非接触式测温仪的选型研究

使用与维护Ｊ　ＵＳＥ　ＡＮＤ　ＭＡＩＮＴＥＮＡＮＣＥ　ＣＨＩＮＡ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ甲周豫嚣豫丧　２０１０年第２期　非接触式测温仪的　选型研究　Ｔｈｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎｏｎ．．ｃｏｎｔａｃｔ　Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ　◆孟和平　，１前言　上海２０１９００）　譬　（０　上海宝钢工程技术有限公司物体的冷热程度常用温度表示，按温度计的感温　部分是否与被测物体相接触分类，可分为接触式和非　接触式测温两种方式。接触式测温优点是温度计的　摘要：非接触式测温仪在日常使用中总是存在设计和　维护等方面的问题，为了便于设计人员对非接　触式测温仪的正确选型和现场维护人员更好　的维护使用，通过对现场非接触式测温仪故　感温部分与被测物体有良好的接触，测量精度高，缺　点是会改变被测物体的温度场。对于小热容量和运动　物体的温度，由于物体的导热性将产生很大的测量误　差，采用接触式测量比较困难，一般选用非接触式测　温仪。　障现象的研究，总结出选型要点，供有关设计　人员及现场技术人员参考，以减少一些不必要　的麻烦。　关键词：测温仪辐射比色非接触　２非接触测温仪的分类　非接触测温仪有一套光学系统、感温元件和显示　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｉｓｓｕｅｓ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ　ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ　ｉｎ　ｄａｉｌｙ　ｕｓｅ．Ｔｏ　ｍａｋｅ　ａ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｉｎｔｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｏｆ　ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ　ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｓｔｕｄｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ　ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｍａｉｎｔａｉｎ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ　ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　仪表。非接触测温仪的分类有很多种，但从原理上分　有亮度式测温仪和比色式测温仪。　亮度式测温仪指测出物体在某一波长（实际上为　某一波长段）上的辐射能量，经辐射率￡　，校正后确定　被测物体的温度。亮度法优点为抗干扰能力强。缺点　为接受的辐射能量较小。　ｏｒｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｒ　ａｎｄ　ｏｎ—ｓｉｔｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｔａｆｆ　ｆｏｒ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｕｎｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｒｏｕｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃ　Ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ　比色式测温仪指测出物体在两个特定波长段上　的辐射能比值，经辐射率　，，修正后确定被测物体的　温度。即比色测温仪可以克服被测目标不能充满视场　和发射率的影响，也克服光路系统的某些干扰。适应　能力强，物体辐射率较小，因此仪表示值接近真实温　度，但结构比较复杂，价格较高。　３非接触测温仪的测量原理　非接触式测温仪在工业上主要以辐射式测温为　主，通过检测被测对象表面所发出的红外辐射线能量　中圃儇嚣俄走ＣＨＩＮＡＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　２０１０年第２期　ＵＳＥ　ＡＮＤ　ＭＡＩＮＴＥＮＡＮＣＥ　使用与维护　１．１类型的选择　并转化成与温度相对应的电信号，就可测量物体的温　４．度（即利用物体的辐射能随温度而变化的原理制成，　芬一玻尔兹曼定律可知，物体温度愈高，辐射功率愈　非接触式高温计传感器的极限承受温度和正常工　因此在测量时不会破坏被测对象的温度场。由斯蒂　作温度，每一种传感器的技术性能只能在其工作温度　范围内，否则其工作特性会发生较大的变化，如灵敏系　大。　ＭＴ）＝６Ｔ　式中：　）为黑体全辐射度；　为黑体绝对温度；　为斯蒂芬一玻尔兹曼常数。　该定律表明，黑体的全辐射度与其绝对温度的４　次方成正比。自然界中存在的实际物体，几乎都不是　黑体。所有实际物体的辐射量除依赖干辐射波长及物　体的温度之外，还与构成物体的材料、热过程及表面　状态和环境条件等因素有关。　３．１亮度式测温仪和比色式测温仪的原理　亮度式测温仪是根据测温元件接受被测目标辐射　功率的大小来测定温度。理论基础为普朗克定律。表　达式为：　，　（ｒ）＝８Ｃｌ　（ｅＣ２／（２Ｔ）一１）。　式中：　，　为黑体的单色辐射强度；　ｓ为物体的发射率；　为波长；　为物体的绝对温度；　为自然对底数；　ｃ　为普朗克第一辐射常数；　ｃ：为普朗克第二辐射常数，辐射强度的大小和绝　对温度及辐射波长有关。　比色式测温仪测取的温度为比色，其原理为根据　被测对象发射的两个不同波长功率之比来测定目标温　度的。其关系式为：　Ｔ＝Ｂ／（１ｎＦ－Ａ）　比色测温仪可克服被测目标不能充满视场和发射　率的影响，也可克服光路系统的干扰。　４非接触式高温计的设计及调试要点　４．１非接触式高温计的设计　数及零点漂移等。　根据现场环境，被测目标在镜头可能安装的位置　能否充满视场，被测目标和镜头之间是否对波长有无　选择性吸收的灰尘，水雾等干扰，若不能，则选用比色　温度计，否则选用亮度式温度计。　４．１．２工作波长的选择　根据物体的发射率、被测物和镜头之间是否存在　吸附性气体蒸汽或灰尘及被测物表面是否有水膜存　在等而确定。　４．１．３距离系数的选择　由光学系统的结构形式和具体的参数决定。此系　数即为测温仪的视场。此系数越大，表明光学分辨率　越高，即在同样的距离下，能测更小的目标。由于单波　段测温仪显示的温度是其视场的平均值，所以被测物　必须充满视场，而且要有一定的余量，最好有１．５倍的　余量。实际生产中，这个距离系数不太好确定，选择不　当，则产生测量误差，但双色测温仪对此参数要求较　低，因为双色测温仪接收的是目标在两个波段辐射能　量的比值，在求比值时误差被抵消，与目标尺寸的大　小关系不大。　４．１．４响应时间的选择　根据工艺特点、自动控制的要求来选择响应时　间。非接触式测温仪的响应时间一般都比较小，有时　为了满足自动控制的需要，有效仪表的响应时间在一　定范围内可调。还有精确度、测量范围、功能及安装附　件的选择。　４．１．５线缆的敷设　信号的传输根据现场情况需要考虑是否需要增加　屏蔽及高温电缆，如果现场温度过高，考虑是否需要　加保护管等。　４．２非接触式高温计的调试中需要注意的问题　４．２．１测量方向的影响　为了保证测量的精确性，正确的瞄准是关键的一　步，必须使探头中的小黑方块处于视场中心。现场工　６７　使用与维护ｌ　ＵＳＥ　ＡＮＤ　ＭＡＩＮＴＥＮＡＮＣＥ　ＣＨＩＮＡＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ中阅俄髯俄表　２０１０年第２期　作表明，物体的发射率与测量的方向有关，虽然双色　测温仪可以允许更大的测量角。但是在实际工作中，　应使测量方向与被测物体的法线方向保持在３０。角之　内。　扬现象，现场环境相当恶劣。而且现场的高温计选用　的是单波高温计。氧化铁皮紧紧附在钢表面，测得的　温度没有影响，但现场有时在除鳞水冲洗下氧化铁皮　破裂，变得松散。就会使目标表面有一个温度低的区　域。单波高温计就会得到较低的温度。所以建议改用　４．２．２被测物周围高温辐射源的影响　避免被测物周围高温辐射源反射与透射的影响。　实际应用中采用遮挡其背面高温热源的方法避免这种　双色高温计，双色高温计测量区域的一部分有冷的氧　化铁皮，通常不影响温度的测量。更换完后，此故障消　情况的出现。　４．２．３冷却系统的影响　有的非接触测温仪带风冷、水冷系统，但由于现　场环境温度过高，对辐射高温计的使用寿命造成很大　的影响，需要在现场辐射高温计加隔温装置或冷却装　置如石棉挡板等，使用效果非常好。　５常见设备故障与分析方法　５．１辐射系数的影响　非接触式高温计都由一个黑体来标定。黑体是一　个完全的辐射体，即它的辐射系数为１．０。每个物体都　不可能是完全的辐射体，它有一个辐射的因素。例如，　如果一个物体辐射系数为０．８，那么它相对黑体辐射了　８０％的热量。设备将会显示温度过低直到输入辐射系　数值。设定辐射系数０．８就是在工艺上增加２Ｏ％的增益　给信号使得设备得到正确温度。现场条件变化多端，　辐射系数需要根据现场实际情况调整。　某热轧厂在轧制过程中产生翘头现象，将装有非　接触式高温计的天桥撞翻。在高温计的恢复过程中。　根据原厂家给出的发射率表来调整辐射系数出现难恢　复的现象。后用如下方法确定辐射系数：　用热电偶或其它的方法测出物体表面的真实温　度，用此温度来校准测温仪，即调节测温仪的发射率　ｅ值，使温度指示值与真实温度值一致，此时的发射率　值即是该物体的发射率。　５．２氧化铁皮对温度的影响　某热轧厂一直反应精轧前的高温计测量温度值偏　低而且有时有温度梯度的变化，但一直找不出原因。于　是经过多次现场察看，发现现场有的钢带氧化铁皮较　多，有的钢带氧化铁皮较小，在高压除鳞水冲洗下氧　化铁皮破裂，变的松散，甚至有时氧化铁皮会出现飞　６８　除。　５．３调试过程中的分析方法　某加热炉的入炉板坯高温计，不论辊道上是否有　带钢，其在ＤＣＳ系统的温度都无显示。于是：　首先现场勘查是否满足安装要求，如有无对准被　测物、是否有障碍物等。　其次看现场是否有信号的输出。若无信号则检查　高温计的探头，若有，再看二次表或ＤＣＳ室有无信号，　包括软硬件量程范围、模块通道及二次表的处理器　等。　最后再看看电缆是否短路或开路。电缆敷设路径　是否经过道路、高温等。经过道路必须加保护管，经　过高温处需高温电缆等。　６结束语　从非接触式高温计的原理及使用经验中总结出了　保证测温准确性必须注意的设计和调试的技术问题。　使用中注意加强点检，定期维护和专业标定，延长设　备的使用周期。相信非接触式高温计在现代化的工业　生产中，将发挥更大的作用。　参考文献　１钢铁企业过程检测和控制自动化设计手册．北京：冶　金工业出版社，２００２：７１　１－７１４．　２张霓，于耀．红外辐射高温计在回转窑上的应用．自动　化仪表，２００４：３９￣４０．　３高魁明．热工测量仪表．北京：冶金工业出版社，２００４：　１６１　作者简介：盂和平（１９７２一），女，工程师，主要从事检测技术及　仪器仪表的设计。