辐射温度计的基础知识

下面介绍辐射温度计的基础知识、选择方法、使用时的要点。

何谓辐射温度计

何谓辐射温度计

数字红外温度传感器 FT系列

用手掌靠近脸颊时会感觉到温暖,这是因为皮肤会感测到手掌发出的红外线。
诸如此类,所有物体都会发出红外线,物体温度越高,发出的红外线越强烈。
辐射温度计就是利用这些红外线采集温度。

何谓红外线?

红外线是与人类肉眼所能看到的一般可见光线一样的一种“光”。也称为IR(InfraRed)。
只是由于波长比可见光线长(频率低),无法凭肉眼观察。
波长范围约为0.7到400 μm。
1800年由英国的Sir Frederick William Herschel发现。

何谓红外线?

辐射温度计的特点

使用辐射温度计有以下两个优点。

  • 可高速采集温度
  • 可非接触采集温度

能够在采集移动或旋转的物体、碰到传感器时表面温度发生变化的物体(小热容量物体)的温度时发挥作用。
另一方面其缺点在于,无法采集物体内部温度及气体温度,且需要根据不同物体设定发射率等。

辐射温度计的原理

利用透镜将物体放射的红外线聚集到名为热电堆的检测元件。
所谓热电堆,是指吸收由物体发出的红外线,并被其加温后,产生与温度相应的电信号的检测元件。
对该电信号进行放大,并经过发射率补正后显示温度。

辐射温度计的原理
A
热电偶冷接点
B
热电偶热接点
C
红外线吸收膜(右:从上方看到的图像)

如图所示,具有多个热电偶串联连接的结构。
中心部集中了热电偶的热接点,外围部集中了热电偶的冷接点。
通过透镜而聚光的红外线仅照射热接点,因此只有热接点被加热。
由于塞贝克效应,在热接点与冷接点之间将产生电压差,由此可采集温度。
(辐射温度计内置热敏电阻,以采集冷接点温度。)

何谓发射率

何谓发射率

即使物体的温度相同,由物体放射的红外线量也会因物体材质及表面状态不同而有差异。
利用辐射温度计采集温度时,需要根据不同物体来补正该放射比率。
这种比率就是“发射率”。
“发射率”是由物体决定的常数,理想中的黑体为“1”,与黑体相反而将红外线完全反射或透过的物体(空气等)为“0”。
各种物体的发射率都处于0到1之间。

何谓发射率

当物体表面射入光后,其中的能量可能被物体吸收,或者被表面反射,也有可能透过物体。
将射入的能量设为“1”时,
1 = 吸收率+反射率+透过率成立。

同时,依据基尔霍夫定律,吸收的能量与物体放射的能量相等,因此

吸收率 = 发射率。

从上述等式可以看到,射入物体的能量吸收率越高(无反射及透过),发射率也越高。

何谓黑体?

在理解发射率时,需要理解“黑体”。
所谓“黑体”,是指吸收射入其表面的所有波长的光,并无反射及透过,因而对于辐射温度计而言为理想的物体。
由于反射率与透过率均为“0”,因此吸收率为“1”,即发射率也是“1”。

发射率的确定方法

发射率已知时

将在文献等作为物理常数记载的数字直接作为物体发射率使用。
并注意采集该发射率时的采集条件(物体的表面状态等)后确定发射率。

发射率未知时

实际采集物体温度,使用当时的辐射温度计显示值。

  1. 使用接触式温度计的方法
    利用辐射温度计与热电偶等接触式温度计两种方式采集物体温度,并通过设定发射率使各自的显示值相同。
  2. 使用黑体喷雾(胶带)的方法
    用于计算物体发射率的喷雾。
步骤1
在物体的一部分涂抹黑体喷雾。
步骤2
使用设为黑体发射率的辐射温度计采集涂抹黑体喷雾部分的温度。
步骤3
采集未涂抹黑体喷雾部分的温度,将发射率设为与步骤2.中的显示值相同。
步骤4
将在步骤3.设定的发射率作为该物体的发射率。

辐射温度计的选择方法

根据使用方法选择

辐射温度计可大致分为以下2类。

便携型(手持型)
没有检测部与转换部的区别,而将两者构成为一体的辐射温度计。由于小巧轻便,便于携带并可拿在手中采集温度。

固定型

数字红外温度传感器 FT系列

固定型
检测部与转换部在结构上分离,需通过连接电缆连接两者的辐射温度计。
在固定状态采集温度。

无需接触就能看到“表面温度”!数字红外温度传感器 FT系列
详情请下载参阅产品目录。

根据物体尺寸与采集距离选择

辐射温度计的可采集范围(称为光点直径)与采集距离均为固定。
为准确地采集温度,需要遵照规定的光点直径与采集距离使用。

根据物体尺寸与采集距离选择

上图表示辐射温度计的光点直径与采集距离间的关系。
选择辐射温度计时,请务必确认光点直径小于物体。

使用辐射温度计时的要点

发射率的设定

设定的发射率与物体的固有发射率不同时,将成为产生采集误差的原因。
发射率与物体温度之间并非线性关系,无法在事后修正或补正在不同条件下采集的温度。
(并非发射率设定相差1%,温度就会偏离1%。)

发射率设定误差与温度采集误差的关系(典型例)

物体温度 发射率的设定误差(°C)
1% 5% 10%
0°C 0.5°C 1.5°C 2.5°C
100°C 0.6°C 3.0°C 6.0°C
200°C 1.5°C 6.5°C 12.0°C
300°C 2.0°C 9.5°C 18.0°C

光点直径与采集物体

为稳定地采集物体温度,请使光点直径的1.5倍左右射入物体。

光点直径与采集物体

高温采集时

采集高温物体时,辐射温度计主体由于受到物体发出的红外线加热,不仅无法正确显示温度,更有甚者还可能损坏辐射温度计。此时,请采取如下措施屏蔽采集所需的红外线以外的光。

高温采集时

采集仪(记录仪)的配线

4-20 mA输出采集

使用具备4-20 mA输入的采集仪的采集方法

使用具备4-20 mA输入的采集仪的采集方法

请设为“4-20 mA输出的最大负载电阻>4-20 mA输入的负载电阻”。
不满足上述条件时将产生采集误差。

通过分流电阻进行电流→电压转换的采集方法

利用欧姆定律(E=I・R),将分流电阻中流动的电流转换为电压。
转换的电压可通过具有电压输入范围的采集仪进行采集。

通过分流电阻进行电流→电压转换的采集方法

请设为“4-20 mA输出的最大负载电阻>分流电阻的电阻值”。
不满足上述条件时将产生采集误差。

使用信号转换器的方法

使用信号转换器时,可通过具有电压输入范围的采集仪采集4-20 mA输出。

使用信号转换器的方法

4-20 mA输出可以并联配线吗?

使用电压输入的采集方法

可以。

使用电压输入的采集方法
采集目标的4-20 mA输出设备已与其他4-20 mA输入设备连接时,可通过具有电压输入范围的采集仪直接采集。

通过其他4-20 mA输入设备的负载电阻采集已经过电流→电压转换的电压。

使用具备4-20 mA输入的采集仪的方法

使用具备4-20 mA输入的采集仪的方法

可通过串联配线同时采集。

需要设为“4-20 mA输出的最大负载电阻>2台4-20 mA输入的负载电阻合计”。另外,由于对负载电阻串联配线,在各输入的 - 端子将产生电位差。请确认产生电位差也不会影响电路。

模拟电压输出采集

模拟电压输出采集

可通过直接连接来进行采集。

请根据输出电压调整输入范围。

索引