Principio teórico y aplicación del termómetro infrarrojo
Hay muchas formas de medir la temperatura. Los termómetros se pueden dividir en dos tipos: instrumentos de medición de temperatura de contacto e instrumentos de medición de temperatura sin contacto. El tipo de contacto incluye el conocido termómetro de líquido, termómetro de termopar y termómetro de resistencia térmica, etc. Como todos sabemos, la temperatura es uno de los parámetros más importantes en los sistemas de calefacción, suministro de gas, ventilación y aire acondicionado. Especialmente en el proceso de medición de ingeniería térmica, la precisión de la temperatura suele ser la clave del éxito o el fracaso del experimento. Por lo tanto, un instrumento de medición de temperatura de alta precisión es esencial en ingeniería. Por lo tanto, este artículo presenta algunos principios y aplicaciones de los termómetros infrarrojos en las herramientas de medición de temperatura.
Principio teórico de la medición de temperatura por infrarrojos:
En la naturaleza, cuando la temperatura de un objeto es superior al cero absoluto, debido a la existencia de un movimiento térmico interno, irradiará continuamente ondas electromagnéticas a los alrededores, incluidos los rayos infrarrojos con una banda de onda de 0,75 µm~ 100 µm. Su característica es que a una determinada temperatura y longitud de onda, la energía radiante emitida por un objeto tiene un valor máximo. Este tipo de material se llama cuerpo negro y su coeficiente de reflexión se establece en 1. El coeficiente de reflexión de otros materiales es menor que 1, llamado Es un cuerpo gris, porque la potencia de radiación espectral P (λT) del cuerpo negro y la temperatura máxima T satisfacen la determinación de Planck. Muestra que a la temperatura máxima T, la potencia de radiación del cuerpo negro por unidad de área en la longitud de onda λ es P(λT).
A medida que aumenta la temperatura, la energía radiante del objeto se vuelve más fuerte. Este es el punto de partida de la teoría de la radiación infrarroja y la base de diseño del termómetro infrarrojo de banda única.
A medida que aumenta la temperatura, el pico de radiación se mueve hacia la dirección de onda corta (hacia la izquierda) y satisface el teorema de desplazamiento de Wien, la longitud de onda en el pico es inversamente proporcional a la temperatura máxima T, y la línea punteada es la línea conectando el pico. Esta fórmula nos dice por qué los termómetros de alta temperatura funcionan principalmente con ondas cortas y los termómetros de baja temperatura funcionan principalmente con ondas largas.
La tasa de cambio de la energía radiante con la temperatura es mayor en la onda corta que en la onda larga, es decir, el termómetro que trabaja en la onda corta tiene una relación señal/ruido relativamente alta (alta sensibilidad) y una fuerte anti-interferencia El termómetro debe intentar elegir trabajar en la longitud de onda máxima. Especialmente en el caso de bajas temperaturas y objetivos pequeños, esto es particularmente importante.
Dos: el termómetro infrarrojo está compuesto por un sistema óptico, detector fotoeléctrico, amplificador de señal, procesamiento de señal, salida de pantalla y otras partes. La radiación del objeto medido y la fuente de retroalimentación es modulada por el modulador y luego ingresa al detector infrarrojo. La diferencia entre las dos señales es amplificada por el antiamplificador y controla la temperatura de la fuente de retroalimentación, de modo que la radiación espectral de la fuente de retroalimentación sea la misma que la del objeto. La pantalla indica la temperatura de brillo del objeto medido
Indicadores de rendimiento y selección de tres termómetros infrarrojos:
Los indicadores de rendimiento de los termómetros infrarrojos incluyen: rango de medición de temperatura, resolución de pantalla, precisión, rango de temperatura del entorno de trabajo, repetibilidad, humedad relativa, tiempo de respuesta, fuente de alimentación, espectro de respuesta, tamaño, visualización del valor máximo, peso, emisividad, etc. Preste atención a lo siguiente al seleccionar:
1. Determine el rango de medición de temperatura: el rango de medición de temperatura es el índice de rendimiento más importante del termómetro. Cada tipo de termómetro tiene su propio rango de temperatura específico. Por lo tanto, el rango de temperatura medido por el usuario debe considerarse de manera precisa y completa, ni demasiado estrecho ni demasiado amplio. De acuerdo con la ley de radiación de cuerpo negro, en la banda de longitud de onda corta del espectro, el cambio de energía radiante causado por la temperatura excederá el cambio de energía radiante causado por el error de emisividad.
2 Determine el tamaño del objetivo: los termómetros infrarrojos se pueden dividir en termómetros de un solo color y termómetros de dos colores (termómetros colorimétricos de radiación) según el principio. Para un termómetro monocromático, al medir la temperatura, el área del objetivo a medir debe llenar el campo de visión del termómetro. Se recomienda que el tamaño del objetivo medido supere el 50 por ciento del campo de visión. Si el tamaño del objetivo es más pequeño que el campo de visión, la energía de radiación de fondo entrará en los símbolos visuales y acústicos del termómetro e interferirá con las lecturas de medición de temperatura, lo que provocará errores. Por el contrario, si el objetivo es más grande que el campo de visión del pirómetro, el pirómetro no se verá afectado por el fondo fuera del área de medición. Para un pirómetro de dos colores, la temperatura está determinada por la relación de energía radiante en dos bandas de longitud de onda independientes. Por lo tanto, cuando el objetivo a medir es pequeño, no llena el campo de visión y hay humo, polvo y obstrucciones en la ruta de medición que atenúan la energía de radiación, no tendrá un impacto significativo en los resultados de la medición. . Para objetivos pequeños y en movimiento o que vibran, el termómetro de dos colores es la mejor opción. Esto se debe al pequeño diámetro de los rayos de luz y su flexibilidad para transportar energía luminosa radiante sobre canales curvos, bloqueados y plegados.
3 Determine el coeficiente de distancia (resolución óptica): El coeficiente de distancia está determinado por la relación D:S, es decir, la relación entre la distancia D entre la sonda del termómetro y el objetivo y el diámetro del objetivo medido. Si el termómetro se debe instalar lejos del objetivo debido a las condiciones ambientales y se debe medir un objetivo pequeño, se debe seleccionar un termómetro con alta resolución óptica. Cuanto mayor sea la resolución óptica, es decir, aumentando la relación D:S, mayor será el costo del pirómetro. Si el termómetro está lejos del objetivo y el objetivo es pequeño, se debe seleccionar un termómetro con un coeficiente de distancia alto. Para un pirómetro con una distancia focal fija, el punto focal del sistema óptico es la posición más pequeña del punto, y el punto cercano y lejano del punto focal aumentará. Hay dos factores de distancia.
4. Determine el rango de longitud de onda: la emisividad y las características de la superficie del material objetivo determinan la longitud de onda correspondiente del espectro del pirómetro. Para materiales de aleación de alta reflectividad, existe una emisividad baja o variable. En el área de alta temperatura, la mejor longitud de onda para medir materiales metálicos es el infrarrojo cercano y se pueden seleccionar 0.8-1.0 μm. Otras zonas de temperatura pueden elegir 1,6 μm, 2,2 μm y 3,9 μm. Dado que algunos materiales son transparentes a una cierta longitud de onda, la energía infrarroja penetrará en estos materiales y se debe seleccionar una longitud de onda especial para este material.
5 Determine el tiempo de respuesta: El tiempo de respuesta indica la velocidad de reacción del termómetro infrarrojo al cambio de temperatura medido, que se define como el tiempo requerido para alcanzar el 95 por ciento de la energía de la lectura final, y está relacionado con la constante de tiempo del fotodetector, circuito de procesamiento de señal y sistema de visualización relacionados. Si la velocidad de movimiento del objetivo es muy rápida o al medir un objetivo de calentamiento rápido, se debe seleccionar un termómetro infrarrojo de respuesta rápida; de lo contrario, no se logrará la respuesta de señal suficiente y se reducirá la precisión de la medición. Sin embargo, no todas las aplicaciones requieren un termómetro infrarrojo de respuesta rápida. Para procesos térmicos estáticos o de destino con inercia térmica, se puede relajar el tiempo de respuesta del pirómetro.
6. Función de procesamiento de señal: en vista de la diferencia entre el proceso discreto (como la producción de piezas) y el proceso continuo, se requiere que el termómetro infrarrojo tenga múltiples funciones de procesamiento de señal (como retención de pico, retención de valle, valor promedio) para elija, como la medición de temperatura en la cinta transportadora Cuando se usa la botella, es necesario usar el valor máximo para mantener, y la señal de salida de su temperatura se envía al controlador. De lo contrario, el termómetro lee un valor de temperatura más bajo entre las botellas. Si utiliza retención máxima, configure el tiempo de respuesta del termómetro para que sea un poco más largo que el intervalo de tiempo entre botellas, de modo que al menos una botella esté siempre bajo medición.
7 Consideración de las condiciones ambientales: las condiciones ambientales del termómetro tienen una gran influencia en los resultados de la medición, que deben considerarse y resolverse adecuadamente; de lo contrario, afectará la precisión de la medición de la temperatura e incluso causará daños. Cuando la temperatura ambiente es alta y hay polvo, humo y vapor, se pueden seleccionar la cubierta protectora, la refrigeración por agua, el sistema de refrigeración por aire, el purgador de aire y otros accesorios proporcionados por el fabricante. Estos accesorios pueden abordar con eficacia las influencias ambientales y proteger el termómetro para una medición precisa de la temperatura. Al especificar accesorios, se debe solicitar un servicio estandarizado tanto como sea posible para reducir los costos de instalación.
8. Calibración del termómetro de radiación infrarroja: el termómetro infrarrojo debe estar calibrado para que pueda mostrar correctamente la temperatura del objetivo medido. Si la medición de temperatura del termómetro utilizado está fuera de tolerancia durante el uso, debe devolverse al fabricante o al centro de reparación para que lo vuelvan a calibrar.
Características de cuatro termómetros infrarrojos
1. Medición sin contacto: no necesita tocar el interior o la superficie del campo de temperatura medido, por lo que no interferirá con el estado del campo de temperatura medido, y el campo de temperatura no dañará el termómetro en sí.
2. Amplio rango de medición: debido a que es una medición de temperatura sin contacto, el termómetro no está en un campo de temperatura más alto o más bajo, sino que funciona a una temperatura normal o en las condiciones permitidas por el termómetro. En circunstancias normales, puede medir desde menos decenas de grados hasta más de tres mil grados.
3. Velocidad de medición de temperatura rápida: es decir, tiempo de respuesta rápido. Siempre que se reciba la radiación infrarroja del objetivo, la temperatura se puede fijar en poco tiempo.
4. Alta precisión: la medición de temperatura infrarroja no destruirá la distribución de temperatura del objeto como la medición de temperatura de contacto, por lo que la precisión de la medición es alta.
5. Alta sensibilidad: siempre que haya un pequeño cambio en la temperatura del objeto, la energía de radiación cambiará mucho, lo cual es fácil de detectar. Puede medir la temperatura del pequeño campo de temperatura y
6. Medición de distribución de temperatura y medición de temperatura de objetos en movimiento o giratorios. Vida útil segura y larga.
Desventajas de cinco termómetros infrarrojos:
1. Vulnerable a factores ambientales (temperatura ambiente, polvo en el aire, etc.)
2. Tiene una gran influencia en la lectura de temperatura de la superficie metálica brillante o pulida
3. Solo se limita a medir la temperatura externa del objeto, es inconveniente medir la temperatura dentro del objeto y cuando hay obstáculos
Precauciones para el uso de seis termómetros infrarrojos:
(1) La emisividad del objeto bajo prueba debe determinarse con precisión;
(2) Evitar la influencia de objetos de alta temperatura en el entorno circundante;
(3) Para materiales transparentes, la temperatura ambiente debe ser inferior a la temperatura del objeto medido;
(4) El termómetro debe alinearse verticalmente con la superficie del objeto a medir, y bajo ninguna circunstancia el ángulo debe exceder los 30 grados.
(5) No se puede usar para medir la temperatura en superficies metálicas brillantes o pulidas, y no se puede usar para medir la temperatura a través del vidrio;
(6) Elija correctamente el coeficiente de seguimiento, el diámetro objetivo debe llenar el campo de visión;
(7) Si el termómetro infrarrojo se expone repentinamente a una diferencia de temperatura ambiente de 20 grados o más, los datos de medición serán inexactos y el valor de temperatura medido se tomará después de equilibrar la temperatura. .
Siete planes de mejora:
Dado que el termómetro infrarrojo ordinario solo se limita a medir la temperatura externa del objeto, es inconveniente medir la temperatura dentro del objeto y cuando hay obstáculos, por lo que se puede agregar una sección de fibra óptica al cabezal de detección y una lente. con un pequeño ángulo de visión se puede instalar en el extremo frontal, de modo que la energía radiante del objeto medido pase a través de la lente hacia el interior de la fibra óptica. Después de múltiples reflejos en la fibra óptica, se transmite al detector. Debido a que la fibra óptica se puede doblar libremente, la radiación se puede girar libremente, lo que resuelve el problema de medir la temperatura interna del objeto y puede medir la temperatura de lugares como esquinas bloqueadas por obstáculos.
