C，1300°F）以 上的溫度，但也可以測量最低至200°C (400°F)的低溫。

測量參數(shù)

先進(jìn)的光學(xué)和電子信號處理模塊大幅擴(kuò) 展了非接觸式溫度測量的精度和性能。 對于過程控制，可以使用標(biāo)準(zhǔn)化接口， 以便提供針對具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的調(diào)節(jié) 后信號輸出。

輻射能量探測

發(fā)射率調(diào)整。溫度讀數(shù)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，用來監(jiān)測發(fā) 射率恒定不變的目標(biāo)。而測量發(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），要獲得精確的測量， 調(diào)整必不可少?？蓪z測目標(biāo)周圍環(huán)境 的單獨(dú)傳感器用于自動溫度計(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 影響溫度讀數(shù)。利用紅外線區(qū)域中的“ 大氣窗體”可以顯著減少測量誤差。由 于兩條光通道受到同等程度的衰減，比 值高溫計(jì)通常不會受到瞄準(zhǔn)通道遮蔽物 的影響，并且信號色比保持不變。

環(huán)境溫度漂移。由于其設(shè)計(jì)本質(zhì)，環(huán)境 溫度變化對輻射溫度計(jì)有著顯著影響。 為了確保高測量精度，需要對這種溫度 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自被測量物 體的輻射。

視場。視場(FOV)用立體角（度數(shù)）或弧 度表示。視場(FOV)簡化了每個(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 在測量距離為20英寸處最小目標(biāo)尺寸為 1英寸。

目標(biāo)對焦。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）， 則不需要在較長測量距離處對焦。

小目標(biāo)。對于微小物體，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。可以確定最小為0.5 mm的 目標(biāo)。

光纖。在受限空間或惡劣環(huán)境中，通過 光纖可以將鏡頭組件與探測器和信號處 理電路隔開。光纖的可用測量范圍的起 始溫度是400°C (750°F)。最小目標(biāo)區(qū)域 如同上面定義的一樣。

目標(biāo)掃描。如果直接觀測有困難或者不 合實(shí)際情況，可使用反射面鏡改變測量 傳感器的視角。擺鏡可用來讓截取的輻 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
• 透過鏡頭瞄準(zhǔn)器
• 一體式或分體式光束標(biāo)識器

信號處理

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。

線性化輸出。電子網(wǎng)絡(luò)將熱輻射信號轉(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。顯示在特定測量周 期內(nèi)最高的溫度讀數(shù)。復(fù)位由外部信號 觸發(fā)。

最小值或谷值保持。顯示在特定測量周 期內(nèi)最低的溫度讀數(shù)。復(fù)位由外部信號 觸發(fā)。

峰峰值。顯示在特定測量周期內(nèi)最高溫 度讀數(shù)與最低溫度讀數(shù)之間的差值。

響應(yīng)速度。要監(jiān)控快速變化的動態(tài)溫度 過程，需要較短的響應(yīng)時(shí)間。較長響應(yīng) 時(shí)間集成特定測量周期內(nèi)所有信號變 化，并提高了溫度分辨率，以便對變化 的值求平均值或者提高測量精度。

自動觸發(fā)器（波動功能）。探測并顯示 最高溫度讀數(shù)。當(dāng)信號達(dá)到可調(diào)節(jié)閾值 時(shí)，將自動觸發(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)適合對間歇性目標(biāo)值進(jìn)行快速的采 樣和分析，無需使用外部觸發(fā)器信號。

報(bào)警。當(dāng)信號達(dá)到預(yù)設(shè)溫度值時(shí)，輸出 信號（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)400°C (752°F)或更高。

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 針對其工作溫度范圍進(jìn)行了優(yōu)化：

• 攪動型水浴槽：30-100°C
  (86-212°F)
• 鋁芯：50-400°C (122-752°F)
• 不銹鋼芯：350-1000°C
  (662-1832°F)
• 便攜式電池供電現(xiàn)場校準(zhǔn)器：固定溫度，可在40°C ~ 100°C (104 ~ 212°F)范圍內(nèi)選擇

選擇在線式還是便攜式？

在線儀器。這些設(shè)備通常用于不間斷的 過程監(jiān)測和控制。有低溫和高溫型號， 每種型號都有自己的工作規(guī)格（參見 表1）。

便攜式儀器。便攜式設(shè)備一般更加適合 過程檢查、預(yù)防/預(yù)知保養(yǎng)、熱輻射測 量、研發(fā)以及臨時(shí)溫度監(jiān)控。低溫款和 高溫款在性能上有差別，如表2中所示。

應(yīng)用

表3中總結(jié)了在線式和便攜式非接觸式溫 度測量儀器的成功應(yīng)用案例。

經(jīng)

Capintec, Inc.許可轉(zhuǎn)載