3.紅外測溫
　　3.1紅外測溫儀器的種類
　　紅外測溫儀器主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀（點溫儀）。60年代我國研制成功第一臺紅外測溫儀1990年以后又陸續(xù)生產(chǎn)小目標、遠距離、適合電業(yè)生產(chǎn)特點的測溫儀器如西光IRT－1200D型、HCW－Ⅲ型、HCW－Ⅴ型；YHCW－9400型；WHD4015型（雙瞄準目標D 40mm可達15 m）、WFHX330型（光學瞄準目標D 50 mm可達30 m）。美國生產(chǎn)的PM－20、30、40、50、HAS－201測溫儀；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有較廣泛的應(yīng)用。DL－500 E可以應(yīng)用于110～500 kV變電設(shè)備上圖像清晰溫度準確。紅外熱像儀主要有日本TVS－2000、TVS－100美國PM－250瑞典AGA－ THV510、550、570。近期國產(chǎn)紅外熱像儀在昆明研制成功實現(xiàn)了國產(chǎn)化。
　　3.2紅外測溫儀工作原理
　　了解紅外測溫儀的工作原理、技術(shù)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礎(chǔ)。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(nèi)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(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值。除此之外還應(yīng)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。
　　一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)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(guān)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(jù)的客觀基礎(chǔ)。　
　　黑體輻射定律：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(fā)射率為1。應(yīng)該指出自然界中并不存在真正的黑體但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)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(fā)點故稱黑體輻射定律。
　　物體發(fā)射率對輻射測溫的影響：自然界中存在的實際物體幾乎都不是黑體。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(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。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(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)即發(fā)射率。該系數(shù)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(shù)值之間。根據(jù)輻射定律只要知道了材料的發(fā)射率就知道了任何物體的紅外輻射特性。
　　影響發(fā)射率的主要因紗在：材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路并按照儀器內(nèi)療的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)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。其性能說明如表1。
　　　　測溫范圍　　-32℃--400℃　　顯示分辯率　　　0.1℃(<199.1℃時 )
　　　　精度　　　　23 ℃時±1%　　工作環(huán)境溫度范圍　　0--50 ℃
　　　　重復性　　　23 ℃時±1%　　相對濕度　　　　　30 ℃時 10—95%
　　　　響應(yīng)時間　　500ms　　　　　電源　　　　　　　　9V
　　　　響應(yīng)光譜　　7 -18micron　　尺寸　　　　　　　137 × 41 × 196mm
　　　　最大值顯示　Have　　　　　 重量　　　　　　　270g
　　　　發(fā)射率　　　0.95Preset　　 防水　　　　　　　　根據(jù)消防部隊要求特殊制作
表1紅外測溫儀性能
　　為了獲得精確的溫度讀數(shù)測溫儀與測試目標之間的距離必須在合適的范圍之內(nèi)，凱恩汽車尾氣分析儀所謂“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。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(yīng)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”（object 1 ）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)的精確性。
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(yīng)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(chǎn)生一定的影響。
　　隨著技術(shù)和不斷發(fā)展紅外測溫儀最佳設(shè)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(yīng)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(yīng)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、功能和價格方面的最佳搭配。 
　　4.1確定測溫范圍
　　確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標。如Raytek（雷泰）產(chǎn)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。每種型號的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(yīng)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3iLR33i2M3i1M。如果測量精度是主要的最好選用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。 
　　4.2確定目標尺寸
　　紅外測溫儀根據(jù)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(yīng)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(shù)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(qū)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(nèi)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(jié)果產(chǎn)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最佳選擇。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）雙色測溫儀其溫度是由兩個獨立的波長帶內(nèi)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(jié)果產(chǎn)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(nèi)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最佳選擇。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標。
　　4.3確定距離系數(shù)（光學分辨率）
　　距離系數(shù)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。如果測溫儀由于環(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(yīng)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。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)）。如果測溫儀遠離目標而目標又小就應(yīng)選擇高距離系數(shù)的測溫儀。對于固定焦距的測溫儀在光學系統(tǒng)焦點處為光斑最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(yīng)大于焦點處光斑尺寸變焦測溫儀有一個最小焦點位置可根據(jù)到目標的距離進行調(diào)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確定波長范圍
　　目標材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應(yīng)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)測量金屬材料的最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(yīng)選擇特殊的波長。如測量玻璃內(nèi)部溫度選用1.0μm2.2μm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確定響應(yīng)時間
　　響應(yīng)時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度定義為到達最后讀數(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(guān)。Raytek（雷泰）新型紅外測溫儀響應(yīng)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(yīng)紅外測溫儀否則達不到足夠的信號響應(yīng)，會降低測量精度。然而并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)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(yīng)時間就可以放寬要求了。因此紅外測溫儀響應(yīng)時間的選擇要和被測目標的情況相適應(yīng)。確定響應(yīng)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(shè)備的速度受到限制測溫儀的響應(yīng)時間就可以放寬要求了。
　　4.6信號處理功能
　　鑒于離散過程（如零件生產(chǎn)）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(nèi)。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(shè)置測溫儀響應(yīng)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
　　測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響應(yīng)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(yīng)盡可能要求標準化服務(wù)以降低安裝成本。當在噪聲、電磁場、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最佳選擇。比色測溫儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場、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(yīng)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(yīng)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(yīng)采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料如應(yīng)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)境中存在易燃氣體時可選用本征安全型紅外測溫儀從而在一定濃度的易燃氣體環(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�？蛇x擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號輸出形式。
　　4.8紅外輻射測溫儀的標定
　　紅外測溫儀必須經(jīng)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。