紅外測溫儀工作原理及應用

紅外測溫儀工作原理及應用

了解紅外測溫儀的工作原理、技術指標、環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礎。

一、紅外測溫儀工作原理

    紅外測溫儀由光學系統、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為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內療的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。

    在自然界中，一切溫度高于**零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。
　　黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發射率為1。但是，自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體，為了弄清和獲得紅外輻射分布規律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發點，故稱黑體輻射定律。所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態和環境條件等因素有關。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實際物體，必須引入一個與材料性質及表面狀態有關的比例系數，即發射率。該系數表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數值之間。根據輻射定律，只要知道了材料的發射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發射率的主要因紗在：材料種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。
　　當用紅外輻射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。

二、正確選擇紅外測溫儀
　　隨著技術和不斷發展，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。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，目標所處環境，響應速度，測量精度，用便攜式還是在線式等等；在現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。其他選擇方面，如使用方便、維修和校準性能等。

1 、確定測溫范圍

 　 確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀*重要的一個性能指標。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。如 Raytek （雷泰）產品覆蓋范圍為 -50 ℃ - +3000℃，但這不能由一種型號的紅外測溫儀來完成。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 。如果測量精度是主要的，*好選用 2M 或 1M 型號的，因為如果選用 3iLR 型，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 。

2 、確定目標尺寸

　　為了獲得**的溫度讀數，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 ” （ spot size ）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。
　　紅外測溫儀根據原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色測溫儀，在進行測溫時，被測目標面積應充滿測溫儀視場。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，造成誤差。相反，如果目標大于測溫儀的視場，測溫儀就不會受到測量區域外面的背景影響。對于比色測溫儀，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，因此可以測量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場的目標。

3 、確定距離系數（光學分辨率）

 　 距離系數由 D ： S之比確定，即測溫儀探頭到目標之間的距離 D與被測目標直徑之比。光學分辨率越高，即增大 D ： S 比值，測溫儀的成本也越高。如果測溫儀由于環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測溫儀。對于固定焦距的測溫儀，在光學系統焦點處為光斑*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。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，可根據到目標的距離進行調節。增大 D ： S ，接收的能量就減少，如不增大接收口徑，距離系數 D ： S 很難做大，這就要增加儀器成本。

4 、確定波長范圍

　　目標材料的發射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發射率。在高溫區，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 。

5 、確定響應時間

 　 響應時間定義為到達*后讀數的 95%能量所需要的時間，表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統的時間常數有關。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目標的運動速度和目標的溫度變化速度。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，響應時間就可以放寬要求了。

6 、信號處理功能

 　鑒于離散過程（如零件生產）和連續過程不同，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。否則測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設置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。

7 、環境條件考慮

 　測溫儀所處的環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、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環境影響并保護測溫儀，實現準確測溫。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、電磁場、震動或難以接近環境條件下，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。在噪聲、電磁場、震動和難以接近的環境條件下，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 ZnSe或 BaF2 等作為窗口材料。
• 當測溫儀工作環境中存在易燃氣體時，可選用本征**型紅外測溫儀，從而在一定濃度的易燃氣體環境中進行**測量和監視。
• 在環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，以便于安裝和配置。

三、為什么使用紅外測溫儀

    紅外測溫儀已被證實是檢測和診斷電子設備故障的有效工具。可節省大量開支，用紅外測溫儀，你可連續診斷電子連接問題和通過查找在DC 電池上的輸出濾波器連接處的熱點，以檢測不間斷電源（ UPS ）的功能狀態，你可檢驗電池組件和功率配電盤接線端子，開關齒輪或保險絲連接，防止能源消耗；由于松的連接器和組合會產生熱，紅外測溫儀有助于識別回路中斷器的絕緣故障 . 或監視電子壓縮機；日常掃描變壓器的熱點可探測開裂的繞組和接線端子。

使用紅外測溫儀的好處

• 便捷 紅外測溫儀可快速提供溫度測量，在用熱偶讀取一個滲漏連接點的時間內，用紅外測溫儀幾乎可以讀取所有連接點的溫度。另外由于紅外測溫儀堅實.輕巧，且不用時易于放在皮套中。在工廠巡視和日常檢驗工作時都可攜帶。
• ** 紅外測溫儀通常精度都是 1度以內。這種性能在做預防性維護時特別重要，如監視惡劣生產條件和將導致設備損壞或停機的特別事件時。用紅外測溫儀，你甚至可快速探測操作溫度的微小變化，在其萌芽之時就可將問題解決，減少因設備故障造成的開支和維修的范圍。
  **紅外測溫儀能夠**地讀取難以接近的或不可到達的目標溫度，可以在儀器允許的范圍內讀取目標溫度。非接觸溫度測量還可在不**的或接觸測溫較困難的區域進行，**測量就象在手邊測量一樣容易。

四、紅外測溫儀 在設備故障診斷時 的使用

   設備故障紅外診斷*核心的問題，是要求準確地獲得被測設備的溫度分布或故障相關部位溫度值與溫升值。這個溫度信息不僅是判斷設備有無故障的依據，也是判斷故障屬性、位置、嚴重程度的客觀依據。因此，對被測設備故障相關部位溫度的計算與合理修正，將是提高檢測設備表面溫度準確性的關鍵環節。然而在現場進行設備紅外檢測時，由于檢測條件和環境的影響變化，可能導致同一設備因檢測條件不同，而得到不同的結果。因此，為了提高紅外檢測的準確度，必須對現場檢測過程中或對檢測結果的分析處理中，采取相應的對策與措施或選擇良好的檢測條件，或對檢測現場結果進行合理的修正。

• 運行狀態的影響與對策
  電氣設備故障無論是電流效應引起的發熱故障 ( 導電回路故障 ) ，發熱功率與負荷電流值的平方成正比。電壓效應引起的發熱故障 ( 絕緣介質故障 ) ，發熱功率與運行電壓的平方成正比。因此，設備的工作電壓和負荷電流的大小，將直接影響到紅外檢測與故障診斷的效果。泄漏電流的增大，能造成高壓設備部分電壓不均勻。如果沒有加載運行或者負荷很低，則會使設備故障發熱不明顯，即使存在較嚴重的故障，也不可能因特征性熱異常的形式暴露出來。只有當設備在額定電壓下運行，而且負荷越大時，發熱及溫升才越嚴重，故障點的特征性熱異常也暴露得越明顯。因此在進行紅外檢測時，為了能夠取得可靠的檢測效果，要盡量保證設備在額定電壓和滿負荷下運行，即使不能做到連續滿負荷運行，也應編制一個運行方案，以便在檢測前和檢測過程中，能讓設備滿負荷運行一段時間 ( 如 4 ～ 6h) ，使設備故障部位有足夠的發熱時間，并保證其表面達到穩定溫升。
  由于電氣設備故障紅外診斷時，故障判斷標準往往是以設備在額定電流時的溫升為依據，因此當檢測時實際運行電流小于額定電流時，應該是現場實際測量的設備故障點溫升換算為額定電流的溫升。
• 設備表面發射率的影響與對策
  任何紅外測量儀器都是通過測量電氣設備表面紅外輻射功率，來獲得設備溫度信息的。并且在紅外診斷儀器接收來自目標紅外輻射功率相同的情況下，因目標的表面發射率不同，將會得到不同的檢測結果。也就是說，相同輻射功率，發射率越低，就會顯示越高的溫度。因物體表面發射率主要決定于材料性質和表面狀態( 如表面氧化情況，涂層材料，粗糙程度及污穢狀態等 ) 。因此為了應用紅外熱像儀器準確地測量電氣設備溫度，必須要知道受檢目標的發射率值，并將該值作為計算溫度的重要參數輸入計算機或者調整紅外測量儀的ε修正值，以便對所測量的溫度輸出值進行發射率修正。消除發射率對檢測結果影響的另外兩種對策措施是：當使用紅外熱像儀進行測量時，要對發射進行修正，查出被測設備部件表面的發射率值進行發射率修正，從而獲得可靠的測溫結果，提高檢測的可靠性；對于紅外檢測的故障頻發設備部件，為使檢測結果具有良好的可比性，可以運用敷涂適當漆料的方法來增大和穩定其發射率值，以便獲得被測設備表面的真實溫度。
• 大氣衰減的影響與對策
  由于受檢電氣設備表面紅外輻射能量，是經大氣傳輸到紅外檢測儀器里的，這就會受到大氣組合中的水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳等氣體分子的吸收衰減和空氣中懸浮微粒的散射而衰減，設備輻射能量傳輸的衰減隨著檢測儀器到被測設備之間的距離，降低了被測設備輻射的透過率，所以其衰減是隨距離的增大而增加，降低受檢設備故障部位與正常部位的輻射對比度，也會因為紅外儀器接收到的目標能量減少，使得儀器顯示出來的溫度低于被測故障點的實際溫度值，從而造成漏檢或誤診斷。尤其對于檢測溫升較低的設備故障時，這是很不利的。檢測距離增大，大氣組合的影響將會越來越大。而且又要獲得目標溫度準確性，必須采取如下對策：盡量選擇在環境大氣比較干燥、潔凈的時節進行檢測；在不影響**的條件下盡可能縮短檢測距離，還要對溫度測量結果進行合理的距離修正，以便測得實際溫度值。
• 氣象條件的影響
  **的氣象環境（雨、雪、霧及大風力等），會對設備溫度檢測帶來不利的影響，往往會給出虛假的故障現象。為了減少氣象條件的影響，盡量在無雨、無霧、無風和環境溫度較穩定的夜晚進行檢測。
• 環境及背景輻射的影響與對策
  在進行戶外電力設備紅外檢測時，檢測儀器接收的紅外輻射除了包括受檢設備相應部位自身發射的輻射以外，還會包括設備其他部位和背景的反射，以及直接射入太陽輻射。這些輻射都將對設備待測部位的溫度造成干擾，對故障檢測帶來誤差。為了減少環境與背景輻射的影響，應采取如下對策措施：
  • 對戶外電氣設備的現場紅外檢測，盡可能選擇在陰天或者在日落左右傍晚無光照時間進行。這樣可以防止直接入射、反射和散射的太陽輻射影響，對戶內設備可以采用關掉照明燈，以及要避開其他的輻射影響。
  • 對于高反射的設備表面，應該采取適當措施來減少對太陽輻射及周圍高溫物體輻射的影響。或者改變檢測角度，找到能避開反射的*佳角度進行檢測。
  • 為減少太陽輻射及周圍高溫背景的輻射影響，可在檢測時采取適當的遮擋措施，或者在紅外熱像儀器上加裝適當的紅外濾光片，以便濾除太陽及其他背景輻射。
  • 選擇參數適宜的儀器和檢測距離進行檢測，使受檢測的設備部位充滿儀器視場，從而減少背景輻射的干擾。

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