红外测温仪的原理与实际应用指南

自动化与仪器仪表2 0 0 9 年第6 期（总第1 4 6 期） 1 0 3 收稿日期: 2 0 0 9 - 0 7 - 2 9 作者简介: 崔雨, 工程硕士, 助理工程师, 主要研究方向为核 电机组节能降耗与发电能力提升。 红外测温仪的原理与实际应用指南 崔 雨1， 李鸿飞2 （1华北电力大学能源与动力工程学院 北京， 1 0 2 2 0 6 ） （2大亚湾核电站运营管理有限责任公司 深圳， 5 1 8 1 2 4 ） 摘 要：简要介绍红外测温仪的工作原理， 说明采购选型原则， 详细指出了在实际应用中可能影响测量结果 准确性的各种因素， 并给出解决方法。 关键词：红外测温仪 Abstract: In this paper, the principle of infrared thermometer is introduced. The parameters and the selecting principle is explained. The influence factors of measure results are put forward in the practical application, and the solutions are given. Key word: Infrared thermometer 中图分类号：TH811 文献标识码：B 文章编号：1001- 9227(2009)06- 0103- 03 0 引 言 红外测温技术在生产过程、 产品质量监测控制、 设备 在线故障诊断、 安全保护以及节约能源等方面发挥着重要 作用。 与接触式测温方法相比， 红外测温有着精确、 便捷、 安全等突出的优点。 近2 0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， 适用范围不断扩大， 市场占有率也逐年增长。 火电站内大量使用了各种型号的红外测温设备来监 测电机、 轴承、 变压器、 母线、 热交换器、 管道、 容器等各 种设备的表面温度， 其中不乏关键敏感设备。 红外测温仪 使用简单方便， 使用人员较少关注使用的注意事项， 忽略 细节， 降低了测量准确性， 未能充分发挥出红外测温仪的 优点。 1 红外测温仪的工作原理 在自然界中， 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。 根据基尔霍夫定律、 普朗克定律、 维恩公式这三大辐射定律， 物体的红外辐射 能量的大小及其按波长的分布与其表面温度有着十分密 切的关系。 因此， 通过对物体自身辐射的红外能量的测 量， 便能准确地测定它的表面温度， 这就是红外辐射测温 所依据的客观基础。 三大辐射定律均是以 “黑体” 作为研究对象分析得出 的。 但是， 自然界中存在的实际物体都不是黑体， 所有实 际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外， 还 与构成物体的材料种类、 制备方法以及表面状态和环境条 件等因素有关。 因此， 为了使黑体辐射定律适用于所有实 际物体， 必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例 系数， 即发射率。 该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐 射的接近程度， 其值在0 1之间。 根据辐射定律， 只要知 道了材料的发射率， 就知道了任何物体的红外辐射特性。 物体表面发射率主要决定于材料性质和表面状态 ( 如表 面氧化情况， 涂层材料， 粗糙程度及污秽状态等) 。 红外辐射测温仪测量目标的温度时， 首先是测量出 目标在其波段范围内的红外辐射量， 然后由测温仪计算出 被测目标的温度。 红外测温仪由光学系统、 光电探测器、 信号放大器及信号处理、 显示输出等部分组成。 光学系统 汇聚其视场内的目标红外辐射能量；红外能量聚焦在光电 探测器上并转变为相应的电信号；该信号经过放大器和信 号处理电路， 并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转 变为被测目标的温度值。 红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温 仪 （辐射比色测温仪） ， 单色测温仪与波段内的辐射量成 比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。 下面 没有特别指出时， 均指单色测温仪。 2 红外测温仪的选型原则 红外测温技术的不断发展为用户提供了各种功能和 多用途的仪器， 扩大了选择余地。 在选择测温仪型号时应 注意： （1 ） 确定测量要求：如测温范围， 精度要求， 被测目标 大小， 测量距离， 被测目标的表面发射率， 目标所处环境， 响应速度要求等； （2 ） 在现有各种型号的测温仪对比中， 选出能够满足 上述要求的仪器型号； （3） 在诸多能够满足上述要求的型号中选择出在性 能、 功能和价格方面的最佳搭配。 其它选择方面， 如使用 1 0 4 方便、 维修和校准性能等。 3 影响测量结果准确性的各种因素与对策 （1 ） 测温范围 它是测温仪最重要的一个性能指标。 每种型号的测 温仪都有自己特定的测温范围。 一般来说， 测温范围越 窄， 输出信号分辨率越高， 精度可靠性容易解决；测温范 围过宽， 会降低测温精度。 因此， 使用者在选用测温仪前 一定要把被测温度范围考虑准确、 周全， 既不要过窄， 也 不要过宽， 使测温仪的测温范围在能够覆盖被测温度的前 提下尽量小。 （2 ） 目标尺寸、 测温仪与测试目标之间的距离 为了获得精确的温度读数， 测温仪与测试目标之间 的距离必须在合适的范围之内。 图1 如图1所示， 所谓 “光点尺寸” 就是测温仪测量的面 积， 也称为 “视场” ， 视场的大小由测温仪的光学零件及其 位置确定。 距离目标越远， 光点尺寸越大。 使用单色测温 仪测温时， 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1 5 0 % 为好。 图2 如图2所示， 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。 （3 ） 光学分辨率 （距离系数D : S ） 图3 如图3 所示， 距离系数由D : S 确定， 即测温仪探头到目 标之间的距离D与被测目标直径S 之比。 光学分辨率越高， 即D : S比值越大， 测温仪的成本也越高。 如果测温仪由于 环境条件限制必须在远离目标之处使用， 而又要测量小的 目标， 就应选择高光学分辨率的测温仪。 （4 ） 目标发射率 在红外测温仪接收来自目标红外辐射功率相同的情 况下， 因目标的表面发射率不同， 将会得到不同的检测结 果。 因此要使用红外测温仪准确地测量物体温度， 必须要 知道被测目标的发射率值,并调整红外测温仪的值, 使之等于 被测表面的发射率值， 对所测量的温度进行发射率修正。 减小发射率影响的两种措施是： 对于发射率在01之间可调的测温仪， 例如 F l u k e 6 6 / 6 8 型， 可以根据被测物体材质和表面的实际状 态， 从表1中查出其发射率值， 设定测温仪的发射率与其 一致后再进行温度测量。 表1 材 料 表面状态 发射率 金 属 铝 A 3 0 0 3 合金 黄 铜 铜 哈氏合金 铬镍铁合金 铁 铁 （铸造） 铁 （锻造） 铅 钼 镍 铂 锌 钢 非金属 石 棉 沥 青 玄武岩 碳 石 墨 碳化硅 陶 瓷 粘 土 混凝土 布 料 玻 璃 砂 砾 石 膏 纸 张 塑 料 土 壤 水 木 材 氧 化 氧 化 粗 糙 抛 光 氧 化 氧 化 电器端子板 合 金 氧 化 喷 砂 电抛光 氧 化 生 锈 氧 化 未氧化 熔 铸 钝 化 粗 糙 氧 化 氧 化 氧 化 黑 色 氧 化 冷 轧 打磨钢板 抛光钢板 未氧化 板 任何颜色 不透明 天 然 0 . 1 0 . 3 0 . 3 0 . 1 0 . 3 0 . 3 0 . 5 0 . 4 0 . 8 0 . 6 0 . 3 0 . 8 0 . 7 0 . 9 5 0 . 3 0 . 6 0 . 1 5 0 . 5 0 . 9 0 . 5 0 . 7 0 . 6 0 . 9 5 0 . 2 0 . 2 0 . 3 0 . 9 0 . 4 0 . 2 0 . 6 0 . 2 0 . 6 0 . 2 0 . 5 0 . 9 0 . 1 0 . 7 0 . 9 0 . 4 0 . 6 0 . 1 0 . 9 5 0 . 9 5 0 . 7 0 . 8 0 . 9 0 . 7 0 . 8 0 . 9 0 . 9 5 0 . 9 5 0 . 9 5 0 . 9 5 0 . 8 5 0 . 9 5 0 . 8 0 . 9 5 0 . 9 5 0 . 9 5 0 . 9 0 . 9 8 0 . 9 3 0 . 9 0 . 9 5 红外测温仪的原理与实际应用指南 崔 雨， 等 （下转第1 0 7 页） 自动化与仪器仪表2 0 0 9 年第6 期（总第1 4 6 期） 1 0 7 图1 3 结束语 软件项目管理和其它的项目管理相比有相当的特殊 性。 首先， 软件是纯知识产品， 其开发进度和质量很难估 计和度量， 生产效率也难以预测和保证。 其次， 软件系统 的复杂性也导致了开发过程中各种风险的难以预见和控 制。 幸运的是， 时间和预算都是可控制的， 并不是指我们 可以控制时间快慢或长短， 而是如何明确知道哪一个时间 点， 需要何种产出物， 而我们有多少的预算可以完成。 为 了有效控制， 我们需要一个标准的流程， 只要照着规矩 走， 一切都好办。 参考文献 1 凯西斯瓦尔贝著, 王金玉等译. I T 项目管理 M 2 柳纯录, 刘明亮. 信息系统项目管理师教程 M 3 齐家滨, 赵景华. 浅议技术特征对软件技术人才流动的影响 M 4 ( 美) J o h n D . M u s a 著, 韩 柯译. 软件可靠性工程 M （上接第1 0 4 页） 对于发射率固定在0 . 9 5不可调的测温仪， 用其测 量光亮或抛光的金属表面将有很大的误差。 由于大多数有 机材料或涂有油漆和氧化的表面具有0 . 9 5 左右的发射率， 可以用黑胶带或黑色油漆涂敷被测表面， 待涂层与金属温 度相同后测量涂层表面的温度， 也就测出了物体的温度。 （5 ） 大气衰减与气象条件： 设备表面红外辐射能量经大气传输到红外测温仪， 会受到大气中的水蒸汽、 二氧化碳等气体分子的吸收和空 气中悬浮微粒的散射而衰减， 其衰减随距离的增大而增 加， 使得仪器显示出来的温度低于被测点的实际温度值。 可以尽量选择在无雨、 无雾、 无风、 环境温度较稳定、 大 气较干燥、 洁净时进行测量；在不影响安全的条件下尽可 能缩短检测距离。 对于比色测温仪， 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9 5 %的情况下， 仍能保证要求的测 温精度。 对于细小而又处于运动或震动之中的目标， 比色 测温仪是最佳选择。 这是由于光线直径小， 有柔性， 可以 在弯曲、 阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量， 因此可以 测量难以接近、 条件恶劣或靠近电磁场的目标。 （6 ） 环境及背景辐射 在户外进行电力设备红外检测时， 检测仪器接收的 红外辐射除了包括受检设备相应部位自身发射的辐射以 外， 还会包括设备其他部位和背景的反射， 以及直接射入 太阳辐射。 这些辐射都将对设备待测部位的温度造成干 扰， 带来误差。 为了减少环境与背景辐射的影响， 可采取 如下对策措施： 1 ) 在户外测量可选择在阴天或者在日落左右傍晚无 光照时间进行； 2 ) 户内可以采用关掉照明灯， 以避开其他的辐射影 响； 3 ) 对于高反射的设备表面， 应该采取适当能避开反射 的最佳测量角度进行测量； 4 ) 在测量时采取适当的遮