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    解讀金屬表面的非接觸紅外測溫

    日期:2021-07-24 05:51
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    摘要:對幾乎所有的工業生產階段而言,遵循給定的溫度值都是確保其加工與產品質量的重要因素。非接觸紅外測溫儀是常用于測溫的裝置。因此,它同樣也適用于金屬的測溫。要實現對加工溫度的適當監測與控制,生產者必須進行合理引導,同時消費者也應具備有關測溫計數的基礎知識。下文將對重要參數(諸如輻射率、反射和就此引起的測量錯誤)進行說明。此外,還將介紹金屬測溫時所受到的影響,以及如何實現可靠、可重復的測溫。

    對幾乎所有的工業生產階段而言,遵循給定的溫度值都是確保其加工與產品質量的重要因素。非接觸紅外測溫儀是常用于測溫的裝置。因此,它同樣也適用于金屬的測溫。要實現對加工溫度的適當監測與控制,生產者必須進行合理引導,同時消費者也應具備有關測溫計數的基礎知識。下文將對重要參數(諸如輻射率、反射和就此引起的測量錯誤)進行說明。此外,還將介紹金屬測溫時所受到的影響,以及如何實現可靠、可重復的測溫。

     

    在測量領域,“溫度”是僅次于“時間”的*常用的物理參數。紅外測溫裝置通過吸收被測物體發出的紅外輻射來測定其溫度——無需接觸該物體。那么,非接觸測溫是如何實現的呢?金屬表面測溫存在哪些挑戰呢?

    紅外輻射陣列


    凡是溫度高于優良零度(0 K-273.15°C)的物體,均會自表面向外發出電磁輻射,且該輻射與物體的固有溫度成比例。紅外輻射陣列僅包含整個電磁輻射陣列中有限的一部分,從0.78 μm左右的可見光范圍起,到1000 μm左右的波長為之。0.7 μm14 μm是實現紅外測溫的重要波長范圍。當波長超出該范圍后,紅外能量過低,以至于探測器的靈敏度不足以檢測到它們,如下圖所示。


    當該輻射貫穿大氣后,借助專用鏡頭便能將其聚集在探測器上。隨后,探測器會生成與該輻射成比例的電信號。該信號得到放大,并通過接受連續的數字信號處理而轉化為與物體溫度成比例的輸出信號。如此一來,在顯示器上便會顯示出溫度的測量值,或輸出為信號形式。

    在將測定結果傳送至控制系統時,采用的是線性0/4-20 mA、0-10 V和熱電偶信號的標準化輸出形式。此外,目前所使用的大多數紅外測溫儀都提供數字接口(USB、RS232、RS485),來實現進一步的數字信號處理,以及對裝置參數的訪問。



    采用紅外輻射實現溫度計算
    作為輻射傳感器的探測器識別出各紅外測溫儀上*重要的元件。然后,在當前出現且完全可判讀的電磁輻射中,生成一個信號。探測器信號U與物體溫度TObject的關系如下所示:


    因物體發出的輻射(處于整個輻射陣列中)而產生的探測器信號與物體優良溫度的四次方成正比。也就是說:若被測物體的溫度呈雙倍升高,則探測器信號將呈現16倍的增大。

    由于還要考慮到物體的輻射率ε、物體表面反射的周邊輻射溫度TAmbient、以及紅外測溫儀的自身輻射溫度TPyro,故而公式發生改變:

    此外,紅外測溫儀并非應用于整個輻射陣列中。指數取決于波長。N代表從1μm 14 μm的波長,范圍為17…2;對短波(1.0 to 2.3 μm)金屬測溫裝置而言,該范圍為15…17

    物體溫度值因*后一列公式的變化而增大。這些計算結果以曲線陣列的形式保存在紅外測溫儀的電可擦只讀存儲器(EEPROM)中,用于所出現的所有溫度:


    因此,紅外測溫儀接收到了足夠的測溫信號。從公式中可以看出,除了波長范圍(輻射陣列)之外,所反射的周邊輻射及輻射率也會影響到測溫的**性。這些參數的重要作用將在后文中予以說明。

    黑體的重要參考作用


    早在1900年,普朗克、斯蒂芬、玻爾茲曼、維恩和基爾霍夫就已詳細地闡述了電磁波譜,并為說明紅外能量而制定了定性與定量相干性。黑體構成了理解非接觸測溫技術之物理原理、以及校正紅外測溫儀的基礎。

    一方面,黑體是能夠吸收所存在的一切輻射的物體。在黑體上,既沒有反射(ρ = 0),也沒有透射(τ = 0)。另一方面,黑體又向外發出每個波長所可能發出的*大能量(取決于其自身溫度)。黑體的構造十分簡單:一個帶熱量的中空物體,一側末端有一個小孔。當黑體被加熱至某個特定溫度后,它的中空部分會形成平衡溫度。

    普朗克的輻射定律說明了非接觸測溫的基本相干性:它指出,黑體向半場中的具體光譜輻射Mλs取決于它的溫度T和波長λc:光速;h:普朗克常數):


    黑體以選定溫度下的波長譜發出具體輻射的過程

    圖中顯示了黑體以其波長發出光譜輻射Mλs時,以對數形式呈現的溫度示例。

    其中可形成多種相干性,而下文僅指定了兩種進行說明。通過整合所有波長下的光譜輻射密度(從0到無限大),可以得到黑體作為一個整體而發出的輻射值。這種相干性被稱作斯蒂芬-玻爾茲曼定律。非接觸測溫的實際意義已在有關溫度計算的段落中予以說明。

    從上述圖形輪廓中,我們可以明顯得出**種相干性,即出現*大輻射值的波長會隨著溫度的上升而移向短波區。這種現象成為維恩位移定律的基礎,同時也能在普朗克等式的變形中得出。

    因此,高輻射就是為什么能夠在高溫下以短波長測定金屬表面溫度的原因(但并非*主要的原因)。長波范圍也包含了高強度。由于金屬是選擇性的輻射源,其輻射率、反射和因此對測量誤差造成的影響都是不容小覷的。

    作為選擇性輻射源的金屬表面


    在現實中,能夠滿足黑體這一理想條件的物體并不多。實際上,輻射表面通常用于傳感器的校正;其中,這些傳感器在所需波長范圍內的輻射率*大為0.99。物體溫度可通過對輻射率εEpsilon)的輻射測量加以確定;該輻射率說明了物體實際輻射值與黑體輻射值在同一溫度下的關系。因此,輻射率的取值在01之間:損失的輻射部分通過輻射率的顯示得到補償。

    許多待測表面在多種波長下均具有恒定的輻射率,但與黑體相比,其所發出的輻射較少。它們被稱作灰體。一些非金屬固體可在長波光譜范圍中顯示出相對恒定的高輻射率,而無論其表面狀況如何。

    若物體(諸如金屬表面)的輻射率取決于溫度和波長(與其它物體相比),則此類物體被稱作選擇性輻射源。就為何僅能在短波范圍內進行金屬測溫,存在許多重要原因。首先,在高溫下處于短波范圍(2.3 μm;1.6 μm;1.0 μm)內的金屬表面同時呈現出*高的輻射與輻射率。其次,它們調整至金屬氧化物的輻射率,這樣就能*大程度的減小因改變輻射率(回火色)而造成的溫差。

    之所以決定使用短波紅外測溫儀,另外一個重要原因就是金屬(與其它材料相比)可以具備許多未知的輻射率。短波裝置能夠極大地減少因輻射率的錯誤調整而造成的測量誤差。



    不考慮反射的可重復測量


    表面輻射率越低,紅外測溫儀所接收到的于環境中反射的輻射率就越高。由于大多數物體(諸如金屬)在紅外線區域內并不存在透射,因此適用下列公式:
    ε + p = 1
    本式中,ε代表輻射率,ρ代表反射。從裝置上判讀的、轉化為溫度值的紅外輻射不僅受到金屬表面輻射率(以及補償性的輻射部分)的影響,同時還明顯受到周邊環境(TAmbient)中的熱物體(例如高溫部件和爐子)的影響。

    對參數TAmbient必須慎重考慮;待測金屬表面的溫度值越低,于周邊環境中反射的輻射溫度值就越高。實際上,反射量通常是定向的,因此易于確定。

    反射量可被理解成一種尺寸,能夠為可重復測量的結果提供保障。

    紅外測溫儀的實際應用:感應式淬火與誘導過程


    在感應式淬火中的熱處理就是金屬表面測溫的一個實例。過程開始時,將一個部件放置在強交變磁場中,隨后對其加熱、凍結,以形成所需結構。期間,可以通過控制頻率來調節滲透至材料局部的熱量;在該部件上,只有局部得到了處理。要使金屬材料形成所需結構,必須設置理想的溫度時間過程。因此,有必要對溫度進行持續監測。

    紅外測溫儀的重要參數為:

    • 傳感器探頭可從電子盒上拆下;因此測溫結果不會受到電磁場的干擾
    • 金屬表面測溫專用波長(1.0 μm / 1.6 μm / 2.3 μm
    • 周圍溫度補償(TAmbient),例如借助參考溫度
    • 50°C1800°C范圍內,對金屬進行可靠測溫
    • 以保持在1 ms以內的測溫來實現快速溫控
    • 采用高光學分辨率(*小測量尺寸:0.7 mm)實現對小體積部件的測溫,以及采用雙激光瞄準器來標記測定區域大小












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