Principio teorico e applicazione del termometro a infrarossi
Ci sono molti modi per misurare la temperatura. I termometri possono essere suddivisi in due tipi: strumenti per la misurazione della temperatura a contatto e strumenti per la misurazione della temperatura senza contatto. Il tipo di contatto comprende il familiare termometro a liquido, il termometro a termocoppia e il termometro a resistenza termica, ecc. Come tutti sappiamo, la temperatura è uno dei parametri più importanti nei sistemi di riscaldamento, fornitura di gas, ventilazione e condizionamento dell'aria. Soprattutto nel processo di misurazione dell'ingegneria termica, l'accuratezza della temperatura è spesso la chiave del successo o del fallimento dell'esperimento. Pertanto, uno strumento di misurazione della temperatura ad alta precisione è essenziale in ingegneria. Pertanto, questo articolo introduce alcuni principi e applicazioni dei termometri a infrarossi negli strumenti di misurazione della temperatura.
Principio teorico della misurazione della temperatura a infrarossi:
In natura, quando la temperatura di un oggetto è superiore allo zero assoluto, a causa dell'esistenza di un movimento termico interno, irradierà continuamente onde elettromagnetiche nell'ambiente circostante, compresi i raggi infrarossi con una banda d'onda di 0.75µm~ 100µm. La sua caratteristica è che a una data temperatura e lunghezza d'onda, l'energia radiante emessa da un oggetto ha un valore massimo. Questo tipo di materiale è chiamato corpo nero e il suo coefficiente di riflessione è impostato su 1. Il coefficiente di riflessione di altri materiali è inferiore a 1, chiamato È un corpo grigio, perché la potenza di radiazione spettrale P(λT) del corpo nero e la temperatura massima T soddisfano la determinazione di Planck. Mostra che alla massima temperatura T, la potenza di radiazione del corpo nero per unità di area alla lunghezza d'onda λ è P(λT).
All'aumentare della temperatura, l'energia radiante dell'oggetto diventa più forte. Questo è il punto di partenza della teoria della radiazione infrarossa e la base progettuale del termometro a infrarossi a banda singola.
All'aumentare della temperatura, il picco di radiazione si sposta nella direzione delle onde corte (verso sinistra) e soddisfa il teorema dello spostamento di Wien, la lunghezza d'onda al picco è inversamente proporzionale alla temperatura massima T e la linea tratteggiata è la linea collegando il picco. Questa formula ci dice perché i termometri ad alta temperatura funzionano principalmente a onde corte e i termometri a bassa temperatura funzionano principalmente a onde lunghe.
Il tasso di variazione dell'energia radiante con la temperatura è maggiore alle onde corte che alle onde lunghe, cioè il termometro che lavora alle onde corte ha un rapporto segnale/rumore relativamente alto (alta sensibilità) e forte anti-interferenza. Il termometro dovrebbe provare a scegliere di lavorare alla lunghezza d'onda di picco. Soprattutto in caso di basse temperature e target piccoli, questo è particolarmente importante.
Due: il termometro a infrarossi è composto da sistema ottico, rilevatore fotoelettrico, amplificatore di segnale, elaborazione del segnale, uscita display e altre parti. La radiazione proveniente dall'oggetto misurato e dalla sorgente di feedback viene modulata dal modulatore e quindi immessa nel rivelatore a infrarossi. La differenza tra i due segnali viene amplificata dall'antiamplificatore e controlla la temperatura della sorgente di retroazione, in modo che la radianza spettrale della sorgente di retroazione sia uguale a quella dell'oggetto. Il display indica la temperatura di luminosità dell'oggetto misurato
Indicatori di prestazione e selezione di tre termometri a infrarossi:
Gli indicatori di prestazione dei termometri a infrarossi includono: intervallo di misurazione della temperatura, risoluzione del display, precisione, intervallo di temperatura dell'ambiente di lavoro, ripetibilità, umidità relativa, tempo di risposta, alimentazione, spettro di risposta, dimensioni, visualizzazione del valore massimo, peso, emissività, ecc. Prestare attenzione a quanto segue quando si seleziona:
1. Determinare l'intervallo di misurazione della temperatura: l'intervallo di misurazione della temperatura è l'indice di prestazione più importante del termometro. Ogni tipo di termometro ha il proprio intervallo di temperatura specifico. Pertanto, l'intervallo di temperatura misurato dall'utente deve essere considerato in modo accurato e completo, né troppo ristretto né troppo ampio. Secondo la legge della radiazione del corpo nero, nella banda di lunghezza d'onda corta dello spettro, la variazione dell'energia radiante causata dalla temperatura supererà la variazione dell'energia radiante causata dall'errore di emissività.
2 Determinare la dimensione del target: i termometri a infrarossi possono essere suddivisi in termometri monocolore e termometri bicolore (termometri colorimetrici a radiazione) secondo il principio. Per un termometro monocromatico, quando si misura la temperatura, l'area del bersaglio da misurare deve riempire il campo visivo del termometro. Si raccomanda che le dimensioni del target misurato superino il 50% del campo visivo. Se la dimensione del bersaglio è inferiore al campo visivo, l'energia della radiazione di fondo entrerà nei simboli visivi e acustici del termometro e interferirà con le letture della misurazione della temperatura, causando errori. Al contrario, se il bersaglio è più grande del campo visivo del pirometro, il pirometro non sarà influenzato dallo sfondo al di fuori dell'area di misurazione. Per un pirometro a due colori, la temperatura è determinata dal rapporto dell'energia radiante in due bande di lunghezze d'onda indipendenti. Pertanto, quando il bersaglio da misurare è piccolo, non riempie il campo visivo e sono presenti fumo, polvere e ostruzioni sul percorso di misurazione, che attenuano l'energia della radiazione, non avrà un impatto significativo sui risultati della misurazione . Per bersagli piccoli e mobili o vibranti, il termometro a due colori è la scelta migliore. Ciò è dovuto al piccolo diametro dei raggi luminosi e alla loro flessibilità nel trasportare l'energia radiante luminosa su canali curvi, bloccati e piegati.
3 Determinare il coefficiente di distanza (risoluzione ottica): Il coefficiente di distanza è determinato dal rapporto D:S, ovvero il rapporto tra la distanza D tra la sonda del termometro e il bersaglio e il diametro del bersaglio misurato. Se il termometro deve essere installato lontano dal target a causa delle condizioni ambientali e deve essere misurato un target piccolo, è necessario selezionare un termometro con un'elevata risoluzione ottica. Maggiore è la risoluzione ottica, cioè aumentando il rapporto D:S, maggiore è il costo del pirometro. Se il termometro è lontano dal bersaglio e il bersaglio è piccolo, è necessario selezionare un termometro con un coefficiente di distanza elevato. Per un pirometro con una lunghezza focale fissa, il punto focale del sistema ottico è la posizione più piccola dello spot e lo spot vicino e lontano dal punto focale aumenterà. Ci sono due fattori di distanza.
4. Determinare l'intervallo di lunghezze d'onda: l'emissività e le caratteristiche della superficie del materiale target determinano la corrispondente lunghezza d'onda dello spettro del pirometro. Per i materiali in lega ad alta riflettività, esiste un'emissività bassa o variabile. Nell'area ad alta temperatura, la lunghezza d'onda migliore per misurare i materiali metallici è il vicino infrarosso e si possono selezionare 0.8-1.0 μm. Altre zone di temperatura possono scegliere 1,6 μm, 2,2 μm e 3,9 μm. Poiché alcuni materiali sono trasparenti a una certa lunghezza d'onda, l'energia infrarossa penetrerà in questi materiali e per questo materiale dovrebbe essere selezionata una lunghezza d'onda speciale.
5 Determinare il tempo di risposta: il tempo di risposta indica la velocità di reazione del termometro a infrarossi alla variazione di temperatura misurata, definita come il tempo necessario per raggiungere il 95 percento dell'energia della lettura finale ed è correlata alla costante di tempo del fotorivelatore, del circuito di elaborazione del segnale e del sistema di visualizzazione correlati. Se la velocità di movimento del bersaglio è molto elevata o quando si misura un bersaglio che si riscalda rapidamente, è necessario selezionare un termometro a infrarossi a risposta rapida, altrimenti non si otterrà una risposta del segnale sufficiente e la precisione della misurazione sarà ridotta. Tuttavia, non tutte le applicazioni richiedono un termometro a infrarossi a risposta rapida. Per processi termici statici o target con inerzia termica, il tempo di risposta del pirometro può essere ridotto.
6. Funzione di elaborazione del segnale: in considerazione della differenza tra il processo discreto (come la produzione di parti) e il processo continuo, il termometro a infrarossi deve disporre di più funzioni di elaborazione del segnale (come mantenimento del picco, mantenimento della valle, valore medio) per scegliere, come la misurazione della temperatura sul nastro trasportatore Quando si utilizza la bottiglia, è necessario utilizzare il valore di picco da mantenere e il segnale di uscita della sua temperatura viene inviato al controller. Altrimenti il termometro legge un valore di temperatura inferiore tra le bottiglie. Se si utilizza il mantenimento del picco, impostare il tempo di risposta del termometro in modo che sia leggermente più lungo dell'intervallo di tempo tra le bottiglie in modo che almeno una bottiglia sia sempre sotto misurazione.
7 Considerazione delle condizioni ambientali: le condizioni ambientali del termometro hanno una grande influenza sui risultati della misurazione, che dovrebbero essere considerati e adeguatamente risolti, altrimenti influiranno sulla precisione della misurazione della temperatura e causeranno persino danni. Quando la temperatura ambiente è elevata e sono presenti polvere, fumo e vapore, è possibile selezionare il coperchio protettivo, il raffreddamento ad acqua, il sistema di raffreddamento ad aria, lo spurgo dell'aria e altri accessori forniti dal produttore. Questi accessori possono affrontare efficacemente le influenze ambientali e proteggere il termometro per una misurazione accurata della temperatura. Quando si specificano gli accessori, è necessario richiedere il più possibile un servizio di standardizzazione per ridurre i costi di installazione.
8. Calibrazione del termometro a radiazione infrarossa: il termometro a infrarossi deve essere calibrato in modo che possa visualizzare correttamente la temperatura del target misurato. Se la misurazione della temperatura del termometro utilizzato è fuori tolleranza durante l'uso, deve essere restituito al produttore o al centro di riparazione per la ricalibrazione.
Caratteristiche di quattro termometro a infrarossi
1. Misurazione senza contatto: non è necessario toccare l'interno o la superficie del campo di temperatura misurato, quindi non interferirà con lo stato del campo di temperatura misurato e il termometro stesso non sarà danneggiato dal campo di temperatura.
2. Ampio campo di misurazione: poiché si tratta di una misurazione della temperatura senza contatto, il termometro non si trova in un campo di temperatura superiore o inferiore, ma funziona a una temperatura normale o nelle condizioni consentite dal termometro. In circostanze normali, può misurare da meno decine di gradi a più di tremila gradi.
3. Alta velocità di misurazione della temperatura: ovvero tempi di risposta rapidi. Finché viene ricevuta la radiazione infrarossa del bersaglio, la temperatura può essere fissata in breve tempo.
4. Alta precisione: la misurazione della temperatura a infrarossi non distruggerà la distribuzione della temperatura dell'oggetto stesso come la misurazione della temperatura di contatto, quindi la precisione della misurazione è elevata.
5. Alta sensibilità: finché c'è un piccolo cambiamento nella temperatura dell'oggetto, l'energia della radiazione cambierà notevolmente, il che è facile da rilevare. Può misurare la temperatura di un minuscolo campo di temperatura e
6. Misurazione della distribuzione della temperatura e misurazione della temperatura di oggetti in movimento o in rotazione. Sicuro e di lunga durata.
Svantaggi di cinque termometri a infrarossi:
1. Vulnerabilità ai fattori ambientali (temperatura ambiente, polvere nell'aria, ecc.)
2. Ha una grande influenza sulla lettura della temperatura della superficie metallica lucida o lucida
3. Solo limitato alla misurazione della temperatura esterna dell'oggetto, è scomodo misurare la temperatura all'interno dell'oggetto e quando ci sono ostacoli
Precauzioni per l'uso di sei termometri a infrarossi:
(1) L'emissività dell'oggetto in prova deve essere accuratamente determinata;
(2) Evitare l'influenza di oggetti ad alta temperatura nell'ambiente circostante;
(3) Per i materiali trasparenti, la temperatura ambiente deve essere inferiore alla temperatura dell'oggetto misurato;
(4) Il termometro deve essere allineato verticalmente rispetto alla superficie dell'oggetto da misurare e in nessun caso l'angolo deve superare i 30 gradi
(5) Non può essere utilizzato per la misurazione della temperatura su superfici metalliche lucide o lucidate e non può essere utilizzato per la misurazione della temperatura attraverso il vetro;
(6) Scegli correttamente il coefficiente di follow-up, il diametro del bersaglio deve riempire il campo visivo;
(7) Se il termometro a infrarossi viene improvvisamente esposto a una differenza di temperatura ambiente di 20 gradi o superiore, i dati di misurazione saranno imprecisi e il valore della temperatura misurata verrà preso dopo che la temperatura è stata bilanciata. .
Sette piani di miglioramento:
Poiché il normale termometro a infrarossi si limita solo a misurare la temperatura esterna dell'oggetto, è scomodo misurare la temperatura all'interno dell'oggetto e quando ci sono ostacoli, quindi è possibile aggiungere una sezione di fibra ottica alla testa di rilevamento e una lente con un piccolo angolo di visione può essere installato all'estremità anteriore, in modo che l'energia radiante dell'oggetto misurato passi attraverso l'obiettivo all'interno della fibra ottica. Dopo molteplici riflessioni nella fibra ottica, viene trasmesso al rivelatore. Poiché la fibra ottica può essere piegata liberamente, la radiazione può essere ruotata liberamente, il che risolve il problema della misurazione della temperatura interna dell'oggetto e può misurare la temperatura di luoghi come angoli bloccati da ostacoli.
