紅外測(cè)溫儀工作原理及應(yīng)用

4.紅外測(cè)溫儀正確選擇

　　選擇紅外測(cè)溫儀可分為3個(gè)方面：
　　（1）性能指標(biāo)方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長(zhǎng)、測(cè)量精度、窗口、顯示和輸出、響應(yīng)時(shí)間、保護(hù)附件等；
　　（2）環(huán)境和工作條件方面，如環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護(hù)附件等；
　　（3）其他選擇方面，如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等，也對(duì)測(cè)溫儀的選擇產(chǎn)生一定的影響。
　　隨著技術(shù)和不斷發(fā)展，紅外測(cè)溫儀最佳設(shè)計(jì)和新進(jìn)展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器，擴(kuò)大了選擇余地。其他選擇方面，如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等。在選擇測(cè)溫儀型號(hào)時(shí)應(yīng)首先確定測(cè)量要求，如被測(cè)目標(biāo)溫度，被測(cè)目標(biāo)大小，測(cè)量距離，被測(cè)目標(biāo)材料，目標(biāo)所處環(huán)境，響應(yīng)速度，測(cè)量精度，用便攜式還是在線式等等；在現(xiàn)有各種型號(hào)的測(cè)溫儀對(duì)比中，選出能夠滿足上述要求的儀器型號(hào)；在諸多能夠滿足上述要求的型號(hào)中選擇出在性能、功能和價(jià)格方面的最佳搭配。

　　4.1確定測(cè)溫范圍

　　確定測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。如Raytek（雷泰）產(chǎn)品覆蓋范圍為-50℃- +3000℃，但這不能由一種型號(hào)的紅外測(cè)溫儀來(lái)完成。每種型號(hào)的測(cè)溫儀都有自己特定的測(cè)溫范圍。因此，用戶的被測(cè)溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、周全，既不要過(guò)窄，也不要過(guò)寬。根據(jù)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(guò)由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，測(cè)溫時(shí)應(yīng)盡量選用短波較好。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號(hào)分辨率越高，精度可靠性容易解決。測(cè)溫范圍過(guò)寬，會(huì)降低測(cè)溫精度。例如，如果被測(cè)目標(biāo)溫度為1000攝氏度，首先確定在線式還是便攜式，如果是便攜式。滿足這一溫度的型號(hào)很多，如3iLR3，3i2M，3i1M。如果測(cè)量精度是主要的，最好選用2M或1M型號(hào)的，因?yàn)槿绻x用3iLR型，其測(cè)溫范圍很寬，則高溫測(cè)量性能便差一些；如果用戶除測(cè)量1000攝氏度的目標(biāo)外，還要照顧低溫目標(biāo)，那只好選擇3iLR3。

　　4.2確定目標(biāo)尺寸

　　紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀（輻射比色測(cè)溫儀）。對(duì)于單色測(cè)溫儀，在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿測(cè)溫儀視場(chǎng)。建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。相反，如果目標(biāo)大于測(cè)溫儀的視場(chǎng)，測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響。對(duì)于比色測(cè)溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很小，不充滿視場(chǎng)，測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對(duì)于細(xì)小而又處于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)之中的目標(biāo)，比色測(cè)溫儀是最佳選擇。這是由于光線直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量。
　　對(duì)于Raytek（雷泰）雙色測(cè)溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很小，沒(méi)有充滿現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。甚至在能量衰減了95%的情況下，仍能保證要求的測(cè)溫精度。對(duì)于目標(biāo)細(xì)小，又處于運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)之中的目標(biāo)；有時(shí)在視場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，或可能部分移出視場(chǎng)的目標(biāo)，在此條件下，使用雙色測(cè)溫儀是最佳選擇。如果測(cè)溫儀和目標(biāo)之間不可能直接瞄準(zhǔn)，測(cè)量通道彎曲、狹小、受阻等情況下，雙色光纖測(cè)溫儀是最佳選擇。這是由于其直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量，因此可以測(cè)量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場(chǎng)的目標(biāo)。

　　4.3確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）

　　距離系數(shù)由D：S之比確定，即測(cè)溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。如果測(cè)溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測(cè)量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測(cè)溫儀。光學(xué)分辨率越高，即增大D：S比值，測(cè)溫儀的成本也越高。Raytek紅外測(cè)溫儀D：S的范圍從2：1（低距離系數(shù)）到高于300：1（高距離系數(shù)）。如果測(cè)溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo)，而目標(biāo)又小，就應(yīng)選擇高距離系數(shù)的測(cè)溫儀。對(duì)于固定焦距的測(cè)溫儀，在光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)處為光斑最小位置，近于和遠(yuǎn)于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì)增大。存在兩個(gè)距離系數(shù)。因此，為了能在接近和遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的距離上準(zhǔn)確測(cè)溫，被測(cè)目標(biāo)尺寸應(yīng)大于焦點(diǎn)處光斑尺寸，變焦測(cè)溫儀有一個(gè)最小焦點(diǎn)位置，可根據(jù)到目標(biāo)的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。增大D：S，接收的能量就減少，如不增大接收口徑，距離系數(shù)D：S很難做大，這就要增加儀器成本。

　　4.4確定波長(zhǎng)范圍

　　目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜相應(yīng)波長(zhǎng)對(duì)于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū)，測(cè)量金屬材料的最佳波長(zhǎng)是近紅外，可選用0.8～1.0μm。其他溫區(qū)可選用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波長(zhǎng)上是透明的，紅外能量會(huì)穿透這些材料，對(duì)這種材料應(yīng)選擇特殊的波長(zhǎng)。如測(cè)量玻璃內(nèi)部溫度選用1.0μm，2.2μm和3.9μm（被測(cè)玻璃要很厚，否則會(huì)透過(guò)）波長(zhǎng)；測(cè)玻璃表面溫度選用5.0μm；測(cè)低溫區(qū)選用8～14μm為宜。如測(cè)量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm，聚酯類選用4.3μm或7.9μm，厚度超過(guò)0.4mm的選用8-14μm。如測(cè)火焰中的CO用窄帶4.64μm，測(cè)火焰中的NO2用4.47μm。

　　4.5確定響應(yīng)時(shí)間

　　響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。Raytek（雷泰）新型紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ms。這要比接觸式測(cè)溫方法快得多。如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測(cè)量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，要選用快速響應(yīng)紅外測(cè)溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測(cè)量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測(cè)溫儀。對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過(guò)程存在熱慣性時(shí)，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。因此，紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要和被測(cè)目標(biāo)的情況相適應(yīng)。確定響應(yīng)時(shí)間，主要根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和目標(biāo)的溫度變化速度。對(duì)于靜止的目標(biāo)或目標(biāo)參在熱慣性，或現(xiàn)有控制設(shè)備的速度受到限制，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。

　　4.6信號(hào)處理功能

　　鑒于離散過(guò)程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過(guò)程不同，所以要求紅外測(cè)溫儀具有多信號(hào)處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如測(cè)溫傳送帶上的瓶子時(shí)，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)。否則測(cè)溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設(shè)置測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng)于瓶子之間的時(shí)間間隔，這樣至少有一個(gè)瓶子總是處于測(cè)量之中。

　　4.7環(huán)境條件考慮

　　測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起損壞。當(dāng)環(huán)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(hù)套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護(hù)測(cè)溫儀，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。在確定附件時(shí)，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。當(dāng)在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)或難以接近環(huán)境條件下，或其他惡劣條件下，煙霧、灰塵或其他顆粒降低測(cè)量能量信信號(hào)時(shí)，光纖雙色測(cè)溫儀是最佳選擇。比色測(cè)溫儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)和難以接近的環(huán)境條件下，或其他惡劣條件時(shí)，宜選擇光線比色測(cè)溫儀。
　　在密封的或危險(xiǎn)的材料應(yīng)用中（如容器或真空箱），測(cè)溫儀通過(guò)窗口進(jìn)行觀測(cè)。材料必須有足夠的強(qiáng)度并能通過(guò)所用測(cè)溫儀的工作波長(zhǎng)范圍。還要確定操作工是否也需要通過(guò)窗口進(jìn)行觀察，因此要選擇合適的安裝位置和窗口材料，避免相互影響。在低溫測(cè)量應(yīng)用中，通常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見(jiàn)光，人眼不能通過(guò)窗口觀察目標(biāo)。如操作員需要通過(guò)窗口目標(biāo)，應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光學(xué)材料，如應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光學(xué)材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。
　　當(dāng)測(cè)溫儀工作環(huán)境中存在易燃?xì)怏w時(shí)，可選用本征安全型紅外測(cè)溫儀，從而在一定濃度的易燃?xì)怏w環(huán)境中進(jìn)行安全測(cè)量和監(jiān)視。
　　在環(huán)境條件惡劣復(fù)雜的情況下，可以選擇測(cè)溫頭和顯示器分開的系統(tǒng)，以便于安裝和配置?？蛇x擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號(hào)輸出形式。

　　4.8紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定

　　紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度。如果所用的測(cè)溫儀在使用中出現(xiàn)測(cè)溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。