非接觸式溫度傳感器基礎知識

  • 發(fā)布時(shí)間:2018-12-15
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  您是否確信某種接觸式傳感器無(wú)法滿(mǎn)足您的應用要求?即使不是,那么還是請您遠離非接觸式器件,因為它們會(huì )帶來(lái)一些特殊的難題。而且,不要完全出于初始采購和安裝成本的考慮而偏向其中的一種方案。您需把維護成本因素也考慮進(jìn)去,尤其是當傳感器在惡劣環(huán)境中工作或故障停工時(shí)將引發(fā)災難性后果。
  
  市面上的非接觸式溫度傳感器形狀各異(圖1),每種構造的傳感器都具有與眾不同的獨特規格表。雖然這些器件名稱(chēng)各異,但是從技術(shù)層面而言,它們都是熱紅外輻射溫度計。在本文中,我們將它們稱(chēng)作“IRT”。它們可以是便攜式或固定安裝式、高端或低端、昂貴或便宜。
  
  所有IRT的工作原理都依據普朗克熱輻射定律。它們所測量的大部分輻射位于電磁頻譜的IR部分。
  
  您需要做些什么?
  
  在選擇和使用非接觸式溫度傳感器時(shí),將會(huì )遇到三大難題:
  
  ● 填充視場(chǎng)
  ● 克服物體透明度問(wèn)題
  ● 實(shí)現正確的發(fā)射率調整
  
  視場(chǎng) 物體的熱輻射“體現”出了其表面的溫度,這一點(diǎn)與無(wú)線(xiàn)電信標非常相似。不同之處在于在IRT測量中,熱輻射來(lái)自于物體表面上的一個(gè)已知大小的斑點(diǎn)。您需要捕獲所有輻射,而不能讓任何輻射在沿途上被阻隔。
  
  在一段特定距離上的斑點(diǎn)直徑(也就是一段給定距離上的“視錐”的橫截面面積)由器件的光學(xué)特性來(lái)決定。一般來(lái)說(shuō),距傳感器越遠,斑點(diǎn)的直徑就越大。斑點(diǎn)尺寸常常用一個(gè)比值來(lái)表示,比如50:1或10:1。這意味著(zhù)小的目標斑點(diǎn)直徑為傳感器至感興趣物體間距離的1/50或1/10(圖2)。

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圖2、在一段給定距離上的斑點(diǎn)直徑由傳感器的光學(xué)特性來(lái)決定,并被定義為一個(gè)比值;
通常,目標距傳感器越遠,斑點(diǎn)就越大。
  
  如果物體具有一個(gè)圓形橫截面(圖3),而且視野沿著(zhù)直徑,則需確定所測量的嚴重彎曲的表面的大小是被觀(guān)察物體的一小部分。換句話(huà)說(shuō)就是斑點(diǎn)直徑應為曲面有效直徑的25%或更小。

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圖3、當不得不在曲面上進(jìn)行測量時(shí),
應確定斑點(diǎn)直徑不大于曲面有效直徑的25%。
  
  還要保證視錐角內無(wú)障礙,否則檢測器將無(wú)法接收到進(jìn)行有效測量所需的全部輻射。如果位置斑點(diǎn)大于物體,或者視錐角被部分阻斷,則測得的溫度將低于真實(shí)溫度。
  
  如果不能確實(shí)地填充斑點(diǎn)直徑或保持視錐的暢通,則不妨考慮采用雙色或比例式IRT。這樣做可能會(huì )使準確度稍有損失,還可能影響響應速度,費用支出也將會(huì )小幅增加,但是,這些器件是專(zhuān)用于視距路徑被部分阻塞、視錐發(fā)生改變,或者有物體移入和移出視野的場(chǎng)合中的。它們對于發(fā)射率比值的變化非常敏感,不過(guò)這不在本文的討論范圍之內。
  
  透明度問(wèn)題 大多數(但不是全部)有機材料和建筑材料(比如磚塊、木材、金屬、瀝青、巖石和礦石等)都是不透明的。但是,許多塑料在IR光譜中是半透明的,因此需要采用特殊的波段,以使相其對于傳感器來(lái)說(shuō)是基本不透明。
  
  其他會(huì )帶來(lái)透明度問(wèn)題的物質(zhì)包括半導體材料(硅、砷化鎵)、某些涂料、一些光學(xué)材料(如氯化銀、藍寶石、石英、氯化鈉、鍺)以及許多特殊的晶體產(chǎn)品。
  
  發(fā)射率校正 如果有人試圖告訴您這是一個(gè)微不足道的問(wèn)題,請千萬(wàn)不要信以為真。雖然這并非小事一樁,但一旦將它分解成三種您有可能遇到的情形,那么處理起來(lái)就變得相當容易了:
  
  ● 感興趣的物體處于或非常接近周?chē)h(huán)境溫度。
  ● 物體的溫度高于環(huán)境溫度。
  ● 物體的溫度低于環(huán)境溫度。
  
  物體的光學(xué)性質(zhì)(發(fā)射率為其中之一)在這里開(kāi)始起作用。如果目標是半透明的,那么您將有可能需要幫助;如果它是不透明的,則或許您可以自行處理發(fā)射率的校正工作。我們來(lái)看一下各種場(chǎng)合的具體實(shí)例。
  
  場(chǎng)合一 如果物體的溫度與其環(huán)境溫度大致相同,而且其表面不是鏡面的,則其表面反射率將對發(fā)射率起到補償作用,而且無(wú)需進(jìn)行發(fā)射率校正。實(shí)施發(fā)射率校正將得到一個(gè)高于真實(shí)溫度的溫度讀數。
  
  場(chǎng)合二 如果物體的溫度高于其環(huán)境溫度,則需要進(jìn)行發(fā)射率校正以獲得準確的溫度讀數。發(fā)射率會(huì )是一種難以捉摸且變化不定的光學(xué)性質(zhì),但它通常只在表面上的某種東西有所改變時(shí)才會(huì )發(fā)生變化,比如出現焦化、氧化,或者熔化。
  
  如果把發(fā)射率控制在1.00,則可在該場(chǎng)合中獲得“輻射亮度溫度”。盡管該數值將低于真實(shí)溫度,但在物體的發(fā)射率(雖然是未知的)未發(fā)生非常大的變化的情況下,它是可重復的。那么,多大才是“非常大”呢?這個(gè)問(wèn)題提得很好,由于篇幅所限,這里無(wú)法回答,不過(guò),如果物體在視覺(jué)上沒(méi)有變化,則光譜發(fā)射率未發(fā)生改變的可能性相當大。不能保證,只是存在可能性。
  
  場(chǎng)合三 這是一種難對付的情形。當目標的溫度低于環(huán)境溫度時(shí),簡(jiǎn)單易行的解決方案就是變更測量的位置。例如,如果目標的溫度低于它正在進(jìn)入的烤箱或熔爐的溫度,不要試圖在入口處或內部(當它正在加熱時(shí))測量其溫度。應將溫度測量的位置移至出口處,在物體完成了其加熱程序并離開(kāi)烤箱時(shí)(此刻其溫度有可能高于其環(huán)境溫度)進(jìn)行測量。
  
  該場(chǎng)合具有一種“隱性”形式,就是當物體受到陽(yáng)光照射、或者具有很高的溫度(它仍有可能低于環(huán)境溫度)或亮度水平的時(shí)候??梢酝ㄟ^(guò)在表面上投射臨時(shí)性的陰影、并把IRT對準該陰影的方法來(lái)對這些條件進(jìn)行測試。
  
  在諸如金屬、玻璃、塑料等溫度較低的網(wǎng)狀產(chǎn)品進(jìn)入烘箱或熔爐的加工生產(chǎn)線(xiàn)上,應當嘗試把IRT對準在產(chǎn)品與其所經(jīng)過(guò)的輥子之間形成的“楔形物”(圖4),特別是在其改變方向的情況下(即具有一個(gè)25%或更大的包角)。這可能是一種“實(shí)際場(chǎng)合”,因為輥子的表面通常具有反射性,并生成物體的鏡像。實(shí)際上,它被某些與其自身溫度相近的物體所包圍。
  
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圖4、針對因目標的溫度低于環(huán)境溫度而引起的發(fā)射率問(wèn)題(如對于網(wǎng)狀產(chǎn)品),
一種解決方案是把IRT對準由輥子和產(chǎn)品所形成的“楔形物”。

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