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概述
红外测温仪也叫辐射温度计,是一种以热辐射能量为基础的非接触式测温仪器。目前主要用于冶金、机械、石油、化工和铁路等部门。铁路专用轻便型红外测温仪被铁道部列为I类强制管理的铁专计量器具目录,它的重要性尤为突出,本文就红外辐射测温仪的基本原理、应用及管理进行分析探讨。
1.1热辐射概念
对于红外辐射温度计,这里不得不了解热辐射的基本概念。辐射就是物体表面连续向外放射能量,此种能量称为辐射能,是和光波、X射线相同本性的电磁波,其差别仅在于波长不同。也就是说物体只要是有温度存在,就会有热辐射产生。辐射电磁波谱如图1。
电磁波谱是由波长相差很大的r射线、x射线、可见光、紫外线、红外线、和无线电波组成。它们的波长范围是10~3m到10~8m,可见光谱仅是其中的很小一部分,约0.38μm到0.78μm,而比可见光更长的的一段波长辐射是红外辐射0.7μm到15μm。铁路专用红外测温仪的应用波长为8～14μm,主要是用在远红外区域内。由此可知低温时辐射能量较小,而且主要是发射较长波长的红外线,随着温度的升高,辐射能量急剧增加,同时辐射光谱也会逐渐的向短波方向移动。
1.2发射率
理想的黑体发射率等于1,即说明射到黑体的辐射能量全部被吸收,即无反射也无透射。也称作绝对黑体或黑体,具有最良好的吸收表面,同时也是最良好的发射体。但在实际工作中,这种绝对黑体是不存在的。我们计量技术部门用来检定红外测温仪的检定装置,就是黑体辐射源,其发射率在0.98～0.995之间,几乎接近于黑体。除了黑体模型外,任何的实际物体都是非黑体,其表面吸收率或发射率在0～1之间,即实际物体的发射率是在相同的温度和波长下,实际物体与绝对黑体的单色辐射出度的比值,来表示实际物体发射率的一种物理特性。因此光谱发射率不仅与温度和波长有关,而且还受物体的材料特性和表面情况等因素影响较大,在温度和波长相同的条件下,不同的材料就有不同的发射率,即使用同一种材料制成,但具有不同表面的状况的物体,它们的光谱发射率数值也相差很大。铁路专用红外测温仪主要用来测量车辆运行中车轴的温度,车轴及轴瓦的表面表现形式是以铸铁、氧化铁、油漆等组成的表面,一般在0.85～0.95发射率之间。
1.3辐射光谱分布特性(普朗克定律)
根据辐射能量与波长关系曲线,当被测表面温度上升时表现为两个特点:第一、辐射的总能量(及曲线下的总面积)急剧增加,实际上等于温度的4次方关系;第二、曲线的峰值点逐渐移向短波长。不但总能量随温度升高而增大,而且辐射能量更集中于短波的方向(趋向于可见光和紫外区),温度愈低时,物体辐射的能量愈趋向于红外区,能量波长也移向红外。铁路运行中的轴温主要在低温段,因此发射的能量也较微弱,当用来测量表面温度时,必须有高灵敏的检测元件,而且通过采用部分辐射,即它通过的波长范围可从8～14μm,其能量也是为8～14um波长之间函数曲线范围内的积分,当温度升高时带宽增大,能量就增多。红外测温仪的基础就是利用了红外辐射能量与被测表面温度之间有一个固定的关系式(
)制成的。
L———实际物体的辐射出度。
ε(T)———实际物体包括所有波长在内的总发射率,介于0~1之间。
———斯忒藩-玻耳兹曼常数5.6696×10-8W/m2·K。
T4———表面温度的四次方。
1.4红外测温仪的基本原理见图3
这种温度计在结构原理上具有以下特点:(1)从被测目标得到的红外辐射光通过聚光透镜,再采用漫反射透镜光学系统,照射到光电元件上得到电流信号,克服了散射光遮断引起的误差;(2)检测元件为硅光元件其光谱灵敏度波长较窄,能有效避开二氧化碳及水汽对光谱吸收区的干扰,提高了精度;(3)在测量和显示部分,借CPU以软件处理方式进行温度补偿,而不用在线路中加热敏电阻补偿的方法;(4)电路增设了瞄准激光点,可以很容易找到测温目标。另外有些测温仪还具备发射率(ε)可调节功能,可以根据不同被测物体的表面,判断物体表面的发射率,调节测温仪的发射率按钮与其匹配,消除了因发射率不同引起的误差。
通过对辐射概述的分析使我们认识到,(1)采用辐射测量法与电阻或热电偶测温方法不同,他利用普朗克定律、位恩位移公式、和斯忒藩-波耳兹曼定律的原理,将被测物体的温度与热力学温度联系起来。(2)测温是非接触式测温,不会破坏被测对象的温度分布。(3)灵敏度高、反应时间快。铁路专用红外测温仪的反应灵敏度一般都小于≤500mS。(4)受物体的表面发射率影响,有时必须对测温仪的发射率进行修正,才能得到真实温度。
2红外测温仪在铁路企业的应用与计量管理
