红外测温仪的工作原理及检定数据处理方法探讨

红外测温仪的工作原理及检定数据处理方法探讨Working Principle of Infra-Red Thermometer and Discussion of
the Method Verification Data Processing
张　钦
(成都市计量监督检定测试院,四川成都610021)
摘　要:本文主要介绍红外测温仪的工作原理、特点、阐述如何进行精确测温及详细探讨检定后的数据处理方法。

关键词:红外测温仪;发射率;辐射温度;斯忒潘-波尔兹曼定律
1　红外测温仪的工作原理及特点
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。

红外辐射能量的大小按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。

因此,通过对物体自身发出的红外能量的测量,便能准确地测出它的表面温度。

红外测温仪能接收多种物体自身发射出的不可见红外辐射能量。

红外辐射是电磁频谱的一部分,红外位于可见光和无线电波之间。

当仪器测温时,被测物体发射出的红外辐射能量,通过测温仪的光学系统在探测器上转为电信号,并通过红外测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度。

红外测温仪特点:非接触式测量,测温范围广,响应速度快,灵敏度高。

但由于受被测对象的发射率影响,几乎不可能测到被测对象的真实温度,测量的是表面温度。

2　红外测温仪精确测温的重要因素
红外测温仪确保测温精度最重要的因素是发射率,到光斑的距离、光斑的位置,视场。

(1)所有的物体都会反射、透过(对于不透明的材料透射率为0)和发射能量,但只有发射的能量能指示物体温度,当红外测温仪测量表面温度时,仪器能接收到所有这三种能量,因此测温仪必须调节为能读出发射的能量,测量误差通常由其他光源反射的红外能量引起的。

有些测温仪可以改变发射率,测温时应尽可能地设置成与被测材料相同的发射率值,尽可能使测量示值与被测物的真实温度一致。

而大多数仪器的发射率固定予置为0.95,该发射率的温度计对于大多数有机材料、油漆或氧化表面的表面温度进行测量时就要用一种黑胶带或平光黑漆涂于被测表面加以补偿。

使黑胶带或黑漆达到与基底材料相同温度时,测量胶带或漆表面的温度,即为真实温度。

(2)距离与光斑之比(D:S),光学分辨率定义为仪器到物体的距离与被测光斑尺寸之比(D:S)。

比值越大,仪器的分辨率越好,且被测光斑尺寸也就越小。

红外测温仪的光学系统从圆形测量光斑收集能量并聚焦在探测器上。

注意:激光瞄准只有用以帮助瞄准在测量点上。

(3)视场,确保目标大于仪器测量时的光斑尺寸,目标越小,就应离它越近,当精度特别重要时,要确保目标至少2倍于光斑尺寸。

3　检定红外测温仪时的注意事项
在规程中只说明了怎样瞄准辐射源靶面和怎样读数,为了保证检定时红外温度计的精确测温还应注意以下事项:
(1)有些测量仪可以改变发射率,检定时要将发射率置为1。

大多数红外测温仪的发射率固定予置为0.95。

(2)为了准确测温,将仪器对准辐射源靶面的靶心,保证安排好距离和光斑尺寸之比、视场。

按触发器在仪器的LCD上读出温度数据。

(3)不能透过玻璃进行测温,玻璃有很特殊的反射和透过特性,不允许精确红外测温。

但可通过红外窗口测温。

(4)注意环境条件:水蒸汽、灰尘、烟雾、二氧化碳等中间介质。

它阻挡仪器的光学系统而影响精确测温。

(5)环境温度,如果测温仪突然暴露在环境温差为20度或更高的情况下,允许仪器在20分钟内调节到新的环境温度。

4　检定时的数据处理
在规程中是以标准铂电阻、标准热电偶或标准光学高温计作为参考标准的,用它们测出的实际温度与被检温度点的偏离值来计算红外测温计在被检温度点的示值。

即以下计算公式:(见规程JJG415-2001,P6) t′N=(t′1+t′2)/2(1) T′N=t′N-Δt N(2)Δt N=T N-T标(3)式中:t′N—温度计在被检温度点的平均实测温度值,℃;
t′1,t′2—温度计在被检温度点的两次实测温度值,℃;
Δt N—实际温度偏离被检温度点引起的温度差值,℃;
T′N—温度计在被检温度点的示值,℃;
T N—参考标准在被检温度点平均实测温度值,℃;
T标—参考标准在被检温度点检定证书上给出的温
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《计量与测试技术》2008年第35卷第8期
度值,℃。

以上是将参考标准所测的温度就作为辐射源辐射出的温度,或者说认为辐射源的发射率ε=1时且温度计的发射率也予置为1时是这种情况,这是一种理想状态,但是大多数使用的红外测温仪发射率固定为0.95。

它在一般的检定或者是准确度要求不高的情况下是完全可以满足使用的。

有一个问题需要明白,红外测温仪所测的温度是物体的辐射温度而不是物体的实际温度,由于绝对黑体是不存在的,所以红外测温仪测出的温度肯定是应小于物体的真实温度。

作为使用者在使用温度计测温时是想知道物体的真实温度而不是辐射温度,因此在检定红外温度计时还应当考虑以下因素:
(1)辐射源的发射率ε是永远小于1的,(它一般为0.99～0.995)。

基尔霍夫定律指出,在同一温度下实际物体热辐射总量总比绝对黑体辐射总量要小,故此辐射温度总是小于真实温度,而红外测温仪所能吸收到的又是辐射温度。

根据斯忒潘-波尔兹曼定律,辐射温度T r
定义为:设有一物体的温度为T ,它的辐射率为ε(T ),辐射出度为M (T )。

当该物体的辐射出度与某一黑体的总辐射出度M B (T r )相等时,这个黑体的温度T r 就被定义为该物体的辐射温度。

数学表达式为:
M (T )=M B (T r )(4)根据斯忒潘-波尔兹曼定律,辐射温度T r 与物体真实温度T 的关系如下:
ε=(T )δπT 4=δ
πT 4r
(5)
得T =T r
[ε(T )]1/4
(6)
则辐射温度T r =T [ε(T )]1/4,由于ε(T )≤1,所以T ≥T r 故此辐射温度总是小于真实温度。

而这个辐射温度才是红外测温仪所能测量的温度值。

所以此时我们认为:Δt N 应为T r -T 标　则:T ′N =t ′N -Δt N =t ′N -(T r -T 标)。

(2)对于大多数使用的红外测温仪发射率通常是被
固定为ε=0.95,检定时虽然辐射源的发射率要远高于它,但此时温度计所显示的温度值是发射率为ε=0.95的辐射温度,而不是辐射源的辐射温度更不是辐射源真实温度。

此时我们就应根据公式(6)计算出发射率为ε=1时测温仪所应显示的温度,此温度值就作为测温仪在此被检温度点所测出的物体的温度。

下面举例说明:
在400℃点检定一只红外测温仪,发射率ε=0.95;辐射源发射率ε0=0.995,二等标准铂电阻温度计测出辐射源的温度为400.6℃,红外测温仪的两次读数为396.4℃、396.8℃。

计算出温度计在该被检温度点的示值误差。

①辐射源的辐射温度:T r =T [ε(T )]1/4=400.1℃
②温度计平均实测值:t ′N =(t ′1+t ′2)
/2=397.1℃③温度计示值:T ′N =t ′N -Δt N =t ′
N -(T r -T 标)=396.6-0.1=396.5℃
④该温度计测出的物体实际温度:T ′=
T r
[ε(T )]=396.5[0.95]
1/4=401.6℃⑤误差:Δ=401.6-400.6=1.0℃注:任何材料的发射率,在一定温度下,数值上都等于同一温度下的吸收率,发射率越大吸收率也就越大。

所以通常将吸收率也称作发射率。

实际上不少材料的发射率不仅与材料性质、表面状态和温度有关,而且与波长有关。

参考文献
[1]JJ G415-2001《工作用辐射温度计检定规程》.国家质量技术监督局.[2]温度计量.中国计量出版社.2007.
[3]郑子伟.红外测温仪概述.计量与测试技术杂志,2006(10).[4]北京海晖佳华科贸有限公司.红外测温仪技术问答ww w .cn .
作者简介:张钦,男,工程师。

工作单位:成都市计量监督检定测试院。

通讯地址:610021成都市东风路北二巷5号。

收稿时间:2008-07-07
(上接第45页)
(2)冲击试验机的间接检定也是十分重要的。

该项指标的检定必须合格,因为它是对试验机综合指标的验证。

可以说从某种意义上讲,即便直接鉴定合格,也不能表示该冲击实验机是真正的合格。

(3)冲击试验机的首次检定同样也是十分的重要的。

冲击试验机的地基必须质量良好,安装必须水平、牢固可靠。

各项技术指标必须合格。

就理论上分析,冲击试验机比较稳定的部分有:主机架、冲击摆锤、冲击常数、打击中心距至摆锤轴线的距离。

冲击摆锤是一刚体,在不受强烈非正常外力情况下,摆杆不会变形,摆杆内的质量调整块不会变化,M 和l 是不会变化的。

因此检定规程中规定,在后续检定中不对此项目进行重复检定,我想目的也在于此。

(4)对于试样砧座和支座,冲击刀刃是必须检定的项目。

这些部件只要进行冲击试验就必须承受巨大的冲击载
荷。

这些部位的消耗、磨损将直接影响实验数据的准确。

3　一般故障处理
计量工作的宗旨是为了保证量值的准确可靠。

因此在计量测试工作中故障处理,调试与维护就显得尤为重要。

本文针对JB 系列的摆锤冲击试验机在工作中常出现的问题,在故障现象,故障原因及处理方法上作为分析,供大家参考(见表1)。

4　结束语
因此对这些部件的检定必须要上升到一理论的高度来认识它。

以此指导着我们的检测实践。

我想这才是一种科学的、实事求是的态度。

作者简介:张福平,男,工程师。

工作单位:新疆计量测试研究院力学二室。

通讯地址:830011新疆乌鲁木齐北京南路40号附9号。

收稿时间:2008-06-13
张钦:红外测温仪的工作原理及检定数据处理方法探讨
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