紅外測溫儀基本原理

紅外測溫儀基本原理

紅外測溫技術在生產過程中，在產品質量控制和監(jiān)測，設備在線故障診斷和安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。近20年來，非接觸紅外測溫儀在技術上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴大，*逐年增長。比起接觸式測溫方法，紅外測溫儀有著響應時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點。非接觸紅外測溫儀包括便攜式紅外測溫儀、在線式紅外測溫儀和掃描式紅外測溫儀三大系列，并備有各種選件和計算機軟件，每一系列中又有各種型號及規(guī)格。在不同規(guī)格的各種型號紅外測溫儀中，正確選擇紅外測溫儀型號對用戶來說是十分重要的。
紅外測溫儀檢測技術是“九五”國家科技成果重點推廣項目，紅外測溫儀檢測是一種在線監(jiān)測（不停電）式高科技檢測技術，它集光電成像技術、計算機技術、圖像處理技術于一身，通過接收物體發(fā)出的紅外線（紅外輻射），將其熱像顯示在熒光屏上，從而準確判斷物體表面的溫度分布情況，具有準確、實時、快速等優(yōu)點。任何物體由于其自身分子的運動，不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場，俗稱“熱像”。紅外診斷技術正是通過吸收這種紅外輻射能量，測出設備表面的溫度及溫度場的分布，從而判斷設備發(fā)熱情況。目前應用紅外診技術的測試設備比較多，如紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。像紅外熱電視、紅外熱像儀等設備利用熱成像技術將這種看不見的“熱像”轉變成可見光圖像，使測試效果直觀，靈敏度高，能檢測出設備細微的熱狀態(tài)變化，準確反映設備內部、外部的發(fā)熱情況，可靠性高，對發(fā)現(xiàn)設備隱患非常有效。
紅外測溫儀診斷技術對電氣設備的早期故障缺陷及絕緣性能做出可靠的預測，使傳統(tǒng)電氣設備的預防性試驗維修（預防試驗是50年代引進前蘇聯(lián)的標準）提高到預知狀態(tài)檢修，這也是現(xiàn)代電力企業(yè)發(fā)展的方向。特別是現(xiàn)在大機組、超高電壓的發(fā)展，對電力系統(tǒng)的可靠運行，關系到電網的穩(wěn)定，提出了越來越高的要求。隨著現(xiàn)代科學技術不斷發(fā)展成熟與日益完善，利用紅外狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術具有遠距離、不接觸、不取樣、不解體，又具有準確、快速、直觀等特點，實時地在線監(jiān)測和診斷電氣設備大多數(shù)故障（幾乎可以覆蓋所有電氣設備各種故障的檢測）。它備受國內外電力行業(yè)的重視（國外70年代后期普遍應用的一種先進狀態(tài)檢修體制），并得到快速發(fā)展。紅外檢測技術的應用，對提高電氣設備的可靠性與有效性，提高運行經濟效益，降低維修成本都有很重要的意義。是目前在預知檢修領域中普遍推廣的一種很好手段，又能使維修水平和設備的健康水平上一個臺階。
采用紅外成像檢測技術可以對正在運行的設備進行非接觸檢測，拍攝其溫度場的分布、測量任何部位的溫度值，據(jù)此對各種外部及內部故障進行診斷，具有實時、遙測、直觀和定量測溫等優(yōu)點，用來檢測發(fā)電廠、變電所和輸電線路的運轉設備和帶電設備非常方便、有效。
利用熱像儀檢測在線電氣設備的方法是紅外溫度記錄法。紅外溫度記錄法是工業(yè)上用來無損探測，檢測設備性能和掌握其運行狀態(tài)的一項新技術。與傳統(tǒng)的測溫方式（如熱電偶、不同熔點的蠟片等放置在被測物表面或體內）相比，熱像儀可在一定距離內實時、定量、在線檢測發(fā)熱點的溫度，通過掃描，還可以繪出設備在運行中的溫度梯度熱像圖，而且靈敏度高，不受電磁場干擾，便于現(xiàn)場使用。它可以在-20℃～2000℃的寬量程內以0.05℃的高分辨率檢測電氣設備的熱致故障，揭示出如導線接頭或線夾發(fā)熱，以及電氣設備中的局部過熱點等等。
帶電設備的紅外診斷技術是一門新興的學科。它是利用帶電設備的致熱效應，采用設備獲取從設備表面發(fā)出的紅外輻射信息，進而判斷設備狀況和缺陷性質的一門綜合技術。
2.1紅外測溫儀的種類
紅外測溫儀主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀（點溫儀）。
2.2紅外測溫儀工作原理
了解紅外測溫儀的工作原理、技術指標、環(huán)境工作條件及操作和維修等是用戶正確地選擇和使用紅外測溫儀的基穿紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯集其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘枴Ｔ撔盘柦涍^放大器和信號處理電路按照儀器內部的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。除此之外，還應考慮目標和測溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。

影響發(fā)射率的主要因紗在：材料種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。
當用紅外測溫儀測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段范圍內的紅外輻射量，然后由紅外測溫儀計算出被測目標的溫度。單色測溫儀與波段內的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例。**
紅外系統(tǒng)：紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘枴Ｔ撔盘柦涍^放大器和信號處理電路，并按照儀器內療的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。
3.3紅外測溫儀性能
紅外測溫儀是通過接收目標物體發(fā)射、反射和傳導的能量來測量其表面溫度。測溫儀內的探測元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進行處理，然后轉換成溫度讀數(shù)顯示。在帶激光瞄準器的型號中，激光瞄準器只做瞄準使用。紅外測溫儀性能，為了獲得的溫度讀數(shù)，測溫儀與測試目標之間的距離必須在合適的范圍之內，所謂“光點尺寸”（spotsize）就是測溫儀測量點的面積。您距離目標越遠，光點尺寸就越大。右圖所示為距離與光點尺寸的比率，或稱D：S。在激光瞄準器型測溫儀上，激光點在目標中心的上方，有12mm（0.47英寸）的偏置距離。測量距離與光點尺寸：在定測量距離時，應確保目標直徑等于或大于受測的光點尺寸。右圖所標示的“1號物體”（object1）與測量儀之間的距離正，因為目標比被測光點尺寸略大一些。而“2號物體”距離太遠，因為目標小于受測的光點尺寸，即測溫儀同在測量背景物體，從而降低了讀數(shù)的性。
4.紅外測溫儀正確選擇
選擇紅外測溫儀可分為3個方面：
（1）性能指標方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、窗口、顯示和輸出、響應時間、保護附件等；
（2）環(huán)境和工作條件方面，如環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護附件等；
（3）其他選擇方面，如使用方便、維修和校準性能以及價格等，也對測溫儀的選擇產生一定的影響。
隨著技術和不斷發(fā)展，紅外測溫儀佳設計和新進展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器，擴大了選擇余地。其他選擇方面，如使用方便、維修和校準性能以及價格等。在選擇測溫儀型號時應首先確定測量要求，如被測目標溫度，被測目標大小，測量距離，被測目標材料，目標所處環(huán)境，響應速度，測量精度，用便攜式還是在線式等等；在現(xiàn)有各種型號的測溫儀對比中，選出能夠滿足上述要求的儀器型號；在諸多能夠滿足上述要求的型號中選擇出在性能、功能和價格方面的佳搭配。
4.1確定紅外測溫儀測溫范圍：
確定紅外測溫儀測溫范圍：測溫范圍是紅外測溫儀重要的一個性能指標。如Raytek（雷泰）紅外測溫儀覆蓋范圍為-50℃-+3000℃，但這不能由一種型號的紅外測溫儀來完成。每種型號的紅外測溫儀都有自己特定的測溫范圍。因此，用戶的被測溫度范圍一定要考慮準確、周全，既不要過窄，也不要過寬。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由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，測溫時應盡量選用短波較好。一般來說，測溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號分辨率越高，精度可靠性容易解決。測溫范圍過寬，會降低測溫精度。例如，如果被測目標溫度為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很多，如3iLR3，3i2M，3i1M紅外測溫儀。如果測量精度是主要的，好選用2M紅外測溫儀或1M紅外測溫儀的，因為如果選用3iLR型紅外測溫儀，其測溫范圍很寬，則高溫測量性能便差一些；如果用戶除測量1000攝氏度的目標外，還要照顧低溫目標，那只好選擇3iLR3紅外測溫儀。
4.2確定目標尺寸：
紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色紅外測溫儀和雙色紅外測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色紅外測溫儀，在進行測溫時，被測目標面積應充滿測溫儀視暢建議被測目標尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標尺寸小于視場，背景輻射能量就會進入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。相反，如果目標大于測溫儀的視場，紅外測溫儀就不會受到測量區(qū)域外面的背景影響。對于比色紅外測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。因此當被測目標很小，不充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時，都不對測量結果產生重大影響。對于細小而又處于運動或震動之中的目標，比色測溫儀是佳選擇。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。
對于Raytek（雷泰）雙色紅外測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。因此當被測目標很小，沒有充滿現(xiàn)場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時，都不會對測量結果產生影響。甚至在能量衰減了95%的情況下，仍能保證要求的測溫精度。對于目標細小，又處于運動或振動之中的目標；有時在視場內運動，或可能部分移出視場的目標，在此條件下，使用雙色測溫儀是佳選擇。如果測溫儀和目標之間不可能直接瞄準，測量通道彎曲、狹些受阻等情況下，雙色光纖測溫儀是佳選擇。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，因此可以測量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場的目標。
4.3確定紅外測溫儀距離系數(shù)（光學分辨率）：
距離系數(shù)由D：S之比確定，即紅外測溫儀探頭到目標之間的距離D與被測目標直徑之比。如果紅外測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光學分辨率的紅外測溫儀。光學分辨率越高，即增大D：S比值，紅外測溫儀的成本也越高。Raytek紅外測溫儀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)）。如果紅外測溫儀遠離目標，而目標又小，就應選擇高距離系數(shù)的紅外測溫儀。對于固定焦距的紅外測溫儀，在光學系統(tǒng)焦點處為光斑小位置，近于和遠于焦點位置光斑都會增大。存在兩個距離系數(shù)。因此，為了能在接近和遠離焦點的距離上準確測溫，被測目標尺寸應大于焦點處光斑尺寸，變焦測溫儀有一個小焦點位置，可根據(jù)到目標的距離進行調節(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確定紅外測溫儀波長范圍：
目標材料的發(fā)射率和表面特性決定紅外測溫儀的光譜相應波長對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)，測量金屬材料的佳波長是近紅外，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上是透明的，紅外能量會穿透這些材料，對這種材料應選擇特殊的波長。如測量玻璃內部溫度選用1.0μm，2.2μm和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會透過）波長；測玻璃表面溫度選用5.0μm；測低溫區(qū)選用8～14μm為宜。如測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0.4mm的選用8-14μm。如測火焰中的CO用窄帶4.64μm，測火焰中的NO2用4.47μm。
4.5確定紅外測溫儀響應時間：
響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達后讀數(shù)的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有關。Raytek（雷泰）新型紅外測溫儀響應時間可達1ms。這要比接觸式測溫方法快得多。如果目標的運動速度很快或測量快速加熱的目標時，要選用快速響應紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應，會降低測量精度。然而，并不是所有應用都要求快速響應的紅外測溫儀。對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應時間的選擇要和被測目標的情況相適應。確定響應時間，主要根據(jù)目標的運動速度和目標的溫度變化速度。對于靜止的目標或目標參在熱慣性，或現(xiàn)有控制設備的速度受到限制，紅外測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。
4.6紅外測溫儀信號處理功能：
鑒于離散過程（如零件生產）和連續(xù)過程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如測溫傳送帶上的瓶子時，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內。否則紅外測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設置紅外測溫儀響應時間稍長于瓶子之間的時間間隔，這樣至少有一個瓶子總是處于測量之中。
4.7環(huán)境條件考慮：
紅外測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結果有很大影響，應予考慮并適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。當環(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)境影響并保護測溫儀，實現(xiàn)準確測溫。在確定附件時，應盡可能要求標準化服務，以降低安裝成本。當在噪聲、電磁暢震動或難以接近環(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量能量信信號時，光纖雙色測溫儀是佳選擇。比色測溫儀是佳選擇。在噪聲、電磁暢震動和難以接近的環(huán)境條件下，或其他惡劣條件時，宜選擇光線比色測溫儀。
在密封的或危險的材料應用中（如容器或真空箱），測溫儀通過窗口進行觀測。材料必須有足夠的強度并能通過所用測溫儀的工作波長范圍。還要確定操作工是否也需要通過窗口進行觀察，因此要選擇合適的安裝位置和窗口材料，避免相互影響。在低溫測量應用中，通常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見光，人眼不能通過窗口觀察目標。如操作員需要通過窗口目標，應采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如應采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。
當測溫儀工作環(huán)境中存在氣體時，可選用本征安全型紅外測溫儀，從而在一定濃度的氣體環(huán)境中進行安全測量和監(jiān)視。
在環(huán)境條件惡劣復雜的情況下，可以選擇測溫頭和顯示器分開的系統(tǒng)，以便于安裝和配置。可選擇與現(xiàn)行控制設備相匹配的信號輸出形式。
4.8紅外測溫儀的標定：
紅外測溫儀必須經過標定才能使它正確地顯示出被測目標的溫度。如果所用的紅外測溫儀在使用中出現(xiàn)測溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標定。