Principiul teoretic și aplicarea termometrului cu infraroșu
Există multe moduri de a măsura temperatura. Termometrele pot fi împărțite în două tipuri: instrumente de măsurare a temperaturii de contact și instrumente de măsurare a temperaturii fără contact. Tipul de contact include termometrul de lichid familiar, termocuplul termometru și termometrul de rezistență termică etc. După cum știm cu toții, temperatura este unul dintre cei mai importanți parametri în sistemele de încălzire, alimentare cu gaz, ventilație și aer condiționat. În special în procesul de măsurare a ingineriei termice, acuratețea temperaturii este adesea cheia succesului sau eșecului experimentului. Prin urmare, un instrument de măsurare a temperaturii de înaltă precizie este esențial în inginerie. Prin urmare, acest articol prezintă câteva principii și aplicații ale termometrelor cu infraroșu în instrumentele de măsurare a temperaturii.
Principiul teoretic al măsurării temperaturii în infraroșu:
În natură, atunci când temperatura unui obiect este mai mare decât zero absolut, datorită existenței unei mișcări termice interne, acesta va radia continuu unde electromagnetice în împrejurimi, inclusiv raze infraroșii cu o bandă de undă de 0.75µm~ 100 µm. Caracteristica sa este că la o temperatură și o lungime de undă date, energia radiantă emisă de un obiect are o valoare maximă. Acest tip de material se numește corp negru, iar coeficientul său de reflexie este setat la 1. Coeficientul de reflexie al altor materiale este mai mic de 1, numit Este un corp gri, deoarece puterea radiației spectrale P(λT) a corpului negru. iar temperatura maximă T satisface determinarea lui Planck. Acesta arată că la temperatura maximă T, puterea de radiație a corpului negru pe unitate de suprafață la lungimea de undă λ este P(λT).
Pe măsură ce temperatura crește, energia radiantă a obiectului devine mai puternică. Acesta este punctul de plecare al teoriei radiației infraroșii și baza de proiectare a termometrului cu infraroșu cu bandă unică.
Pe măsură ce temperatura crește, vârful de radiație se deplasează în direcția undei scurte (spre stânga) și satisface teorema deplasării Wien, lungimea de undă la vârf este invers proporțională cu temperatura maximă T, iar linia punctată este linia legând vârful. Această formulă ne spune de ce termometrele de temperatură înaltă funcționează mai ales la unde scurte, iar termometrele de temperatură joasă funcționează mai ales la unde lungi.
Rata de schimbare a energiei radiante cu temperatura este mai mare la unda scurtă decât la unda lungă, adică termometrul care lucrează la unda scurtă are un raport semnal-zgomot relativ ridicat (sensibilitate ridicată) și puternic anti-interferență. Termometrul ar trebui să încerce să aleagă să funcționeze la lungimea de undă de vârf. În special în cazul temperaturii scăzute și a țintelor mici, acest lucru este deosebit de important.
Doi: Termometrul cu infraroșu este compus din sistem optic, detector fotoelectric, amplificator de semnal, procesare a semnalului, ieșire de afișare și alte părți. Radiația de la obiectul măsurat și sursa de feedback este modulată de modulator și apoi introdusă la detectorul infraroșu. Diferența dintre cele două semnale este amplificată de antiamplificator și controlează temperatura sursei de feedback, astfel încât radiația spectrală a sursei de feedback să fie aceeași cu cea a obiectului. Afișajul indică temperatura de luminozitate a obiectului măsurat
Indicatori de performanță și selecția a trei termometre cu infraroșu:
Indicatorii de performanță ai termometrelor cu infraroșu includ: intervalul de măsurare a temperaturii, rezoluția afișajului, precizia, intervalul de temperatură a mediului de lucru, repetabilitate, umiditatea relativă, timpul de răspuns, sursa de alimentare, spectrul de răspuns, dimensiunea, afișarea valorii maxime, greutatea, emisivitatea etc. la următoarele la selectare:
1. Determinați intervalul de măsurare a temperaturii: intervalul de măsurare a temperaturii este cel mai important indice de performanță al termometrului. Fiecare tip de termometru are propriul său interval de temperatură specific. Prin urmare, intervalul de temperatură măsurat de utilizator trebuie luat în considerare cu acuratețe și cuprinzător, nici prea îngust, nici prea larg. Conform legii radiației corpului negru, în banda de lungime de undă scurtă a spectrului, modificarea energiei radiante cauzată de temperatură va depăși modificarea energiei radiante cauzată de eroarea de emisivitate.
2 Determinați dimensiunea țintei: Termometrele cu infraroșu pot fi împărțite în termometre cu o singură culoare și termometre cu două culori (termometre colorimetrice cu radiații) conform principiului. Pentru un termometru monocromatic, atunci când se măsoară temperatura, zona țintei de măsurat ar trebui să umple câmpul vizual al termometrului. Se recomandă ca dimensiunea țintei măsurată să depășească 50% din câmpul vizual. Dacă dimensiunea țintei este mai mică decât câmpul vizual, energia radiației de fundal va intra în simbolurile vizuale și acustice ale termometrului și va interfera cu citirile de măsurare a temperaturii, provocând erori. În schimb, dacă ținta este mai mare decât câmpul vizual al pirometrului, pirometrul nu va fi afectat de fundalul din afara zonei de măsurare. Pentru un pirometru cu două culori, temperatura este determinată de raportul energiei radiante în două benzi independente de lungime de undă. Prin urmare, atunci când ținta de măsurat este mică, nu umple câmpul vizual și există fum, praf și obstacole pe calea de măsurare, care atenuează energia radiației, aceasta nu va avea un impact semnificativ asupra rezultatelor măsurării. . Pentru ținte mici și în mișcare sau vibratoare, termometrul în două culori este cea mai bună alegere. Acest lucru se datorează diametrului mic al razelor de lumină și flexibilității acestora de a transporta energia radiantă a luminii pe canale curbe, blocate și pliate.
3 Determinați coeficientul de distanță (rezoluție optică): Coeficientul de distanță este determinat de raportul D:S, adică raportul dintre distanța D dintre sonda termometrului și țintă și diametrul țintei măsurate. Dacă termometrul trebuie instalat departe de țintă din cauza condițiilor de mediu și trebuie măsurată o țintă mică, trebuie selectat un termometru cu rezoluție optică mare. Cu cât rezoluția optică este mai mare, adică creșterea raportului D:S, cu atât costul pirometrului este mai mare. Dacă termometrul este departe de țintă și ținta este mică, trebuie selectat un termometru cu un coeficient de distanță mare. Pentru un pirometru cu o distanta focala fixa, punctul focal al sistemului optic este cea mai mica pozitie a spotului, iar spotul apropiat si departe de punctul focal va creste. Există doi factori de distanță.
4. Determinați intervalul de lungimi de undă: emisivitatea și caracteristicile de suprafață ale materialului țintă determină lungimea de undă corespunzătoare a spectrului pirometrului. Pentru materialele din aliaj cu reflectivitate mare, există emisivitate scăzută sau variabilă. În zona cu temperaturi ridicate, cea mai bună lungime de undă pentru măsurarea materialelor metalice este infraroșu apropiat și pot fi selectați 0.8-1.0 μm. Alte zone de temperatură pot alege 1,6 μm, 2,2 μm și 3,9 μm. Deoarece unele materiale sunt transparente la o anumită lungime de undă, energia infraroșie va pătrunde în aceste materiale și ar trebui să fie selectată o lungime de undă specială pentru acest material.
5 Determinați timpul de răspuns: timpul de răspuns indică viteza de reacție a termometrului cu infraroșu la schimbarea de temperatură măsurată, care este definită ca timpul necesar pentru a atinge 95% din energia citirii finale și este legată de constanta de timp. a fotodetectorului, circuitul de procesare a semnalului și sistemul de afișare. Dacă viteza de mișcare a țintei este foarte rapidă sau când se măsoară o țintă cu încălzire rapidă, trebuie selectat un termometru cu infraroșu cu răspuns rapid, altfel nu se va obține un răspuns suficient al semnalului, iar precizia măsurării va fi redusă. Cu toate acestea, nu toate aplicațiile necesită un termometru cu infraroșu cu răspuns rapid. Pentru procesele termice statice sau țintă cu inerție termică, timpul de răspuns al pirometrului poate fi relaxat.
6. Funcția de procesare a semnalului: Având în vedere diferența dintre procesul discret (cum ar fi producția de piese) și procesul continuu, termometrul cu infraroșu trebuie să aibă mai multe funcții de procesare a semnalului (cum ar fi menținerea vârfului, menținerea în vale, valoarea medie) pentru alegeți dintre, cum ar fi măsurarea temperaturii pe banda transportoare Când sticla este utilizată, este necesar să folosiți valoarea de vârf pentru a menține, iar semnalul de ieșire al temperaturii sale este trimis controlerului. În caz contrar, termometrul indică o valoare mai mică a temperaturii între sticle. Dacă utilizați menținerea maximă, setați timpul de răspuns al termometrului să fie puțin mai lung decât intervalul de timp dintre sticle, astfel încât cel puțin o sticlă să fie întotdeauna în măsură să fie măsurată.
7 Luarea în considerare a condițiilor de mediu: Condițiile de mediu ale termometrului au o mare influență asupra rezultatelor măsurătorilor, care ar trebui luate în considerare și rezolvate în mod corespunzător, altfel vor afecta precizia măsurării temperaturii și chiar vor cauza daune. Când temperatura ambientală este ridicată și există praf, fum și abur, se pot selecta capacul de protecție, răcirea cu apă, sistemul de răcire cu aer, purgatorul de aer și alte accesorii furnizate de producător. Aceste accesorii pot aborda eficient influențele mediului și pot proteja termometrul pentru măsurarea exactă a temperaturii. Atunci când specificați accesorii, trebuie solicitat un serviciu standardizat pe cât posibil pentru a reduce costurile de instalare.
8. Calibrarea termometrului cu radiații infraroșii: termometrul cu infraroșii trebuie calibrat astfel încât să poată afișa corect temperatura țintei măsurate. Dacă măsurarea temperaturii termometrului utilizat este în afara toleranței în timpul utilizării, acesta trebuie returnat producătorului sau centrului de reparații pentru recalibrare.
Caracteristicile celor patru termometre cu infraroșu
1. Măsurare fără contact: nu trebuie să atingă interiorul sau suprafața câmpului de temperatură măsurat, astfel încât nu va interfera cu starea câmpului de temperatură măsurat, iar termometrul în sine nu va fi deteriorat de câmpul de temperatură.
2. Domeniu larg de măsurare: Deoarece este o măsurătoare de temperatură fără contact, termometrul nu se află într-un câmp de temperatură mai mare sau mai scăzută, ci funcționează la o temperatură normală sau în condițiile permise de termometru. În circumstanțe normale, poate măsura minus zeci de grade până la mai mult de trei mii de grade.
3. Viteză rapidă de măsurare a temperaturii: adică timp de răspuns rapid. Atâta timp cât este recepționată radiația infraroșie a țintei, temperatura poate fi fixată într-un timp scurt.
4. Precizie ridicată: Măsurarea temperaturii în infraroșu nu va distruge distribuția temperaturii obiectului în sine, precum măsurarea temperaturii de contact, astfel încât precizia măsurării este mare.
5. Sensibilitate ridicată: Atâta timp cât există o mică schimbare a temperaturii obiectului, energia radiației se va schimba foarte mult, ceea ce este ușor de detectat. Poate măsura temperatura unui câmp de temperatură mic și
6. Măsurarea distribuției temperaturii și măsurarea temperaturii obiectelor în mișcare sau în rotație. Durată de viață sigură și lungă.
Dezavantajele celor cinci termometre cu infraroșu:
1. Vulnerabil la factorii de mediu (temperatura ambientală, praful din aer etc.)
2. Are o mare influență asupra citirii temperaturii suprafeței metalice strălucitoare sau lustruite
3. Limitat doar la măsurarea temperaturii exterioare a obiectului, este incomod să măsurați temperatura din interiorul obiectului și atunci când există obstacole
Precauții pentru utilizarea a șase termometre cu infraroșu:
(1) Emisivitatea obiectului testat trebuie determinată cu precizie;
(2) Evitați influența obiectelor cu temperatură ridicată în mediul înconjurător;
(3) Pentru materiale transparente, temperatura ambiantă ar trebui să fie mai mică decât temperatura obiectului măsurat;
(4) Termometrul trebuie aliniat vertical pe suprafața obiectului de măsurat și în niciun caz unghiul nu trebuie să depășească 30 de grade.
(5) Nu poate fi utilizat pentru măsurarea temperaturii pe suprafețe metalice strălucitoare sau lustruite și nu poate fi utilizat pentru măsurarea temperaturii prin sticlă;
(6) Alegeți corect coeficientul de urmărire, diametrul țintă trebuie să umple câmpul vizual;
(7) Dacă termometrul cu infraroșu este expus brusc la o diferență de temperatură ambientală de 20 de grade sau mai mare, datele de măsurare vor fi inexacte, iar valoarea temperaturii măsurată va fi luată după ce temperatura este echilibrată. .
Șapte planuri de îmbunătățire:
Deoarece termometrul cu infraroșu obișnuit este limitat doar la măsurarea temperaturii exterioare a obiectului, este incomod să măsurați temperatura din interiorul obiectului și atunci când există obstacole, astfel încât o secțiune de fibră optică poate fi adăugată la capul de detectare și o lentilă. cu un unghi mic de vizualizare poate fi instalat la capătul frontal, astfel încât energia radiantă a obiectului măsurat să treacă prin lentilă în interiorul fibrei optice. După reflexii multiple în fibra optică, aceasta este transmisă la detector. Deoarece fibra optică poate fi îndoită liber, radiația poate fi răsucită liber, ceea ce rezolvă problema măsurării temperaturii interne a obiectului și poate măsura temperatura unor locuri precum colțurile blocate de obstacole.
