紅外測溫儀的測溫原理

紅外測溫儀的測溫原理是將物體（如鋼水）發射的紅外線具有的輻射能轉變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體（如鋼水）本身的溫度相對應，根據轉變成電信號大小，可以確定物體（如鋼水）的溫度。

　　紅外測溫技術已發展到可對有熱變化表面進行掃描測溫，確定其溫度分布圖像，迅速檢測出隱藏的溫差， 這就是紅外熱像儀．紅外熱像儀zui先應用于軍事上，美國TI公司19“年研制出世界上*臺紅外掃描偵察系統。以后，紅外熱成像技術在西方國家陸續用于飛機、坦克、軍艦和其他武器上，作為偵察目標的熱瞄系統，大大提高了搜索、命中目標的能力。瑞典AGA公司生產的紅外熱像儀在民用技術上處于地位。但是，怎樣使紅外測溫技術得到廣泛應用，目前仍然是一個值得研究的應用課題。

　紅外測溫儀工作原

　　紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統匯聚其視場內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變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內療的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。　　在自然界中，一切溫度高于零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量。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的客觀基礎。　　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，其表面的發射率為 1 。但是，自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體，為了弄清和獲得紅外輻射分布規律，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點，故稱 黑體輻射定律 。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，還與構成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態和環境條件等因素有關。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及表面狀態有關的比例系數，即發射率。該系數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 的數值之間。根據輻射定律，只要知道了材料的發射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發射率的主要因紗在：材料種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。　　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。　　選擇紅外測溫儀可分為三個方面：　　性能指標方面,如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、響應時間等;環境和工作條件方面,如環境溫度、窗口、顯示和輸出、保護附件等;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生一定的影響。隨著技術和不斷發展,紅外測溫儀*設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。　　確定測溫范圍:　　測溫范圍是測溫儀zui重要的一個性能指標。如TIME（時代）、Raytek(雷泰)產品覆蓋范圍為-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射率誤差所引起的輻射能量的變化,因此,測溫時應盡量選用短波較好。　　確定目標尺寸：　　紅外測溫儀根據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,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域外面的背景影響。　　對于Raytek(雷泰)雙色測溫儀,其溫度是由兩個獨立的波長帶內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,都不會對測量結果產生影響。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*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*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。　　確定光學分辨率(距離及靈敏)　　光學分辨率由D與S之比確定,是測溫儀到目標之間的距離D與測量光斑直徑S之比。如果測溫儀由于環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。　　確定波長范圍：　　目標材料的發射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應或波長。對于高反射率合金材料,有低的或變化的發射率。在高溫區,測量金屬材料的*波長是近紅外,可選用0.18-1.0μm波長。其他溫區可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長。由于有些材料在一定波長是透明的,紅外能量會穿透這些材料,對這種材料應選擇特殊的波長。如測量玻璃內部溫度選用10μm、2.2μm和3.9μm(被測玻璃要很厚,否則會透過)波長;測量玻璃內部溫度選用5.0μm波長;測低區區選用8-14μm波長為宜;再如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長,聚醋類選用4.3μm或7.9μm波長。厚度超過0.4mm選用8-14μm波長;又如測火焰中的C02用窄帶4.24-4.3μm波長,測火焰中的C0用窄帶4.64μm波長,測量火焰中的N02用4.47μm波長。　　確定響應時間:　　響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度,定義為到達zui后讀數的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的時間常數有關。新型紅外測溫儀響應時間可達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,要選用快速響應紅外測溫儀,否則達不到足夠的信號響應,會降低測量精度。然而,并不是所有應用都要求快速響應的紅外測溫儀。對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時,測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。因此,紅外測溫儀響應時間的選擇要和被測目標的情況相適應。　　為什么使用紅外測溫儀　　紅外測溫儀已被證實是檢測和診斷電子設備故障的有效工具。可節省大量開支，用紅外測溫儀，你可連續診斷電子連接問題和通過查找在 DC 電池上的輸出濾波器連接處的熱點，以檢測不間斷電源（ UPS ）的功能狀態，你可檢驗電池組件和功率配電盤接線端子，開關齒輪或保險絲連接，防止能源消耗；由于松的連接器和組合會產生熱，紅外測溫儀有助于識別回路中斷器的絕緣故障 . 或監視電子壓縮機；日常掃描變壓器的熱點可探測開裂的繞組和接線端子。　　使用紅外測溫儀的好處　　便捷 紅外測溫儀可快速提供溫度測量，在用熱偶讀取一個滲漏連接點的時間內，用紅外測溫儀幾乎可以讀取所有連接點的溫度。另外由于紅外測溫儀堅實 . 輕巧，且不用時易于放在皮套中。在工廠巡視和日常檢驗工作時都可攜帶。　　 紅外測溫儀通常精度都是 1 度以內。這種性能在做預防性維護時特別重要，如監視惡劣生產條件和將導致設備損壞或停機的特別事件時。用紅外測溫儀，你甚至可快速探測操作溫度的微小變化，在其萌芽之時就可將問題解決，減少因設備故障造成的開支和維修的范圍。　　安全 紅外測溫儀能夠安全地讀取難以接近的或不可到達的目標溫度 ，可以在儀器允許的范圍內讀取目標溫度。非接觸溫度測量還可在不安全的或接觸測溫較困難的區域進行，測量就象在手邊測量一樣容易。　　紅外測溫儀 在設備故障診斷時 的使用　　設備故障紅外診斷zui核心的問題，是要求準確地獲得被測設備的溫度分布或故障相關部位溫度值與溫升值。這個溫度信息不僅是判斷設備有*的依據，也是判斷故障屬性、位置、嚴重程度的客觀依據。因此，對被測設備故障相關部位溫度的計算與合理修正，將是提高檢測設備表面溫度準確性的關鍵環節。然而在現場進行設備紅外檢測時，由于檢測條件和環境的影響變化，可能導致同一設備因檢測條件不同，而得到不同的結果。因此，為了提高紅外檢測的準確度，必須對現場檢測過程中或對檢測結果的分析處理中，采取相應的對策與措施或選擇良好的檢測條件，或對檢測現場結果進行合理的修正。　　運行狀態的影響與對策　　電氣設備故障無論是電流效應引起的發熱故障 ( 導電回路故障 ) ，發熱功率與負荷電流值的平方成正比。電壓效應引起的發熱故障 ( 絕緣介質故障 ) ，發熱功率與運行電壓的平方成正比。因此，設備的工作電壓和負荷電流的大小，將直接影響到紅外檢測與故障診斷的效果。泄漏電流的增大，能造成高壓設備部分電壓不均勻。如果沒有加載運行或者負荷很低，則會使設備故障發熱不明顯，即使存在較嚴重的故障，也不可能因特征性熱異常的形式暴露出來。只有當設備在額定電壓下運行，而且負荷越大時，發熱及溫升才越嚴重，故障點的特征性熱異常也暴露得越明顯。因此在進行紅外檢測時，為了能夠取得可靠的檢測效果，要盡量保證設備在額定電壓和滿負荷下運行，即使不能做到連續滿負荷運行，也應編制一個運行方案，以便在檢測前和檢測過程中，能讓設備滿負荷運行一段時間 ( 如 4 ～ 6h) ，使設備故障部位有足夠的發熱時間，并保證其表面達到穩定溫升。　　由于電氣設備故障紅外診斷時，故障判斷標準往往是以設備在額定電流時的溫升為依據，因此當檢測時實際運行電流小于額定電流時，應該是現場實際測量的設備故障點溫升換算為額定電流的溫升。　　設備表面發射率的影響與對策　　任何紅外測量儀器都是通過測量電氣設備表面紅外輻射功率，來獲得設備溫度信息的。并且在紅外診斷儀器接收來自目標紅外輻射功率相同的情況下，因目標的表面發射率不同，將會得到不同的檢測結果。也就是說，相同輻射功率，發射率越低，就會顯示越高的溫度。因物體表面發射率主要決定于材料性質和表面狀態 ( 如表面氧化情況，涂層材料，粗糙程度及污穢狀態等 ) 。因此為了應用紅外熱像儀器準確地測量電氣設備溫度，必須要知道受檢目標的發射率值，并將該值作為計算溫度的重要參數輸入計算機或者調整紅外測量儀的ε修正值，以便對所測量的溫度輸出值進行發射率修正。消除發射率對檢測結果影響的另外兩種對策措施是：當使用紅外熱像儀進行測量時，要對發射進行修正，查出被測設備部件表面的發射率值進行發射率修正，從而獲得可靠的測溫結果，提高檢測的可靠性；對于紅外檢測的故障頻發設備部件，為使檢測結果具有良好的可比性，可以運用敷涂適當漆料的方法來增大和穩定其發射率值，以便獲得被測設備表面的真實溫度。　　大氣衰減的影響與對策 　　由于受檢電氣設備表面紅外輻射能量，是經大氣傳輸到紅外檢測儀器里的，這就會受到大氣組合中的水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳等氣體分子的吸收衰減和空氣中懸浮微粒的散射而衰減，設備輻射能量傳輸的衰減隨著檢測儀器到被測設備之間的距離，降低了被測設備輻射的透過率，所以其衰減是隨距離的增大而增加，降低受檢設備故障部位與正常部位的輻射對比度，也會因為紅外儀器接收到的目標能量減少，使得儀器顯示出來的溫度低于被測故障點的實際溫度值，從而造成漏檢或誤診斷。尤其對于檢測溫升較低的設備故障時，這是很不利的。檢測距離增大，大氣組合的影響將會越來越大。而且又要獲得目標溫度準確性，必須采取如下對策：盡量選擇在環境大氣比較干燥、潔凈的時節進行檢測；在不影響安全的條件下盡可能縮短檢測距離，還要對溫度測量結果進行合理的距離修正，以便測得實際溫度值。　　氣象條件的影響 　　不良的氣象環境（雨、雪、霧及大風力等），會對設備溫度檢測帶來不利的影響，往往會給出虛假的故障現象。為了減少氣象條件的影響，盡量在無雨、無霧、無風和環境溫度較穩定的夜晚進行檢測。　　環境及背景輻射的影響與對策 　　在進行戶外電力設備紅外檢測時，檢測儀器接收的紅外輻射除了包括受檢設備相應部位自身發射的輻射以外，還會包括設備其他部位和背景的反射，以及直接射入太陽輻射。這些輻射都將對設備待測部位的溫度造成干擾，對故障檢測帶來誤差。為了減少環境與背景輻射的影響，應采取如下對策措施：　　對戶外電氣設備的現場紅外檢測，盡可能選擇在陰天或者在日落左右傍晚無光照時間進行。這樣可以防止直接入射、反射和散射的太陽輻射影響，對戶內設備可以采用關掉照明燈，以及要避開其他的輻射影響。　　對于高反射的設備表面，應該采取適當措施來減少對太陽輻射及周圍高溫物體輻射的影響。或者改變檢測角度，找到能避開反射的*角度進行檢測。　　為減少太陽輻射及周圍高溫背景的輻射影響，可在檢測時采取適當的遮擋措施，或者在紅外熱像儀器上加裝適當的紅外濾光片，以便濾除太陽及其他背景輻射。　　選擇參數適宜的儀器和檢測距離進行檢測，使受檢測的設備部位充滿儀器視場，從而減少背景輻射的干擾。　　選擇紅外測溫儀考慮的因素　　性能指標方面：如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、響應時間等;環境和工作條件方面 , 如環境溫度、窗口、顯示和輸出、保護附件等; 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生一定的影響。隨著技術和不斷發展,紅外測溫儀*設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。　　確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀zui重要的一個性能指標。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射率誤差所引起的輻射能量的變化,因此,測溫時應盡量選用短波較好。　　確定光學分辨率(距離及靈敏)：光學分辨率由 D 與 S 之比確定,是測溫儀到目標之間的距離 D 與測量光斑直徑 S 之比。如果測溫儀由于環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。

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紅外測溫儀在電氣系統故障診斷中的應用　　測量電器設備　　非接觸紅外線測溫儀可以從安全的距離測量一個物體的表面溫度，使其成為電器設備維修操作中*的工具。　　電設備方面的應用　　在如下應用中，雷泰紅外測溫儀可以有效防止設備故障和計劃外的斷電事故的發生。　　連接器-電連接部位會逐漸放松連接器，由于反復的加熱（膨脹）和冷卻（收縮）產生熱量、或者表面臟物、炭沉積和腐蝕。非接觸測溫儀可以迅速確定表明有嚴重問題的溫升。　　電動機-為了保持電動機的壽命期，檢查供電連接線和電路斷路器（或者保險絲）溫度是否一致。　　電動機軸承-檢查發熱點，在出現的問題導致設備故障之前定期維修或者更換。　　電動機線圈絕緣層-通過測量電動機線圈絕緣層的溫度，延長它的壽命。　　各相之間的測量-檢查感應電動機、大型計算機和其它設備的電線和連接器各相之間的溫度是否相同。　　變壓器-空冷器件的繞組可直接用紅外測溫儀測量以查驗過高的溫度，任何熱點都表明變壓器繞組的損壞。　　不間斷電源-確定UPS輸出濾波器上連接線的發熱點。一個溫度低的點表明可能直流濾波線路是開路。　　備用電池-檢查低壓電池以確保連接正確。與電池接頭接觸不良可能會加熱到足以燒毀電池芯棒。　　鎮流器-在鎮流器開始冒煙之前檢查出它的過熱。　　公用設施-確定出連接器、電線接頭、變壓器和其他設備的熱點。Raytek一些型號的光學儀器范圍在60:1甚至更大，使幾乎所有的測量目標都在測量范圍內。　　非接觸紅外測溫儀和傳統的接觸類測溫儀有何不同.　　

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紅外測溫儀技術參數：　　高分辨率光學技術　高準確度： 1 % ；可重復性: 0.5 %　　zui大值溫度顯示　　激光瞄準　　背光顯示　　溫度測量范圍擴展至 535 °C (999 °F)　　Fluke 66:　　激光瞄準系統，能以1%的準確度進行瞄準　　12個點的數據記錄　　先進的光學技術，能夠以更遠的距離測量更小的目標　　發射率可調，更加地測量溫度　　可選的zui大、zui小、差分和平均功能，可以即時顯示數值，并具有Hi/Lo報警　　溫度測量范圍擴展至 750 ℃ (1400 F)　　選配探針附件，用于雙接觸式或非接觸式溫度測量　　Fluke 68:　　激光瞄準系統，能以1%的準確度進行瞄準　　12個點的數據記錄　　先進的光學技術，能夠以更遠的距離測量更小的目標　　發射率可調，更加地測量溫度　　可選的zui大、zui小、差分和平均功能，可以即時顯示數值，并具有Hi/Lo報警　　溫度測量范圍擴展至760 oC (1400 oF)　　選配探針附件，用于雙接觸式或非接觸式溫度測量　　1、zui大值、zui小值、平均值, 9筆數據記錄　　2、可針對不同物體調整發射率使得測量溫度更為準確　　3、調整發射率：0.3～1.0　　4、D : S= 8 : 1　　5、高低溫度聲音報警功能　　6、帶背光顯示

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紅外測溫儀使用時應注意哪些問題？　　為了測溫，將儀器對準要測的物體，按觸發器在儀器的ＬＣＤ上讀出溫度數據，保證安排好距離和光斑尺寸之比，和視場。　　紅外測溫儀使用時應注意的問題：　　1、只測量表面溫度，紅外測溫儀不能測量內部溫度。　　2、波長在5um以上不能透過石英玻璃進行測溫，玻璃有很特殊的反射和透過特性，不允許紅外溫度讀數。但可通過紅外窗口測溫。紅外測溫儀不用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫（不銹鋼、鋁等）。　　3、定位熱點，要發現熱點，儀器瞄準目標，然后在目標上作上下掃描運動,直至確定熱點。　　4、注意環境條件：蒸汽、塵土、煙霧等。它阻擋儀器的光學系統而影響測溫。

　　5、環境溫度，如果測溫儀突然暴露在環境溫差為20℃或更高的情況下，允許儀器在20分鐘內調節到新的環境溫度。