Teoretický princip a použití infračerveného teploměru
Existuje mnoho způsobů, jak měřit teplotu. Teploměry lze rozdělit do dvou typů: kontaktní přístroje pro měření teploty a bezkontaktní přístroje pro měření teploty. Kontaktní typ zahrnuje známý kapalinový teploměr, termočlánkový teploměr a tepelný odporový teploměr atd. Jak všichni víme, teplota je jedním z nejdůležitějších parametrů v systémech vytápění, dodávky plynu, ventilace a klimatizace. Zejména v procesu měření tepelné techniky je přesnost teploty často klíčem k úspěchu či neúspěchu experimentu. Proto je ve strojírenství nezbytný vysoce přesný přístroj na měření teploty. Proto tento článek představuje některé principy a aplikace infračervených teploměrů v nástrojích pro měření teploty.
Teoretický princip infračerveného měření teploty:
V přírodě, když je teplota objektu vyšší než absolutní nula, v důsledku existence vnitřního tepelného pohybu, bude objekt nepřetržitě vyzařovat elektromagnetické vlny do okolí, včetně infračervených paprsků s vlnovým pásmem 0,75µm~ 100 um. Jeho charakteristikou je, že při dané teplotě a vlnové délce má vyzařovaná energie vyzařovaná předmětem maximální hodnotu. Tento druh materiálu se nazývá černé těleso a jeho koeficient odrazu je nastaven na 1. Koeficient odrazu ostatních materiálů je menší než 1, nazývá se to šedé těleso, protože výkon spektrálního záření P(λT) černého tělesa a maximální teplota T splňují Planckovo určení. Ukazuje, že při maximální teplotě T je výkon záření černého tělesa na jednotku plochy při vlnové délce λ P(λT).
Jak teplota stoupá, zářivá energie předmětu sílí. Toto je výchozí bod teorie infračerveného záření a konstrukční základ jednopásmového infračerveného teploměru.
S rostoucí teplotou se vrchol záření posouvá do krátkovlnného směru (doleva) a splňuje Wienův teorém o posunutí, vlnová délka na vrcholu je nepřímo úměrná maximální teplotě T a tečkovaná čára je čára spojující vrchol. Tento vzorec nám říká, proč vysokoteplotní teploměry většinou pracují na krátkých vlnách a nízkoteplotní teploměry většinou pracují na dlouhých vlnách.
Rychlost změny zářivé energie s teplotou je větší na krátkovlnné než na dlouhé vlně, to znamená, že teploměr pracující na krátké vlně má relativně vysoký poměr signálu k šumu (vysoká citlivost) a silný proti rušení. Teploměr by se měl pokusit zvolit práci na maximální vlnové délce. To je zvláště důležité v případě nízkých teplot a malých cílů.
Dva: Infračervený teploměr se skládá z optického systému, fotoelektrického detektoru, zesilovače signálu, zpracování signálu, výstupu displeje a dalších částí. Záření z měřeného objektu a zdroje zpětné vazby je modulováno modulátorem a poté přivedeno do infračerveného detektoru. Rozdíl mezi těmito dvěma signály je zesílen anti-zesilovačem a řídí teplotu zdroje zpětné vazby, takže spektrální záření zdroje zpětné vazby je stejné jako záření objektu. Displej zobrazuje teplotu jasu měřeného objektu
Indikátory výkonu a výběr tří infračervených teploměrů:
Mezi výkonnostní ukazatele infračervených teploměrů patří: rozsah měření teploty, rozlišení displeje, přesnost, rozsah teplot pracovního prostředí, opakovatelnost, relativní vlhkost, doba odezvy, napájení, spektrum odezvy, velikost, zobrazení maximální hodnoty, hmotnost, emisivita atd. Věnujte pozornost při výběru na následující:
1. Určete rozsah měření teploty: Rozsah měření teploty je nejdůležitějším ukazatelem výkonu teploměru. Každý typ teploměru má svůj specifický teplotní rozsah. Proto musí být teplotní rozsah uživatelem naměřený přesně a komplexně uvažován, ani příliš úzký, ani příliš široký. Podle zákona záření černého tělesa v pásmu krátkých vlnových délek spektra změna zářivé energie způsobená teplotou převýší změnu zářivé energie způsobenou chybou emisivity.
2 Určete cílovou velikost: Infračervené teploměry lze podle principu rozdělit na jednobarevné teploměry a dvoubarevné teploměry (radiační kolorimetrické teploměry). U monochromatického teploměru by při měření teploty měla plocha měřeného cíle vyplňovat zorné pole teploměru. Doporučuje se, aby velikost měřeného cíle přesahovala 50 procent zorného pole. Pokud je velikost cíle menší než zorné pole, energie záření pozadí vstoupí do vizuálních a akustických symbolů teploměru a bude rušit naměřené hodnoty teploty, což způsobí chyby. Naopak, pokud je cíl větší než zorné pole pyrometru, nebude pyrometr ovlivněn pozadím mimo oblast měření. U dvoubarevného pyrometru je teplota určena poměrem zářivé energie ve dvou nezávislých pásmech vlnových délek. Pokud je tedy měřený cíl malý, nevyplňuje zorné pole a na dráze měření je kouř, prach a překážky, které zeslabují energii záření, nebude to mít významný dopad na výsledky měření. . Pro malé a pohyblivé nebo vibrující cíle je dvoubarevný teploměr tou nejlepší volbou. To je způsobeno malým průměrem světelných paprsků a jejich flexibilitou pro přenos světelné zářivé energie přes zakřivené, zablokované a složené kanály.
3 Určete koeficient vzdálenosti (optické rozlišení): Koeficient vzdálenosti je určen poměrem D:S, tedy poměrem vzdálenosti D mezi sondou teploměru k cíli a průměru měřeného cíle. Pokud musí být teploměr instalován daleko od cíle kvůli podmínkám prostředí a musí být měřen malý cíl, měl by být zvolen teploměr s vysokým optickým rozlišením. Čím vyšší je optické rozlišení, tj. zvýšení poměru D:S, tím vyšší je cena pyrometru. Pokud je teploměr daleko od cíle a cíl je malý, měl by být zvolen teploměr s vysokým koeficientem vzdálenosti. U pyrometru s pevnou ohniskovou vzdáleností je ohniskem optického systému nejmenší poloha bodu a bod blízko a daleko od ohniska se zvětší. Existují dva faktory vzdálenosti.
4. Určete rozsah vlnových délek: Emisivita a povrchové charakteristiky materiálu terče určují odpovídající vlnovou délku spektra pyrometru. U slitinových materiálů s vysokou odrazivostí existuje nízká nebo proměnná emisivita. V oblasti s vysokou teplotou je nejlepší vlnová délka pro měření kovových materiálů blízké infračervené záření a lze vybrat 0.8-1.0 μm. Ostatní teplotní zóny si mohou vybrat 1,6μm, 2,2μm a 3,9μm. Protože některé materiály jsou při určité vlnové délce průhledné, infračervená energie těmito materiály pronikne a pro tento materiál by měla být zvolena speciální vlnová délka.
5 Určete dobu odezvy: Doba odezvy udává rychlost reakce infračerveného teploměru na měřenou změnu teploty, která je definována jako doba potřebná k dosažení 95 procent energie konečného odečtu a je vztažena k časové konstantě související s fotodetektorem, obvodem pro zpracování signálu a zobrazovacím systémem. Pokud je rychlost pohybu cíle velmi vysoká nebo při měření rychle se zahřívajícího cíle, je třeba zvolit infračervený teploměr s rychlou odezvou, jinak nebude dosaženo dostatečné odezvy signálu a sníží se přesnost měření. Ne všechny aplikace však vyžadují infračervený teploměr s rychlou odezvou. U statických nebo cílových tepelných procesů s tepelnou setrvačností může být doba odezvy pyrometru uvolněna.
6. Funkce zpracování signálu: Vzhledem k rozdílu mezi diskrétním procesem (jako je výroba dílů) a kontinuálním procesem je požadováno, aby infračervený teploměr měl více funkcí zpracování signálu (jako je udržování špičky, udržování v údolí, průměrná hodnota) na výběr, např. měření teploty na dopravním pásu Při použití láhve je nutné použít špičkovou hodnotu k udržení a výstupní signál její teploty je odeslán do regulátoru. V opačném případě teploměr ukazuje nižší hodnotu teploty mezi lahvemi. Používáte-li uchování špičky, nastavte dobu odezvy teploměru tak, aby byla o něco delší než časový interval mezi láhvemi, aby byla vždy měřena alespoň jedna láhev.
7 Zohlednění podmínek prostředí: Podmínky prostředí teploměru mají velký vliv na výsledky měření, které je třeba zvážit a správně vyřešit, jinak ovlivní přesnost měření teploty a dokonce způsobí poškození. Když je okolní teplota vysoká a je tam prach, kouř a pára, lze zvolit ochranný kryt, vodní chlazení, vzduchový chladicí systém, čističku vzduchu a další příslušenství dodávané výrobcem. Toto příslušenství dokáže účinně řešit vlivy prostředí a chránit teploměr pro přesné měření teploty. Při specifikaci příslušenství by měl být co nejvíce požadován standardizovaný servis, aby se snížily náklady na instalaci.
8. Kalibrace teploměru infračerveného záření: infračervený teploměr musí být zkalibrován tak, aby správně zobrazoval teplotu měřeného cíle. Pokud je měření teploty použitého teploměru během používání mimo toleranci, je třeba jej vrátit výrobci nebo opravárenskému středisku k rekalibraci.
Vlastnosti čtyř infračervených teploměrů
1. Bezdotykové měření: Nemusí se dotýkat vnitřku ani povrchu měřeného teplotního pole, nebude tedy rušit stav měřeného teplotního pole a samotný teploměr nebude teplotním polem poškozen.
2. Široký rozsah měření: Protože se jedná o bezdotykové měření teploty, teploměr není ve vyšším nebo nižším teplotním poli, ale pracuje při normální teplotě nebo za podmínek, které teploměr umožňuje. Za normálních okolností může měřit minus desítky stupňů až více než tři tisíce stupňů.
3. Rychlá rychlost měření teploty: tedy rychlá doba odezvy. Dokud je přijímáno infračervené záření cíle, lze teplotu v krátké době fixovat.
4. Vysoká přesnost: Infračervené měření teploty nezničí rozložení teploty samotného objektu jako kontaktní měření teploty, takže přesnost měření je vysoká.
5. Vysoká citlivost: Dokud dojde k malé změně teploty objektu, energie záření se výrazně změní, což lze snadno zjistit. Dokáže měřit teplotu malého teplotního pole a
6. Měření rozložení teploty a měření teploty pohybujících se nebo rotujících objektů. Bezpečná a dlouhá životnost.
Nevýhody pěti infračervených teploměrů:
1. Zranitelný vůči faktorům prostředí (okolní teplota, prach ve vzduchu atd.)
2. Má velký vliv na odečítání teploty lesklého nebo leštěného kovového povrchu
3. Omezeno pouze na měření vnější teploty objektu, je nepohodlné měřit teplotu uvnitř objektu a tam, kde jsou překážky
Opatření pro použití šesti infračervených teploměrů:
(1) Emisivita zkoušeného předmětu musí být přesně určena;
(2) Vyhněte se vlivu předmětů s vysokou teplotou v okolním prostředí;
(3) U průhledných materiálů by okolní teplota měla být nižší než teplota měřeného předmětu;
(4) Teploměr by měl být vyrovnán svisle k povrchu měřeného předmětu a za žádných okolností by neměl úhel přesáhnout 30 stupňů.
(5) Nelze jej použít pro měření teploty na lesklých nebo leštěných kovových površích a nelze jej použít pro měření teploty přes sklo;
(6) Správně zvolte sledovací koeficient, cílový průměr musí vyplnit zorné pole;
(7) Pokud je infračervený teploměr náhle vystaven rozdílu okolní teploty 20 stupňů nebo vyšším, naměřená data budou nepřesná a naměřená hodnota teploty bude vzata po vyrovnání teploty. .
Sedm plánů zlepšení:
Vzhledem k tomu, že běžný infračervený teploměr je omezen pouze na měření vnější teploty objektu, je nepohodlné měřit teplotu uvnitř objektu a když jsou překážky, takže k detekční hlavě lze přidat část optického vlákna a čočku s malým pozorovacím úhlem lze nainstalovat na přední konec, takže zářivá energie měřeného objektu prochází čočkou do vnitřku optického vlákna. Po vícenásobných odrazech v optickém vláknu je přenesen do detektoru. Vzhledem k tomu, že optické vlákno lze volně ohýbat, záření lze volně otáčet, což řeší problém měření vnitřní teploty objektu a může měřit teplotu míst, jako jsou rohy blokované překážkami.
