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红外测温与辐射系数ε优化技巧

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：在红外测温中,只有确定了物体在所测定温度范围内的辐射率后,才能用光学或电子方法进行补偿,得出被测物的表面温度。由上式可得可见仪表读数与实际温度之比和发射率的四次方根成正比。

1.红外测温和红外诊断的基本原理

红外测温是利用红外辐射原理,采用非接触方式,对被测物体表面的温度进行观测和记录。

根据红外辐射的基本定律可知:一个被测物体的表面辐射系数一定时,它的辐射功率与其绝对温度T 的四次方成正比。因此,对物体表面温度的检测就变成为对其辐射功率的检测。物体的辐射功率是与它的材料、结构、尺寸、形状、表面性质、加热条件及周围的环境和其内部是否有故障、缺陷等诸因素是密切相关的。当被测物体其他条件不变的情况下,仅仅是产生了故障和缺陷,那么它的表面温度场分布将会发生相应变化;若被测物体的材料特性发生异常,其表面的温度也相应改变,因而应用红外进行温度的检测,可以为分析被测目标的现有状态提供极好的信息。这就是红外测温和红外诊断的基本原理。

2.辐射系数ε在红外测温中的重要性

红外测温中的一个重要参数是辐射率ε,它直接影响测温结果,也称“发射率”或辐射系数。

物体的辐射率是表征物体表面辐射能力强弱的一个参数,是物体在一定温度下辐射的热能与黑体在同温度下辐射能量的比值。在红外测温中,只有确定了物体在所测定温度范围内的辐射率后,才能用光学或电子方法进行补偿,得出被测物的表面温度。如果测温时对ε值一无所知,则无法确定测温结果与真实温度相差多少,若设置的辐射系数有误差,则将对测温结果引起误差,分析如下:

设一被测物表面的温度为T0,真实辐射系数为ε0,测出温度为T1,设定辐射系数为ε1,则

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结果表明温度测量相对误差与辐射相对误差的关系,计算结果列于表12-3中。

表12-3　相对误差计算结果

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有关文献还推导出如下结论:全辐射高温计所测辐射能为

式中 T1——仪表指示温度,K;

T2——目标实际温度,K。

由上式可得

可见仪表读数与实际温度之比和发射率的四次方根成正比。ε值越接近1,则T2与T1越接近,即测温误差越小,反之误差将越大。

对于光谱辐射高温计,取出单一波长进行分析,可得

式中的n∞1/λT,该式表明在发射率误差设置相同的情况下,若要减少测温误差就只有增大n 值,即选用短波段的探测器,并在检测温度较低的情况下,可以得到较高的测温精度。

3.辐射系数ε的特性及其测定

任何一个物体的辐射率取决于其材料的性质,即因材料而异;而同一材料的辐射率又与其表面状态有关,如光洁度、氧化程度及其覆盖层等;ε还随被测物的温度变化而有所变化。

一般情况下,材料的辐射率很多已由实验测出列表,但实际应用时,由于工业设备所处环境均比较恶劣,其表面受灰尘和长期腐蚀的影响,单靠文献资料给出的ε值是不能满足测量精度要求的,往往带来不同的误差,下面介绍一些消除辐射率设置误差的方法。

模拟黑体法——在被测物体上钻小孔模拟黑体条件,然后将被测物视为黑体进行红外测温。该法难于在生产现场使用,是实验室中的测试方法。

参考黑体法——根据克希霍夫定律,当被测物体与黑体的温度相同时,黑体的辐射能与被测物体的辐射和反射能之和应相等。因此只要改变黑体温度,使其与被测物体辐射能及反射能之和相等,被测温度即与黑体温度相同,很多红外测温仪器中均采用参考黑体作测温用。

涂料法——用于生产现场。先由温度初测选定被测设备温度相同的区域,在其局部涂上已知ε的涂料后,再行温度测定;对于未涂涂料的相同温度部位,通过调整ε的设定达到指示温度与真实温度一致,此时的ε设定值就是该设备的辐射率。

接触测温法——当被测设备有部分可被触摸时,可用面接触式温度计测定该处真实温度,并用红外测温,当调整ε值达到测温结果与真实温度相同时,此时的ε值即为该设备类似表面的辐射率。

直接测定法——应用辐射率测定仪进行直接测定。

4.红外测温特点

(1)测温范围广:-170～+3200℃。

(2)测温精度高:可分辨0.01K 或更小。

(3)测温反应速度快:可在几毫秒内测出物体的温度。

(4)可测小目标:最小可测出直径为7.5μm的目标温度。

(5)测温不接触被测物体,不会破坏其温度场。

(6)测距可远可近。

表12-4列出了红外测温与接触测温性能的比较供参考。

表12-4　红外测温与接触测温性能比较

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