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                红外测ξ 温仪工█作原理及应用

                点击次数:3601 发布时间:2008/10/22
                提 供 商: 重庆智胜机电仪表有限公司 资料大小:
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                相关产品:
                详细介绍:

                了ζ解红外ω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◥测温仪的基础。
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                一、红外测温仪工作原理
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                   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。
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                   在自然界中,一切温度高于零度的物体↓都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布 —— 与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定它的表面温度,这就是红外辐射测温所依据的客观基础。
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                  黑体是一种理想化的辐射体,它吸收所有波长的辐射能量,没有能量∞的反射和透过,其表面的发射率为 1 。但是,自然界中存在的实际物体,几乎都不是黑体,为了弄清和获得红外辐射分布规律,在理论研究中必须选择合适的模型,这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型,从而导出了普朗克黑体辐射的定律,即以波长表↙示的黑体光谱辐射度,这是一切红外辐射理◤论的出发点,故称 黑体辐射定律 。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之㊣外,还与构成【物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此,为使黑体辐☉射定律适用于所有实际物体,必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比】例系数,即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度,其值在零和小于 1 的数值之间。根据辐射定律,只要知道了材料的发射率,就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因纱在Ψ:材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。
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                  当用红外辐射测温仪测←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。
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                二、正确选择红外测温㊣ 仪
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                  随着技术和不断发展,红外测温仪zui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。在选择测㊣温仪型号时应首先确定测量要求,如被测目标卐温度【,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zui佳搭配。其他选择∩方面,如使用方便、维修和校准性能等。
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                1 、确定测温范围
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                  确定测温范围:测温范№围是测温仪zui重要的一个性能指标。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。如 Raytek (雷泰)产品覆盖范围为 -50 ℃ - +3000 ℃ ,但这不能由一种型号↑的红外测温仪来完成。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ζ一温度的型号很多,如 3iLR3 , 3i2M , 3i1M 。如果测量精度是主要的,zui好选用 2M 或 1M 型号的,因为如果选〓用 3iLR 型,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 。
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                2 、确定目标尺寸
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                  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 " ( spot size )就是测温仪测量点的面积。您距离目标越远,光点尺寸就越ω 大。
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                  红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪(辐射比色测温仪)。对于单色测温仪,在进行测温⊙时,被测目标面积应充满测温仪视场。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卐的视声符◣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,测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。对于比色测温『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,都不会对测量结果产生ㄨ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。对于细小而又处于运动或震动之中的目标,比色测温仪◥是zui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,因此可以测量难以▓接近、条件恶劣或靠近电磁场的目标。
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                3 、确定距♀离系数(光学分辨率)
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                  距离系数由 D : S 之比确定,即测温仪探头到目标之间的距离 D 与被测目标直径之比。光学分辨率越高,即增大 D : S 比值,测温仪的成本也△越高。如果测」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测温仪。对于固定焦距的测←温仪,在光学系统焦点处为光斑zui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zui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。
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                4 、确定波长范围
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                  目标材料的发射㊣率和表面特性决定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zui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 。
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                5 、确定响应①时间
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                  响应时间定义为到达zui后读数的 95% 能量所︼需要的时间,表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度,它ξ 与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。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。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,响应∩时间就可以放宽要求了。
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                6 、信号处理功能
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                  鉴于离ㄨ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。否则测温仪读★出瓶子之间的较低的温度值。若用峰值保持,设置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。
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                7 、环境条件考虑
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                  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Ψ 件时,应尽可能要求标准化服务,以降低〓安装成本。当在噪声、电磁场、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zui佳选择。在噪声、电磁场、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。
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                QeZ K&^W
                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。
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                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 ZnSe 或 BaF2 等作为窗口材料。
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                当测温仪工作环境中存在易燃气体时,可选用本征安全型红外测温仪,从而在一定浓度的易燃气体环境中进行安全测量和监视。
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                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。
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                三、为什么使用红外测●温仪
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                   红外测温仪已被证实是检测和诊断电子设备故障的有效工ζ 具。可节省大量开支,用红ξ 外测温仪,你可连续诊断电子连接问题和通过查找在 DC 电池上的输出滤波器连接处的热点,以检测不间断电源( UPS )的功能状★态,你可检验电池组件和功率配电盘接线端子,开关齿轮或保∏险丝连接,防止能源消耗;由于松的连接器和组合会产生热,红外测温】仪有助于识别回路中断器的绝缘ξ故障 . 或监视电子压缩¤机;日常扫描变压器的热点可探测开裂的绕组和接线端子。
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                使用红外测温仪的好处
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                便捷 红外测温仪可快速提〓供温度测量,在用热偶读取一个渗漏连接点的时间内,用红外测温仪几乎可以读取所有连接点的温度。另外由于红外测温仪坚◎实 . 轻巧,且不用时易于放在皮套中。在工厂巡视和日常检验工作时都可携带。
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                红外测温仪通常◣精度都是 1 度以内。这种性能在做预防性维护时特别重要,如监视恶劣生产条件和将导致设备损坏或停机的特别事件时。用红外测温仪,你甚至可快速探测操作温度的微小变化,在其萌芽之时就可将问题解决,减少因设备故障造成的开支和维修的范围。
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                安全 红外测温仪能够安♀全地读取难以接近的或不可到达的目标温度 ,可以在仪器允许的范围内读取♀目标温度。非接触温度测量还可在不安全的或接触测温较困难的区域〗进行,测量就象在手边测◣量一样容易。
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                四、红外测温仪 在设备故障ω诊断时 的使用
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                   设备故障红外诊断zui核心的问题,是要求准确地获得被测设备的温度分布或故※障相关部位温度值与温升值。这个温度信息不仅是判断设备有无故障的□依据,也是判断故障属性、位置、严重程度的◤客观依据。因此,对被测设备故障相关部位温度的计算与合理修正,将是提高检测设备表面温度准确性的关▅键环节。然而在现场进行设备红外检测时,由于检测条件和环境的影响变化,可能导致同一设备因检测条件▓不同,而得到不同的结果。因此,为了提高红外检测的准确度,必须对现场检测过程中或对检测结果的【分析处理中,采取相应的对策与措施或选择良好的检测〇条件,或对检测现场结果进行合理的修正。
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                9J $"Qt5;6
                运行状◣态的影响与对策
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                电气设√备故障无论是电流效应引起的发热故障 ( 导电◆回路故障 ) ,发热功率与负荷电流值的平方成正比。电压效应引起的发热①故障 ( 绝缘介质故障 ) ,发热功率与运行电压的平方Ψ 成正比。因此,设备的№工作电压和负荷电流的大小,将直接影响到红外检测与故障诊断的效果。泄漏电流的增大,能造ㄨ成高压设备部分电压不均匀。如果没有加载运行或者负荷很低,则会使设备故障发热不明显,即使存在较严重的故障,也不可能因特征性热异常的形式暴露出来。只有当设备在额定电压下运行,而且负荷越大时,发热及温升才越严重,故障点的特征性热异常也暴露得越明显。因此在进行红外检测时,为了能够取得可靠的检←测效果,要尽量保证设备在额定电压和满负荷下运行,即使不能做到连续满负荷运行,也应▲编制一个运行方案,以便在检测前和检测过程中,能让设备满负荷运行一段〇时间 ( 如 4 ~ 6h) ,使设备故障部位有足够的发热时间,并保证其表面『达到稳定温升。
                +IkL=/";#
                由于电气设备故障红外诊断时,故障判断标准往往是以设备在额定电流时的温升为依据,因此当检测时实际运行电流小于额定电流时,应该是现场实际测量的设备故障点温升换算为额定电流的温升。
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                设备表面发射率的影响与对策
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                任何红外测量仪器都是通●过测量电气设备表面红外辐射功率,来获得设备温度信息的。并且在红外诊断∑ 仪器接收来自目标红外辐射功率相同的情况下,因目标的表面发射率不同,将会得到不同的检测结果。也就是说,相ζ 同辐射功率,发射率越低,就会显示越高的温度。因物体表面发射率主要决定于材料性质和¤表面状态 ( 如表面氧化情况,涂层材料,粗☆糙程度及污秽状态等 ) 。因此为了应用红外热像仪▓器准确地测量电气设备温度,必须要知道受检目标的发射率值,并将该值作为计算温度的重要参数输入▼计算机或者调整红外测量仪的ε修正值,以便对所测量的温度输出值进行发射率修正。消除发射率对检测结果影响的另外两种对策措施是:当使用红外热像仪进行测量时,要对发射进行修正,查出被测设备∮部件表面的发射率值进行发射率修正,从而♀获得可靠的测温结果,提◎高检测的可靠性;对于红外检测的故障频发设备部件,为ㄨ使检测结果具有良好的可比性,可以运用敷涂适当漆料的方法来增大和稳定其发射率值,以便获得被测设备表面的真实温度。
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                大气衰减的影响︽与对策
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                由于受检电气设备表面红外辐射能量,是经大气传输到红外检测仪器里的,这就会受到大气组合中的水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳等气体分子的吸】收衰减和◥空气中悬浮微粒的散射而衰减,设备〓辐射能量传输的衰减随着检测仪器到被测设备之间的距离,降低了被测↓设备辐射的透过率,所以♀其衰减是随距离的增大而增加,降低受检设备∏故障部位与正常部位的辐射对比度,也会因为红外仪器接收到的目标能量减少,使得仪器显示出来的温度低于被测故障点的实际温度值,从而造成漏¤检或误诊断。尤其对于检测温升较低的设备故障时,这是很不利的。检测距离增大,大气组合的影响将会∮越来越大。而且又要获得目标温度准确性,必须采取如下对策:尽量选择在ぷ环境大气比较干燥、洁净的时节进行检测;在不影响安全①的条件下尽可能缩短检测距离,还要对温度测量结果进行合理的距离修正,以便测▆得实际温度值。
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                气象条件的▂影响
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                不良的气象环境(雨、雪、雾及大风力等),会对设备温度㊣检测带来不利的影响,往往会给出虚假的故障现象。为了减少气象条件的影响,尽量在无雨、无雾、无风和环境温度较稳定的夜晚进行检测。
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                环境及背景辐射的影响与对策
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                在进行户外电力设备红外检测时,检测仪器接收√的红外辐射除了包括受检设备相应部位自身发射的辐射以外,还会包括设◣备其他部位和背景的反射,以及直接射入太阳辐射。这些辐射都将对设备待测部位的温度造成干扰,对故障检测带〒来误差。为了减少环境与背景辐射的影响,应采取№如下对策措施:
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                对户外电气设备的现场红外检测,尽可能选择在阴天或者在日落左右◤傍晚无光照时间进行。这样可以防止直接入射、反射和散射的太阳辐射影响,对户内设备可以采用关掉照明灯,以及要避开其他的辐射影响。
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                对于高@ 反射的设备表面,应该采取适当措施来减少对太阳辐射及周围高温物体辐射的影⊙响。或者改变检测角度,找到能避开反射的zui佳角度∏进行检测。
                gv}J "a nD
                为减少太阳辐射及周围高温背景的辐射影响,可在检测时╱采取适当的遮挡措施,或者在红外热像仪器上加装适当的红外滤卐光片,以便滤除太阳及其他背景辐▽射。
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                选择参数适宜的仪器和检测距离进行检测,使受检测的设备部位充『满仪器视场,从而减少背景辐射的干

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