新年送干货！红外测温仪测温技术探讨

【核心介绍】目前我司所使用的红外测温仪主要应用在在线设备的故障检测上，近年来发现红外测温仪的故障率较高，为此本文从黑体辐射原理出发分析了红外测温的工作原理，描述了物体的辐射功率与波长、温度之间的关系,即红外测温必须根据实际测温范围,选择不同的工作波长，从环境、反射率、距离系数等几个方面 探讨和分析了精确测温的主要影响因素，总结出日常工作中如何选择测温仪及使用测温仪的注意事项，为合理使用和正确维护红外测温仪提供理论依据，以此提高我司使用红外测温仪的测温技术。 　

红外测温仪测温技术探讨

梁惠冬

（广州地铁集团有限公司运营事业总部基地维修中心计量检测部）

 

    摘  要  目前我司所使用的红外测温仪主要应用在在线设备的故障检测上，近年来发现红外测温仪的故障率较高，为此本文从黑体辐射原理出发分析了红外测温的工作原理，描述了物体的辐射功率与波长、温度之间的关系,即红外测温必须根据实际测温范围,选择不同的工作波长，从环境、反射率、距离系数等几个方面 探讨和分析了精确测温的主要影响因素，总结出日常工作中如何选择测温仪及使用测温仪的注意事项，为合理使用和正确维护红外测温仪提供理论依据，以此提高我司使用红外测温仪的测温技术。

    关键词  黑体辐射;红外测温;环境;反射率;距离系数

    中图分类号:  TN215                           

 

Temperature Measurement Technology with Infrared Thermometer

Liang  Huidong

(Guangzhou metro operating enterprise  maintenance center measurement test department)

 

Abstract：At present, our infrared thermometer is mainly used in online fault detection of equipment. In recent years, infrared thermometer fault rate is high. This article analyzes the working principle of infrared temperature measurement based on the principle of blackbody radiation, describes the relationship between the radiation power and wavelength, the temperature of the object, which must select the different working wavelength based on infrared temperature measurement the actual temperature range. The main factors of accurate measurement and analysis are discussed from several environment, reflectivity, distance coefficient etc, how to choose the thermometer in daily work and announcements of using thermometer are summed up.It provides a theoretical basis for the rational use and maintenance of the infrared thermometer, and improves our the temperature measurement technology.

Key words : Blackbody radiation ;Infrared temperature measurement ;Environment ; Reflectance ; Distance coefficient

 

目前我司各单位所使用的红外测温仪数量已超过600台，型号大多为ST(雷泰)20系列。该仪器的使用温度范围-32°C 到 535°C，精度：±1%，主要应用在在线设备的故障检测，从2010年至今，经检定为不合格的红外测温仪数量已高达一百台，故障率较高，因此如何普及红外测温仪的测温技术，了解其原理，对合理使用和维护红外测温仪是很必要的。

 

1 红外测温仪的工作原理和特点

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。红外辐射能量的大小按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此, 通过对物体自身发出的红外能量的测量, 便能准确地测出它的表面温度。红外测温仪能接收多种物体自身发射出的不可见红外辐射能量。红外辐射是电磁频谱的一部分, 红外位于可见光和无线电波之间。当仪器测温时, 被测物体发射出的红外辐射能量, 通过测温仪的光学系统在探测器上转为电信号, 并通过红外测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度。红外测温仪属非接触式测量, 测温范围广, 响应速度快, 灵敏度高。但由于受被测对象的发射率影响, 几乎不可能测到被测对象的真实温度, 测量的是表面温度。

 

2  红外测温仪精确测温的重要因素

红外测温仪确保测温精度最重要的因素是发射率、距离系数、视场、环境因素等。

2.1 发射率(即辐射系数)

发射率是一个物体相对于黑体辐射能力大小的物理量,它除了与物体的材料形状、表面粗糙度、凹凸度等有关,还与测试的方向有关. 若物体为光洁表面时,其方向性更为敏感. 不同物质的辐射率是不同的，红外测温仪从物体上接收到的辐射能量大小正比于它的辐射率.所有的物体都会反射、透过和发射能量, 但只有发射的能量能指示物体温度, 当红外测温仪测量表面温度时, 仪器能接收到所有这三种能量, 因此测温仪必须调节为能读出发射的能量,测量误差通常由其他光源反射的红外能量引起的。有些测温仪可以改变发射率, 测温时应尽可能地设置成与被测材料相同的发射率值, 尽可能使测量示值与被测物的真实温度一致。

 

2.2  距离系数

距离系数K 对红外测温的精确度有很大的影响,距离系数K( K = S ∶D) 就是测温仪到目标的距离S 与测温目标直径D 的比值, K 越大, 仪器的分辨率越好. 且被测光斑尺寸也就越小。

 

2.3  视场

确保目标大于仪器测量时的光斑尺寸, 目标越小, 就应离它越近, 当精度特别重要时, 要确保目标至少2 倍于光斑尺寸

 

2.4环境因素

被测物体所处的环境对测量的结果有很大的影响，水蒸汽、灰尘、烟雾、二氧化碳等中间介质阻挡仪器的光学系统而影响精确测温。

 

3  正确选择红外测温仪

目前，红外测温技术在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥着重要作用。近20 年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。比起接触式测温方法，红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格的各种型号测温仪中，正确选择红外测温仪对用户来说是十分重要的。选择使用的红外测温仪应考虑以下因素。

3.1 确定测温范围

测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。如TIME（时代）、Raytek（雷泰）产品覆盖范围为-50 ℃～+3 000 ℃，但这不能由一种型号的红外测温仪来完成。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。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。

 

3.2确定目标尺寸

红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪,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的视场,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。对于双色测温仪，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，没有充满现场，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。对于目标细小，又处于运动或振动之中的目标，有时在视场内运动，或可能部分移出视场的目标，在此条件下，使用双色测温仪是最佳选择。如果测温仪和目标之间不可能直接瞄准，测量通道弯曲、狭小、受阻等情况下，双色光纤测温仪是最佳选择。这是由于其直径小，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，双色测温仪可以测量难以接近、条件恶劣或靠近电磁场的目标。

 

3.3确定光学分辨率

光学分辨率由D 与S 之比确定，即测温仪到目标之间的距离D 与测量光斑直径S 之比。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。光学分辨率越高，即增大D∶S 比值，测温仪的成本也越高。

 

3.4确定波长范围

目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱响应或波长。对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。在高温区，测量金属材料的最佳波长是近红外，可选用0.18～1.0 μm 波长。其他温区可选用1.6 μm、2.2 μm 和3.9 μm 波长。由于有些材料在一定波长是透明的，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10 μm、2.2 μm 和3.9 μm（被测玻璃要很厚，否则会透过）波长；测低温区选用8～14 μm波长为宜。再如测量聚乙烯塑料薄膜选用3.43 μm 波长，聚酯类选用4.3 μm 或7.9 μm 波长，厚度超过0．4 mm 选用8～14 μm 波长。又如测火焰中的CO₂ 用窄带4.24～4.3 μm 波长，测火焰中的CO 用窄带4.64 μm 波长，测量火焰中的N0₂ 用4.47 μm 波长。

 

3.5确定响应时间

响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95％能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。新型红外测温仪响应时间可达1 ms，这比接触式测温方法快得多。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，对于静止的或目标存在热惯性时，测温仪的响应时间就可以放宽要求。因此，红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。

 

4  使用红外测温仪的注意事项

（1）发射率是影响测量结果的一项重要指标，选择合适的发射率至关重要。由于长时间的现场测试可能导致红外线测温仪的发射率测量范围的改变，使用前确定发射率的范围直接影响测量结果。调整测量距离为2m，保持红外线测温仪的指示值(℃)与标准温度计指示值(℃)一致，反复多次调节被测红外线测温仪的发射率，此时被测红外线测温仪发射率的变化范围就是它工作的正常范围。

（2）不能透过玻璃进行测温, 玻璃有很特殊的反射和透过特性, 它们除了辐射红外能量外还会透射它们背后的高温热源的部分红外能量,也会对测试结果产生影响。在实际应用中,应尽量避免这种情况的出现。一方面,可设法遮挡其背面的高温热源;另一方面,可选用不同响应波长的测温仪以消除透射部分的影响。

（3）注意环境条件如水蒸汽、灰尘、烟雾、二氧化碳等中间介质对测温的影响，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。当在烟雾、灰尘或其他颗粒降低测量能量信号时，光纤双色测温仪是最佳选择。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。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。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。

（4）如果测温仪突然暴露在环境温差为20 度或更高的情况下, 要求仪器在20 分钟内调节到新的环境温度再做测量。

（5）利用校准数据进行温度补偿。

 

5  结束语

在实际测量工作中,周围环境条件对影响测量误差较大，不同波长的测温仪只适于测量相应温度的物体,才会减少在实际工作中的误差.用户应考虑测温范围、目标尺寸和测温环境等因素来正确选择不同类型的红外测温仪。

 

参考文献

[1] 杨立. 红外热像仪测温计算与误差分析[J ] . 红外技术,1999 ,21

[2] 郭呈祥. 红外测温新技术[J ] . 工科物理,2000 (2) :61 - 63.

[3] 王立伟. 手持式红外测温仪检定中的误差及分析[J ] . 铁道技术监督,2002 (10) :30 - 31.

[4] 戴季东. 非接触红外测温器在工业测控领域的应用[J ] . 电子仪器仪表用户,1996 (1) :11 - 13.

 

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