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接觸式溫度傳感器的選擇和使用

發(fā)布時間:2010-10-07

中心議題:
  • 溫度傳感器的原理
  • 接觸式溫度傳感器的選擇和使用

在選擇和使用非接觸式溫度傳感器時,將會遇到三大難題:
●填充視場
●克服物體透明度問題
●實(shí)現(xiàn)正確的發(fā)射率調(diào)整

視場物體的熱輻射“體現(xiàn)”出了其表面的溫度,這一點(diǎn)與無線電信標(biāo)非常相似。不同之處在于在IRT測量中,熱輻射來自于物體表面上的一個已知大小的斑點(diǎn)。您需要捕獲所有輻射,而不能讓任何輻射在沿途上被阻隔。在一段特定距離上的斑點(diǎn)直徑(也就是一段給定距離上的“視錐”的橫截面面積)由器件的光學(xué)特性來決定。一般來說,距傳感器越遠(yuǎn),斑點(diǎn)的直徑就越大。斑點(diǎn)尺寸常常用一個比值來表示,比如50:1或10:1。這意味著最小的目標(biāo)斑點(diǎn)直徑為傳感器至感興趣物體間距離的1/50或1/10(圖1)。

圖1、在一段給定距離上的斑點(diǎn)直徑由傳感器的光學(xué)特性來決定,并被定義為一個比值;通常,目標(biāo)距傳感器越遠(yuǎn),斑點(diǎn)就越大。

如果物體具有一個圓形橫截面(圖2),而且唯一的視野沿著直徑,則需確定所測量的嚴(yán)重彎曲的表面的大小是被觀察物體的一小部分。換句話說就是斑點(diǎn)直徑應(yīng)為曲面有效直徑的25%或更小。
圖2、當(dāng)不得不在曲面上進(jìn)行測量時,應(yīng)確定斑點(diǎn)直徑不大于曲面有效直徑的25%。

還要保證視錐角內(nèi)無障礙,否則檢測器將無法接收到進(jìn)行有效測量所需的全部輻射。如果位置斑點(diǎn)大于物體,或者視錐角被部分阻斷,則測得的溫度將低于真實(shí)溫度。如果不能確實(shí)地填充斑點(diǎn)直徑或保持視錐的暢通,則不妨考慮采用雙色或比例式IRT。

這樣做可能會使準(zhǔn)確度稍有損失,還可能影響響應(yīng)速度,費(fèi)用支出也將會小幅增加,但是,這些器件是專用于視距路徑被部分阻塞、視錐發(fā)生改變,或者有物體移入和移出視野的場合中的。它們對于發(fā)射率比值的變化非常敏感,不過這不在本文的討論范圍之內(nèi)。透明度問題大多數(shù)(但不是全部)有機(jī)材料和建筑材料(比如磚塊、木材、金屬、瀝青、巖石和礦石等)都是不透明的。

但是,許多塑料在IR光譜中是半透明的,因此需要采用特殊的波段,以使相其對于傳感器來說是基本不透明。Ircon公司提供了一些有關(guān)塑料和玻璃測量的非常有益的應(yīng)用指南,可登錄Ircon公司網(wǎng)址瀏覽。其他會帶來透明度問題的物質(zhì)包括半導(dǎo)體材料(硅、砷化鎵)、某些涂料、一些光學(xué)材料(如氯化銀、藍(lán)寶石、石英、氯化鈉、鍺)以及許多特殊的晶體產(chǎn)品。發(fā)射率校正如果有人試圖告訴您這是一個微不足道的問題,請千萬不要信以為真。雖然這并非小事一樁,但一旦將它分解成三種您有可能遇到的情形,那么處理起來就變得相當(dāng)容易了:

●感興趣的物體處于或非常接近周圍環(huán)境溫度。
●物體的溫度高于環(huán)境溫度。
●物體的溫度低于環(huán)境溫度。物體的光學(xué)性質(zhì)(發(fā)射率為其中之一)在這里開始起作用。
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如果目標(biāo)是半透明的,那么您將有可能需要幫助;如果它是不透明的,則或許您可以自行處理發(fā)射率的校正工作。我們來看一下各種場合的具體實(shí)例。場合一如果物體的溫度與其環(huán)境溫度大致相同,而且其表面不是鏡面的,則其表面反射率將對發(fā)射率起到補(bǔ)償作用,而且無需進(jìn)行發(fā)射率校正。實(shí)施發(fā)射率校正將得到一個高于真實(shí)溫度的溫度讀數(shù)。場合二如果物體的溫度高于其環(huán)境溫度,則需要進(jìn)行發(fā)射率校正以獲得準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。

發(fā)射率會是一種難以捉摸且變化不定的光學(xué)性質(zhì),但它通常只在表面上的某種東西有所改變時才會發(fā)生變化,比如出現(xiàn)焦化、氧化,或者熔化。如果把發(fā)射率控制在1.00,則可在該場合中獲得“輻射亮度溫度”。盡管該數(shù)值將低于真實(shí)溫度,但在物體的發(fā)射率(雖然是未知的)未發(fā)生非常大的變化的情況下,它是可重復(fù)的。

那么,多大才是“非常大”呢?這個問題提得很好,由于篇幅所限,這里無法回答,不過,如果物體在視覺上沒有變化,則光譜發(fā)射率未發(fā)生改變的可能性相當(dāng)大。不能保證,只是存在可能性。場合三這是一種難對付的情形。當(dāng)目標(biāo)的溫度低于環(huán)境溫度時,最簡單易行的解決方案就是變更測量的位置。

例如,如果目標(biāo)的溫度低于它正在進(jìn)入的烤箱或熔爐的溫度,不要試圖在入口處或內(nèi)部(當(dāng)它正在加熱時)測量其溫度。應(yīng)將溫度測量的位置移至出口處,在物體完成了其加熱程序并離開烤箱時(此刻其溫度有可能高于其環(huán)境溫度)進(jìn)行測量。該場合具有一種“隱性”形式,就是當(dāng)物體受到陽光照射、或者具有很高的溫度(它仍有可能低于環(huán)境溫度)或亮度水平的時候??梢酝ㄟ^在表面上投射臨時性的陰影、并把IRT對準(zhǔn)該陰影的方法來對這些條件進(jìn)行測試。在諸如金屬、玻璃、塑料等溫度較低的網(wǎng)狀產(chǎn)品進(jìn)入烘箱或熔爐的加工生產(chǎn)線上,應(yīng)當(dāng)嘗試把IRT對準(zhǔn)在產(chǎn)品與其所經(jīng)過的輥?zhàn)又g形成的“楔形物”(圖3),特別是在其改變方向的情況下(即具有一個25%或更大的包角)。這可能是一種“實(shí)際場合”,因?yàn)檩佔(zhàn)拥谋砻嫱ǔ>哂蟹瓷湫裕⑸晌矬w的鏡像。實(shí)際上,它被某些與其自身溫度相近的物體所包圍。

圖3、針對因目標(biāo)的溫度低于環(huán)境溫度而引起的發(fā)射率問題(如對于網(wǎng)狀產(chǎn)品),一種解決方案是把IRT對準(zhǔn)由輥?zhàn)雍彤a(chǎn)品所形成的“楔形物”。

給讀者的建議市面上有許多性能出色的非接觸式溫度傳感器,生產(chǎn)廠商均極力勸說您購買其產(chǎn)品。必需牢記不要以為只要溫度傳感器接通,就可以指望它們執(zhí)行您所分配的工作。必須為它們提供最佳的工作環(huán)境,或者對那些并非最佳的工作環(huán)境進(jìn)行校正。
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