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红外测温仪基本原理

浏览次数:1280发布日期:2012-03-04

红外测温仪基本原理

红外测温技术在生产过程中,在产品质量控制和监测,设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近20年来,非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展,性能不断完善,功能不断增强,品种不断增多,适用范围也不断扩大,市场占有率逐年增长。比起接触式测温方法,红外测温仪有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。非接触红外测温仪包括便携式红外测温仪、在线式红外测温仪和扫描式红外测温仪三大系列,并备有各种选件和计算机软件,每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格的各种型号红外测温仪中,正确选择红外测温仪型号对用户来说是十分重要的。
红外测温仪检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目,红外测温仪检测是一种在线监测(不停电)式高科技检测技术,它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身,通过接收物体发出的红外线(红外辐射),将其热像显示在荧光屏上,从而准确判断物体表面的温度分布情况,具有准确、实时、快速等优点。任何物体由于其自身分子的运动,不停地向外辐射红外热能,从而在物体表面形成一定的温度场,俗称“热像”。红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量,测出设备表面的温度及温度场的分布,从而判断设备发热情况。目前应用红外诊技术的测试设备比较多,如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像,使测试效果直观,灵敏度高,能检测出设备细微的热状态变化,准确反映设备内部、外部的发热情况,可靠性高,对发现设备隐患非常有效。
红外测温仪诊断技术对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠的预测,使传统电气设备的预防性试验维修(预防试验是50年代引进前苏联的标准)提高到预知状态检修,这也是现代电力企业发展的方向。特别是现在大机组、超高电压的发展,对电力系统的可靠运行,关系到电网的稳定,提出了越来越高的要求。随着现代科学技术不断发展成熟与日益完善,利用红外状态监测和诊断技术具有远距离、不接触、不取样、不解体,又具有准确、快速、直观等特点,实时地在线监测和诊断电气设备大多数故障(几乎可以覆盖所有电气设备各种故障的检测)。它备受国内外电力行业的重视(国外70年代后期普遍应用的一种先进状态检修体制),并得到快速发展。红外检测技术的应用,对提高电气设备的可靠性与有效性,提高运行经济效益,降低维修成本都有很重要的意义。是目前在预知检修领域中普遍推广的一种很好手段,又能使维修水平和设备的健康水平上一个台阶。
采用红外成像检测技术可以对正在运行的设备进行非接触检测,拍摄其温度场的分布、测量任何部位的温度值,据此对各种外部及内部故障进行诊断,具有实时、遥测、直观和定量测温等优点,用来检测发电厂、变电所和输电线路的运转设备和带电设备非常方便、有效。
利用热像仪检测在线电气设备的方法是红外温度记录法。红外温度记录法是工业上用来无损探测,检测设备性能和掌握其运行状态的一项新技术。与传统的测温方式(如热电偶、不同熔点的蜡片等放置在被测物表面或体内)相比,热像仪可在一定距离内实时、定量、在线检测发热点的温度,通过扫描,还可以绘出设备在运行中的温度梯度热像图,而且灵敏度高,不受电磁场干扰,便于现场使用。它可以在-20℃~2000℃的宽量程内以0.05℃的高分辨率检测电气设备的热致故障,揭示出如导线接头或线夹发热,以及电气设备中的局部过热点等等。
带电设备的红外诊断技术是一门新兴的学科。它是利用带电设备的致热效应,采用专用设备获取从设备表面发出的红外辐射信息,进而判断设备状况和缺陷性质的一门综合技术。
2.1红外测温仪的种类
红外测温仪主要有3种类型:红外热像仪、红外热电视、红外测温仪(点温仪)。
2.2红外测温仪工作原理
了解红外测温仪的工作原理、技术指标、环境工作条件及操作和维修等是用户正确地选择和使用红外测温仪的基穿红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量,视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。除此之外,还应考虑目标和测温仪所在的环境条件,如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。

影响发射率的主要因纱在:材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。
当用红外测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量,然后由红外测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例;双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。**
红外系统:红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量,视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路,并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
3.3红外测温仪性能
红外测温仪是通过接收目标物体发射、反射和传导的能量来测量其表面温度。测温仪内的探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理,然后转换成温度读数显示。在带激光瞄准器的型号中,激光瞄准器只做瞄准使用。红外测温仪性能,为了获得的温度读数,测温仪与测试目标之间的距离必须在合适的范围之内,所谓“光点尺寸”(spotsize)就是测温仪测量点的面积。您距离目标越远,光点尺寸就越大。右图所示为距离与光点尺寸的比率,或称D:S。在激光瞄准器型测温仪上,激光点在目标中心的上方,有12mm(0.47英寸)的偏置距离。测量距离与光点尺寸:在定测量距离时,应确保目标直径等于或大于受测的光点尺寸。右图所标示的“1号物体”(object1)与测量仪之间的距离正,因为目标比被测光点尺寸略大一些。而“2号物体”距离太远,因为目标小于受测的光点尺寸,即测温仪同在测量背景物体,从而降低了读数的性。
4.红外测温仪正确选择
选择红外测温仪可分为3个方面:
(1)性能指标方面,如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、窗口、显示和输出、响应时间、保护附件等;
(2)环境和工作条件方面,如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等;
(3)其他选择方面,如使用方便、维修和校准性能以及价格等,也对测温仪的选择产生一定的影响。
随着技术和不断发展,红外测温仪佳设计和新进展为用户提供了各种功能和多用途的仪器,扩大了选择余地。其他选择方面,如使用方便、维修和校准性能以及价格等。在选择测温仪型号时应首先确定测量要求,如被测目标温度,被测目标大小,测量距离,被测目标材料,目标所处环境,响应速度,测量精度,用便携式还是在线式等等;在现有各种型号的测温仪对比中,选出能够满足上述要求的仪器型号;在诸多能够满足上述要求的型号中选择出在性能、功能和价格方面的佳搭配。
4.1确定红外测温仪测温范围:
确定红外测温仪测温范围:测温范围是红外测温仪重要的一个性能指标。如Raytek(雷泰)红外测温仪覆盖范围为-50℃-+3000℃,但这不能由一种型号的红外测温仪来完成。每种型号的红外测温仪都有自己特定的测温范围。因此,用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全,既不要过窄,也不要过宽。根据黑体辐射定律,在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化,因此,测温时应尽量选用短波较好。一般来说,测温范围越窄,监控温度的输出信号分辨率越高,精度可靠性容易解决。测温范围过宽,会降低测温精度。例如,如果被测目标温度为1000摄氏度,首先确定在线式还是便携式,如果是便携式。满足这一温度的型号很多,如3iLR3,3i2M,3i1M红外测温仪。如果测量精度是主要的,好选用2M红外测温仪或1M红外测温仪的,因为如果选用3iLR型红外测温仪,其测温范围很宽,则高温测量性能便差一些;如果用户除测量1000摄氏度的目标外,还要照顾低温目标,那只好选择3iLR3红外测温仪。
4.2确定目标尺寸:
红外测温仪根据原理可分为单色红外测温仪和双色红外测温仪(辐射比色测温仪)。对于单色红外测温仪,在进行测温时,被测目标面积应充满测温仪视畅建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场,背景辐射能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数,造成误差。相反,如果目标大于测温仪的视场,红外测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。对于比色红外测温仪,其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小,不充满视场,测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡,对辐射能量有衰减时,都不对测量结果产生重大影响。对于细小而又处于运动或震动之中的目标,比色测温仪是佳选择。这是由于光线直径小,有柔性,可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量。
对于Raytek(雷泰)双色红外测温仪,其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小,没有充满现场,测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时,都不会对测量结果产生影响。甚至在能量衰减了95%的情况下,仍能保证要求的测温精度。对于目标细小,又处于运动或振动之中的目标;有时在视场内运动,或可能部分移出视场的目标,在此条件下,使用双色测温仪是佳选择。如果测温仪和目标之间不可能直接瞄准,测量通道弯曲、狭些受阻等情况下,双色光纤测温仪是佳选择。这是由于其直径小,有柔性,可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量,因此可以测量难以接近、条件恶劣或靠近电磁场的目标。
4.3确定红外测温仪距离系数(光学分辨率):
距离系数由D:S之比确定,即红外测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。如果红外测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处,而又要测量小的目标,就应选择高光学分辨率的红外测温仪。光学分辨率越高,即增大D:S比值,红外测温仪的成本也越高。Raytek红外测温仪D:S的范围从2:1(低距离系数)到高于300:1(高距离系数)。如果红外测温仪远离目标,而目标又小,就应选择高距离系数的红外测温仪。对于固定焦距的红外测温仪,在光学系统焦点处为光斑小位置,近于和远于焦点位置光斑都会增大。存在两个距离系数。因此,为了能在接近和远离焦点的距离上准确测温,被测目标尺寸应大于焦点处光斑尺寸,变焦测温仪有一个小焦点位置,可根据到目标的距离进行调节。增大D:S,接收的能量就减少,如不增大接收口径,距离系数D:S很难做大,这就要增加仪器成本。
4.4确定红外测温仪波长范围:
目标材料的发射率和表面特性决定红外测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料,有低的或变化的发射率。在高温区,测量金属材料的佳波长是近红外,可选用0.8~1.0μm。其他温区可选用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波长上是透明的,红外能量会穿透这些材料,对这种材料应选择特殊的波长。如测量玻璃内部温度选用1.0μm,2.2μm和3.9μm(被测玻璃要很厚,否则会透过)波长;测玻璃表面温度选用5.0μm;测低温区选用8~14μm为宜。如测量聚乙烯塑料薄膜选用3.43μm,聚酯类选用4.3μm或7.9μm,厚度超过0.4mm的选用8-14μm。如测火焰中的CO用窄带4.64μm,测火焰中的NO2用4.47μm。
4.5确定红外测温仪响应时间:
响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度,定义为到达后读数的95%能量所需要时间,它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。Raytek(雷泰)新型红外测温仪响应时间可达1ms。这要比接触式测温方法快得多。如果目标的运动速度很快或测量快速加热的目标时,要选用快速响应红外测温仪,否则达不到足够的信号响应,会降低测量精度。然而,并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪。对于静止的或目标热过程存在热惯性时,测温仪的响应时间就可以放宽要求了。因此,红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。确定响应时间,主要根据目标的运动速度和目标的温度变化速度。对于静止的目标或目标参在热惯性,或现有控制设备的速度受到限制,红外测温仪的响应时间就可以放宽要求了。
4.6红外测温仪信号处理功能:
鉴于离散过程(如零件生产)和连续过程不同,所以要求红外测温仪具有多信号处理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)可供选用,如测温传送带上的瓶子时,就要用峰值保持,其温度的输出信号传送至控制器内。否则红外测温仪读出瓶子之间的较低的温度值。若用峰值保持,设置红外测温仪响应时间稍长于瓶子之间的时间间隔,这样至少有一个瓶子总是处于测量之中。
4.7环境条件考虑:
红外测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响,应予考虑并适当解决,否则会影响测温精度甚至引起损坏。当环境温度高,存在灰尘、烟雾和蒸汽的条件下,可选用厂商提供的保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫器等附件。这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪,实现准确测温。在确定附件时,应尽可能要求标准化服务,以降低安装成本。当在噪声、电磁畅震动或难以接近环境条件下,或其他恶劣条件下,烟雾、灰尘或其他颗粒降低测量能量信信号时,光纤双色测温仪是佳选择。比色测温仪是佳选择。在噪声、电磁畅震动和难以接近的环境条件下,或其他恶劣条件时,宜选择光线比色测温仪。
在密封的或危险的材料应用中(如容器或真空箱),测温仪通过窗口进行观测。材料必须有足够的强度并能通过所用测温仪的工作波长范围。还要确定操作工是否也需要通过窗口进行观察,因此要选择合适的安装位置和窗口材料,避免相互影响。在低温测量应用中,通常用Ge或Si材料作为窗口,不透可见光,人眼不能通过窗口观察目标。如操作员需要通过窗口目标,应采用既透红外辐射又透过可见光的光学材料,如应采用既透红外辐射又透过可见光的光学材料,如ZnSe或BaF2等作为窗口材料。
当测温仪工作环境中存在气体时,可选用本征安全型红外测温仪,从而在一定浓度的气体环境中进行安全测量和监视。
在环境条件恶劣复杂的情况下,可以选择测温头和显示器分开的系统,以便于安装和配置。可选择与现行控制设备相匹配的信号输出形式。
4.8红外测温仪的标定:
红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。如果所用的红外测温仪在使用中出现测温超差,则需退回厂家或维修中心重新标定。

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