Теоретичен принцип и приложение на инфрачервения термометър
Има много начини за измерване на температурата. Термометрите могат да бъдат разделени на два вида: контактни измервателни уреди за температура и безконтактни уреди за измерване на температурата. Контактният тип включва познатия течен термометър, термометър с термодвойка и термометър за термично съпротивление и др. Както всички знаем, температурата е един от най-важните параметри в системите за отопление, газоснабдяване, вентилация и климатизация. Особено в процеса на топлинно инженерно измерване, точността на температурата често е ключът към успеха или неуспеха на експеримента. Следователно високоточният измервателен уред за температура е от съществено значение в инженерството. Ето защо тази статия представя някои принципи и приложения на инфрачервените термометри в инструментите за измерване на температурата.
Теоретичен принцип на инфрачервеното измерване на температурата:
В природата, когато температурата на даден обект е по-висока от абсолютната нула, поради наличието на вътрешно топлинно движение, той непрекъснато ще излъчва електромагнитни вълни към околната среда, включително инфрачервени лъчи с вълнова лента от 0.75µm~ 100 µm. Нейната характеристика е, че при дадена температура и дължина на вълната излъчваната от даден обект лъчиста енергия има максимална стойност. Този вид материал се нарича черно тяло и неговият коефициент на отражение е зададен на 1. Коефициентът на отражение на други материали е по-малък от 1, наречено Това е сиво тяло, тъй като спектралната мощност на излъчване P(λT) на черното тяло и максималната температура T отговарят на определението на Планк. Той показва, че при максимална температура T мощността на излъчване на черното тяло на единица площ при дължина на вълната λ е P(λT).
С повишаването на температурата лъчистата енергия на обекта става по-силна. Това е отправната точка на теорията за инфрачервеното лъчение и основата на дизайна на еднолентовия инфрачервен термометър.
С повишаването на температурата пикът на радиацията се премества в посоката на късите вълни (вляво) и удовлетворява теоремата за изместване на Wien, дължината на вълната при пика е обратно пропорционална на максималната температура T, а пунктираната линия е линията свързване на върха. Тази формула ни казва защо високотемпературните термометри работят най-вече на къси вълни, а нискотемпературните термометри работят предимно на дълги вълни.
Скоростта на промяна на лъчистата енергия с температура е по-голяма при късите вълни, отколкото при дългите вълни, т.е. термометърът, работещ при късите вълни, има относително високо съотношение сигнал/шум (висока чувствителност) и силна против намеса. Термометърът трябва да се опита да избере да работи на пиковата дължина на вълната. Особено в случай на ниска температура и малки цели, това е особено важно.
Второ: Инфрачервеният термометър се състои от оптична система, фотоелектрически детектор, усилвател на сигнала, обработка на сигнала, изходен дисплей и други части. Излъчването от измервания обект и източника на обратна връзка се модулира от модулатора и след това се въвежда в инфрачервения детектор. Разликата между двата сигнала се усилва от анти-усилвателя и контролира температурата на източника на обратна връзка, така че спектралното излъчване на източника на обратна връзка е същото като това на обекта. Дисплеят показва яркостната температура на измервания обект
Индикатори за ефективност и избор на три инфрачервени термометъра:
Показателите за ефективност на инфрачервените термометри включват: температурен диапазон на измерване, разделителна способност на дисплея, точност, температурен диапазон на работната среда, повторяемост, относителна влажност, време за реакция, захранване, спектър на реакция, размер, показване на максимална стойност, тегло, излъчване и др. Обърнете внимание към следното при избора:
1. Определете диапазона на измерване на температурата: Диапазонът на измерване на температурата е най-важният показател за ефективност на термометъра. Всеки тип термометър има свой специфичен температурен диапазон. Следователно измереният от потребителя температурен диапазон трябва да се разглежда точно и изчерпателно, нито твърде тесен, нито твърде широк. Съгласно закона за излъчването на черното тяло, в лентата с къси дължини на вълната на спектъра, промяната на лъчистата енергия, причинена от температурата, ще надвиши промяната на лъчистата енергия, причинена от грешка в излъчването.
2 Определете размера на целта: Инфрачервените термометри могат да бъдат разделени на едноцветни термометри и двуцветни термометри (радиационни колориметрични термометри) според принципа. За монохроматичен термометър, когато измервате температурата, площта на целта, която трябва да се измери, трябва да запълва зрителното поле на термометъра. Препоръчително е измереният размер на целта да надвишава 50 процента от зрителното поле. Ако размерът на целта е по-малък от зрителното поле, енергията на фоновото излъчване ще навлезе във визуалните и акустичните символи на термометъра и ще попречи на показанията за измерване на температурата, причинявайки грешки. Обратно, ако целта е по-голяма от зрителното поле на пирометъра, пирометърът няма да бъде повлиян от фон извън зоната на измерване. За двуцветен пирометър температурата се определя от съотношението на лъчистата енергия в две независими ленти с дължина на вълната. Следователно, когато целта за измерване е малка, не запълва зрителното поле и има дим, прах и препятствия по пътя на измерване, които намаляват радиационната енергия, това няма да окаже значително влияние върху резултатите от измерването . За малки и движещи се или вибриращи цели, двуцветният термометър е най-добрият избор. Това се дължи на малкия диаметър на светлинните лъчи и тяхната гъвкавост да транспортират светлинна лъчиста енергия през извити, блокирани и нагънати канали.
3 Определете коефициента на разстояние (оптична разделителна способност): Коефициентът на разстояние се определя от съотношението на D:S, т.е. съотношението на разстоянието D между сондата на термометъра и целта и диаметъра на измерената цел. Ако термометърът трябва да бъде инсталиран далеч от целта поради условията на околната среда и трябва да се измери малка цел, трябва да се избере термометър с висока оптична разделителна способност. Колкото по-висока е оптичната разделителна способност, т.е. увеличаване на съотношението D:S, толкова по-висока е цената на пирометъра. Ако термометърът е далеч от целта и целта е малка, трябва да се избере термометър с висок коефициент на разстояние. За пирометър с фиксирано фокусно разстояние, фокусната точка на оптичната система е най-малката позиция на петното, а петното близо и далеч от фокусната точка ще се увеличава. Има два фактора за разстояние.
4. Определете обхвата на дължината на вълната: Емисионната способност и повърхностните характеристики на целевия материал определят съответната дължина на вълната на спектъра на пирометъра. За сплавните материали с висока отразяваща способност има ниска или променлива излъчвателна способност. В зоната с висока температура най-добрата дължина на вълната за измерване на метални материали е близката инфрачервена и може да се избере 0.8-1.0 μm. Други температурни зони могат да избират 1,6 μm, 2,2 μm и 3,9 μm. Тъй като някои материали са прозрачни при определена дължина на вълната, инфрачервената енергия ще проникне през тези материали и трябва да се избере специална дължина на вълната за този материал.
5 Определете времето за реакция: Времето за реакция показва скоростта на реакция на инфрачервения термометър към измерената температурна промяна, която се определя като времето, необходимо за достигане на 95 процента от енергията на крайното отчитане, и е свързано с времевата константа на фотодетектора, веригата за обработка на сигнала и свързаните с дисплейната система. Ако скоростта на движение на целта е много висока или когато се измерва бързо нагряваща цел, трябва да се избере инфрачервен термометър с бърза реакция, в противен случай няма да се постигне достатъчна реакция на сигнала и точността на измерване ще бъде намалена. Не всички приложения обаче изискват инфрачервен термометър с бърза реакция. За статични или целеви термични процеси с термична инерция, времето за реакция на пирометъра може да бъде намалено.
6. Функция за обработка на сигнала: С оглед на разликата между дискретния процес (като производство на части) и непрекъснатия процес, инфрачервеният термометър трябва да има множество функции за обработка на сигнала (като задържане на пик, задържане на долина, средна стойност) за изберете от, като например измерване на температурата на конвейерната лента Когато се използва бутилката, е необходимо да се използва пиковата стойност за задържане и изходният сигнал за нейната температура се изпраща към контролера. В противен случай термометърът отчита по-ниска стойност на температурата между бутилките. Ако използвате пиково задържане, настройте времето за реакция на термометъра да бъде малко по-дълго от интервала от време между бутилките, така че поне една бутилка винаги да е под измерване.
7 Отчитане на условията на околната среда: Условията на околната среда на термометъра имат голямо влияние върху резултатите от измерването, което трябва да се вземе предвид и правилно да се разреши, в противен случай това ще повлияе на точността на измерване на температурата и дори ще причини повреда. Когато температурата на околната среда е висока и има прах, дим и пара, могат да бъдат избрани защитно покритие, водно охлаждане, система за въздушно охлаждане, пречиствател на въздух и други аксесоари, предоставени от производителя. Тези аксесоари могат ефективно да се справят с влиянията на околната среда и да защитят термометъра за точно измерване на температурата. Когато определяте аксесоари, трябва да се изисква стандартизирано обслужване, доколкото е възможно, за да се намалят разходите за монтаж.
8. Калибриране на термометъра с инфрачервено излъчване: инфрачервеният термометър трябва да бъде калибриран така, че да може правилно да показва температурата на измерената цел. Ако измерената температура на използвания термометър е извън толеранса по време на употреба, той трябва да бъде върнат на производителя или в сервизния център за повторно калибриране.
Характеристики на четири инфрачервени термометъра
1. Безконтактно измерване: Не е необходимо да докосва вътрешността или повърхността на измереното температурно поле, така че няма да пречи на състоянието на измереното температурно поле и самият термометър няма да бъде повреден от температурното поле.
2. Широк обхват на измерване: Тъй като това е безконтактно измерване на температурата, термометърът не е в поле с по-висока или по-ниска температура, а работи при нормална температура или при условията, разрешени от термометъра. При нормални обстоятелства може да измерва минус десетки градуса до повече от три хиляди градуса.
3. Бърза скорост на измерване на температурата: т.е. бързо време за реакция. Докато се получава инфрачервеното лъчение на целта, температурата може да бъде фиксирана за кратко време.
4. Висока точност: Инфрачервеното измерване на температурата няма да унищожи разпределението на температурата на самия обект като контактно измерване на температурата, така че точността на измерване е висока.
5. Висока чувствителност: Докато има малка промяна в температурата на обекта, енергията на излъчване ще се промени значително, което е лесно за откриване. Може да измерва температурата на малко температурно поле и
6. Измерване на разпределението на температурата и измерване на температурата на движещи се или въртящи се обекти. Безопасен и дълъг експлоатационен живот.
Недостатъци на петте инфрачервени термометъра:
1. Уязвимост към факторите на околната среда (околна температура, прах във въздуха и др.)
2. Има голямо влияние върху отчитането на температурата на светлата или полирана метална повърхност
3. Ограничено само до измерване на външната температура на обекта, неудобно е да се измерва температурата вътре в обекта и когато има препятствия
Предпазни мерки при използване на шест инфрачервени термометъра:
(1) Емисионната способност на изпитвания обект трябва да бъде точно определена;
(2) Избягвайте влиянието на обекти с висока температура в околната среда;
(3) За прозрачни материали температурата на околната среда трябва да е по-ниска от температурата на измервания обект;
(4) Термометърът трябва да бъде подравнен вертикално към повърхността на обекта, който ще се измерва, и при никакви обстоятелства ъгълът не трябва да надвишава 30 градуса
(5) Не може да се използва за измерване на температура върху ярки или полирани метални повърхности и не може да се използва за измерване на температура през стъкло;
(6) Правилно изберете коефициента на проследяване, диаметърът на целта трябва да запълва зрителното поле;
(7) Ако инфрачервеният термометър внезапно бъде изложен на разлика в температурата на околната среда от 20 градуса или по-висока, данните от измерването ще бъдат неточни и измерената стойност на температурата ще бъде взета, след като температурата бъде балансирана. .
Седем плана за подобрение:
Тъй като обикновеният инфрачервен термометър е ограничен само до измерване на външната температура на обекта, е неудобно да се измерва температурата вътре в обекта и когато има препятствия, така че част от оптично влакно може да се добави към главата за детекция и леща с малък зрителен ъгъл може да се монтира в предния край, така че лъчистата енергия на измервания обект да преминава през лещата към вътрешността на оптичното влакно. След множество отражения в оптичното влакно, той се предава на детектора. Тъй като оптичното влакно може да се огъва свободно, радиацията може да се обръща свободно, което решава проблема с измерването на вътрешната температура на обекта и може да измерва температурата на места като ъгли, блокирани от препятствия.
