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紅外測溫儀的概述

來源:林上科技   發布時間:2010/9/8 10:44:56  浏覽:

    紅外測溫儀的測溫原理是将物體(如鋼水)發射的紅外線具有的輻射能轉變成電信号,紅外線輻射能的大小與物體(如鋼水)本身的溫度相對應,根據轉變成電信号大小,可以确定物體(如鋼水)的溫度。

紅外測溫儀工作原理
    紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信号放大器及信号處理、顯示輸出等部分組成。光學系統彙聚其視場内的目标紅外輻射能量,視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置确定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變為相應的電信号。該信号經過放大器和信号處理電路,并按照儀器内部的算法和目标發射率校正後轉變為被測目标的溫度值。

    在自然界中,一切溫度高于絕對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 —— 與它的表面溫度有着十分密切的關系。因此,通過對物體自身輻射的紅外能量的測量,便能準确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适的模型,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、熱過程以及表面狀态和環境條件等因素有關。因此,為使黑體輻射定律适用于所有實際物體,必須引入一個與材料性質及表面狀态有關的比例系數,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,隻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标的溫度時首先要測量出目标在其波段範圍内的紅外輻射量,然後由測溫儀計算出被測目标的溫度。單色測溫儀與波段内的輻射量成比例;雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例。  

紅外測溫儀的系統組成
    紅外測溫采用逐點分析的方式,即把物體一個局部區域的熱輻射聚焦在單個探測器上,并通過已知物體的發射率,将輻射功率轉化為溫度。由于被檢測的對象、測量範圍和使用場合不同,紅外測溫儀的外觀設計和内部結構不盡相同,但基本結構大體相似,主要包括光學系統、光電探測器、信号放大器及信号處理、顯示輸出等部分組成,其基本結構如圖所示。  

現代發展
    紅外測溫技術已發展到可對有熱變化表面進行掃描測溫,确定其溫度分布圖像,迅速檢測出隐藏的溫差, 這就是.紅外熱像儀最先應用于軍事上,美國TI公司19“年研制出世界上第一台紅外掃描偵察系統。以後,紅外熱成像技術在西方國家陸續用于飛機、坦克、軍艦和其他武器上,作為偵察目标的熱瞄系統,大大提高了搜索、命中目标的能力。瑞典AGA公司生産的紅外熱像儀在民用技術上處于領先地位。但是,怎樣使紅外測溫技術得到廣泛應用,目前仍然是一個值得研究的應用課題。

選擇紅外測溫儀,選擇紅外測溫儀可分為三個方面:
    性能指标方面,如溫度範圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、響應時間等;環境和工作條件方面,如環境溫度、窗口、顯示和輸出、保護附件等;其他選擇方面,如使用方便、維修和校準性能以及價格等,也對測溫儀的選擇産生一定的影響。随着技術和不斷發展,紅外測溫儀最佳設計和新進展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器,擴大了選擇餘地。

确定測溫範圍
    溫範圍是測溫儀最重要的一個性能指标。如TIME(時代)、Raytek(雷泰)産品覆蓋範圍為-50℃-+3000℃,但這不能由一種型号的紅外測溫儀來完成。每種型号的測溫儀都有自己特定的測溫範圍。因此,用戶的被測溫度範圍一定要考慮準确、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将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。

确定目标尺寸
    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,被測目标面積應充滿測溫儀視場。建議被測目标尺寸超過視場大小的50%為好。如果目标尺寸小于視場,背景輻射能量就會進入測溫儀的視聲符支幹擾測溫讀數,造成誤差。相反,如果目标大于測溫儀的視場,測溫儀就不會受到測量區域外面的背景影響。
     對于Raytek(雷泰)雙色測溫儀,其溫度是由兩個獨立的波長帶内輻射能量的比值來确定的。因此當被測目标很小,沒有充滿現場,測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時,都不會對測量結果産生影響。甚至在能量衰減了95%的情況下,仍能保證要求的測溫精度。對于目标細小,又處于運動或振動之中的目标;有時在視場内運動,或可能部分移出視場的目标,在此條件下,使用雙色測溫儀是最佳選擇。如果測溫儀和目标之間不可能直接瞄準,測量通道彎曲、狹小、受阻等情況下,雙色光纖測溫儀是最佳選擇。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,因此可以測量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場的目标。

确定光學分辨率(距離及靈敏)
    光學分辨率由D與S之比确定,是測溫儀到目标之間的距離D與測量光斑直徑S之比。如果測溫儀由于環境條件限制必須安裝在遠離目标之處,而又要測量小的目标,就應選擇高光學分辨率的測溫儀。光學分辨率越高,即增大D:S比值,測溫儀的成本也越高。

确定波長範圍
    目标材料的發射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應或波長。對于高反射率合金材料,有低的或變化的發射率。在高溫區,測量金屬材料的最佳波長是近紅外,可選用0.18-1.0μm波長。其他溫區可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長。由于有些材料在一定波長是透明的,紅外能量會穿透這些材料,對這種材料應選擇特殊的波長。如測量玻璃内部溫度選用10μm、2.2μm和3.9μm(被測玻璃要很厚,否則會透過)波長;測量玻璃内部溫度選用5.0μm波長;測低區區選用8-14μm波長為宜;再如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長,聚醋類選用4.3μm或7.9μm波長。厚度超過0.4mm選用8-14μm波長;又如測火焰中的C02用窄帶4.24-4.3μm波長,測火焰中的C0用窄帶4.64μm波長,測量火焰中的N02用4.47μm波長。

确定響應時間
    響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度,定義為到達最後讀數的95%(雙色比色光纖隻需需5%能量)能量所需要時間,它與光電探測器、信号處理電路及顯示系統的時間常數有關。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。如果目标的運動速度很快或測量快速加熱的目标時,要選用快速響應紅外測溫儀,否則達不到足夠的信号響應,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。對于靜止的或目标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标的情況相适應。

為什麼使用紅外測溫儀
    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,伱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 )的功能狀态,伱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産生熱,紅外測溫儀有助于識别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内,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。
   精确 紅外測溫儀通常精度都是 1 度以内。這種性能在做預防性維護時特别重要,如監視惡劣生産條件和将導緻設備損壞或停機的特别事件時。用紅外測溫儀,伱甚至可快速探測操作溫度的微小變化,在其萌芽之時就可将問題解決,減少因設備故障造成的開支和維修的範圍。
   安全 紅外測溫儀能夠安全地讀取難以接近的或不可到達的目标溫度 ,可以在儀器允許的範圍内讀取目标溫度。非接觸溫度測量還可在不安全的或接觸測溫較困難的區域進行,精确測量就象在手邊測量一樣容易。

紅外測溫儀 在設備故障診斷時 的使用
    設備故障紅外診斷最核心的問題,是要求準确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,将是提高檢測設備表面溫度準确性的關鍵環節。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,可能導緻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确度,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。

運行狀态的影響與對策
    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,将直接影響到紅外檢測與故障診斷的效果。洩漏電流的增大,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。隻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,故障判斷标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标紅外輻射功率相同的情況下,因目标的表面發射率不同,将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态 ( 如表面氧化情況,塗層材料,粗糙程度及污穢狀态等 ) 。因此為了應用紅外熱像儀器準确地測量電氣設備溫度,必須要知道受檢目标的發射率值,并将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,可以運用敷塗适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裡的,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随着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,所以其衰減是随距離的增大而增加,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标能量減少,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,大氣組合的影響将會越來越大。而且又要獲得目标溫度準确性,必須采取如下對策:盡量選擇在環境大氣比較幹燥、潔淨的時節進行檢測;在不影響安全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
    不良的氣象環境(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。這些輻射都将對設備待測部位的溫度造成幹擾,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,對戶内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,應該采取适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,找到能避開反射的最佳角度進行檢測。
    為減少太陽輻射及周圍高溫背景的輻射影響,可在檢測時采取适當的遮擋措施,或者在紅外熱像儀器上加裝适當的紅外濾光片,以便濾除太陽及其他背景輻射。
    選擇參數适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幹擾。

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