Nguyên lý lý thuyết và ứng dụng của nhiệt kế hồng ngoại
Có nhiều cách để đo nhiệt độ. Nhiệt kế có thể được chia thành hai loại: dụng cụ đo nhiệt độ tiếp xúc và dụng cụ đo nhiệt độ không tiếp xúc. Loại tiếp xúc bao gồm nhiệt kế chất lỏng quen thuộc, nhiệt kế cặp nhiệt điện và nhiệt kế điện trở nhiệt, v.v. Như chúng ta đã biết, nhiệt độ là một trong những thông số quan trọng nhất trong hệ thống sưởi ấm, cung cấp khí đốt, thông gió và điều hòa không khí. Đặc biệt trong quá trình đo lường kỹ thuật nhiệt, độ chính xác của nhiệt độ thường là chìa khóa thành công hay thất bại của thí nghiệm. Do đó, một dụng cụ đo nhiệt độ có độ chính xác cao là rất cần thiết trong kỹ thuật. Vì vậy, bài viết này giới thiệu một số nguyên lý hoạt động và ứng dụng của nhiệt kế hồng ngoại trong dụng cụ đo nhiệt độ.
Nguyên lý lý thuyết đo nhiệt độ hồng ngoại:
Trong tự nhiên, khi nhiệt độ của một vật cao hơn độ không tuyệt đối, do tồn tại chuyển động nhiệt bên trong, nó sẽ liên tục bức xạ sóng điện từ ra xung quanh, trong đó có tia hồng ngoại có dải sóng 0.75µm~ 100µm. Đặc điểm của nó là ở một nhiệt độ và bước sóng nhất định, năng lượng bức xạ do vật phát ra có giá trị cực đại. Loại vật liệu này được gọi là vật thể màu đen và hệ số phản xạ của nó được đặt thành 1. Hệ số phản xạ của các vật liệu khác nhỏ hơn 1, được gọi là vật thể màu xám, vì công suất bức xạ quang phổ P(λT) của vật thể màu đen và nhiệt độ tối đa T thỏa mãn định luật Planck. Chứng tỏ rằng ở nhiệt độ cực đại T, công suất bức xạ của vật đen trên một đơn vị diện tích ở bước sóng λ là P(λT).
Khi nhiệt độ tăng thì năng lượng bức xạ của vật càng mạnh. Đây là điểm khởi đầu của lý thuyết bức xạ hồng ngoại và cơ sở thiết kế của nhiệt kế hồng ngoại đơn dải.
Khi nhiệt độ tăng, cực đại bức xạ di chuyển theo hướng sóng ngắn (sang trái) và nó thỏa mãn định lý chuyển vị Wien, bước sóng tại cực đại tỷ lệ nghịch với nhiệt độ cực đại T và đường chấm chấm là đường nối đỉnh. Công thức này cho chúng ta biết tại sao nhiệt kế có nhiệt độ cao chủ yếu hoạt động ở bước sóng ngắn và nhiệt kế có nhiệt độ thấp chủ yếu hoạt động ở bước sóng dài.
Tốc độ thay đổi năng lượng bức xạ theo nhiệt độ ở sóng ngắn lớn hơn ở sóng dài, nghĩa là nhiệt kế làm việc ở sóng ngắn có tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tương đối cao (độ nhạy cao) và cường độ mạnh. chống nhiễu. Nhiệt kế nên cố gắng chọn hoạt động ở bước sóng cực đại. Đặc biệt trong trường hợp nhiệt độ thấp và các mục tiêu nhỏ, điều này đặc biệt quan trọng.
Hai: Nhiệt kế hồng ngoại bao gồm hệ thống quang học, máy dò quang điện, bộ khuếch đại tín hiệu, xử lý tín hiệu, đầu ra màn hình và các bộ phận khác. Bức xạ từ đối tượng được đo và nguồn phản hồi được điều chế bởi bộ điều biến và sau đó được đưa vào đầu dò hồng ngoại. Sự khác biệt giữa hai tín hiệu được khuếch đại bởi bộ chống khuếch đại và kiểm soát nhiệt độ của nguồn phản hồi, sao cho bức xạ phổ của nguồn phản hồi giống như của vật thể. Màn hình hiển thị nhiệt độ độ sáng của đối tượng đo
Các chỉ số hiệu suất và lựa chọn ba nhiệt kế hồng ngoại:
Các chỉ số hoạt động của nhiệt kế hồng ngoại bao gồm: phạm vi đo nhiệt độ, độ phân giải màn hình, độ chính xác, phạm vi nhiệt độ môi trường làm việc, độ lặp lại, độ ẩm tương đối, thời gian đáp ứng, nguồn điện, phổ đáp ứng, kích thước, hiển thị giá trị tối đa, trọng lượng, độ phát xạ, v.v. như sau khi chọn:
1. Xác định phạm vi đo nhiệt độ: Phạm vi đo nhiệt độ là chỉ số hoạt động quan trọng nhất của nhiệt kế. Mỗi loại nhiệt kế có phạm vi nhiệt độ cụ thể của riêng mình. Do đó, dải nhiệt độ đo được của người dùng phải được xem xét chính xác và toàn diện, không quá hẹp cũng không quá rộng. Theo định luật bức xạ vật đen, trong dải bước sóng ngắn của quang phổ, sự thay đổi năng lượng bức xạ do nhiệt độ gây ra sẽ vượt quá sự thay đổi năng lượng bức xạ do sai số phát xạ.
2 Xác định kích thước mục tiêu: Nhiệt kế hồng ngoại có thể được chia thành nhiệt kế một màu và nhiệt kế hai màu (nhiệt kế đo màu bức xạ) theo nguyên tắc. Đối với nhiệt kế đơn sắc, khi đo nhiệt độ, diện tích của mục tiêu cần đo phải lấp đầy trường quan sát của nhiệt kế. Khuyến nghị rằng kích thước mục tiêu đo được vượt quá 50 phần trăm trường nhìn. Nếu kích thước mục tiêu nhỏ hơn trường nhìn, năng lượng bức xạ nền sẽ đi vào các biểu tượng hình ảnh và âm thanh của nhiệt kế và gây nhiễu cho các kết quả đo nhiệt độ, gây ra sai số. Ngược lại, nếu mục tiêu lớn hơn trường nhìn của hỏa kế, hỏa kế sẽ không bị ảnh hưởng bởi nền bên ngoài khu vực đo. Đối với hỏa kế hai màu, nhiệt độ được xác định bằng tỷ lệ năng lượng bức xạ trong hai dải bước sóng độc lập. Do đó, khi mục tiêu cần đo nhỏ, không lấp đầy trường nhìn và có khói, bụi và vật cản trên đường đo làm suy giảm năng lượng bức xạ, nó sẽ không ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo. . Đối với các mục tiêu nhỏ và di chuyển hoặc rung động, nhiệt kế hai màu là lựa chọn tốt nhất. Điều này là do đường kính nhỏ của các tia sáng và tính linh hoạt của chúng trong việc vận chuyển năng lượng bức xạ ánh sáng qua các kênh cong, bị chặn và gấp khúc.
3 Xác định hệ số khoảng cách (độ phân giải quang học): Hệ số khoảng cách được xác định theo tỷ lệ D:S, nghĩa là tỷ lệ khoảng cách D giữa đầu dò của nhiệt kế đến mục tiêu và đường kính của mục tiêu được đo. Nếu nhiệt kế phải được lắp đặt cách xa mục tiêu do điều kiện môi trường và phải đo mục tiêu nhỏ, nên chọn nhiệt kế có độ phân giải quang học cao. Độ phân giải quang học càng cao, tức là tăng tỷ lệ D:S, thì giá thành của hỏa kế càng cao. Nếu nhiệt kế ở xa mục tiêu và mục tiêu nhỏ, nên chọn nhiệt kế có hệ số khoảng cách cao. Đối với một hỏa kế có tiêu cự cố định, tiêu điểm của hệ thống quang học là vị trí nhỏ nhất của vết, và điểm gần và xa tiêu điểm sẽ tăng lên. Có hai yếu tố khoảng cách.
4. Xác định phạm vi bước sóng: Độ phát xạ và đặc điểm bề mặt của vật liệu đích xác định bước sóng tương ứng của phổ hỏa kế. Đối với vật liệu hợp kim có hệ số phản xạ cao thì có hệ số phát xạ thấp hoặc thay đổi. Ở vùng nhiệt độ cao, bước sóng tốt nhất để đo vật liệu kim loại là cận hồng ngoại và 0.8-1.0 μm có thể được chọn. Các vùng nhiệt độ khác có thể chọn 1,6μm, 2,2μm và 3,9μm. Vì một số vật liệu trong suốt ở một bước sóng nhất định, năng lượng hồng ngoại sẽ xuyên qua các vật liệu này và nên chọn bước sóng đặc biệt cho vật liệu này.
5 Xác định thời gian phản hồi: Thời gian phản hồi cho biết tốc độ phản ứng của nhiệt kế hồng ngoại đối với sự thay đổi nhiệt độ đo được, được định nghĩa là thời gian cần thiết để đạt được 95 phần trăm năng lượng của lần đọc cuối cùng và nó có liên quan đến hằng số thời gian của bộ tách sóng quang, mạch xử lý tín hiệu và hệ thống hiển thị có liên quan. Nếu tốc độ di chuyển của mục tiêu rất nhanh hoặc khi đo mục tiêu phát nhiệt nhanh, nên chọn nhiệt kế hồng ngoại phản ứng nhanh, nếu không sẽ không đạt được phản hồi tín hiệu đầy đủ và độ chính xác của phép đo sẽ giảm. Tuy nhiên, không phải tất cả các ứng dụng đều yêu cầu nhiệt kế hồng ngoại phản ứng nhanh. Đối với các quá trình nhiệt tĩnh hoặc mục tiêu có quán tính nhiệt, thời gian đáp ứng của nhiệt kế có thể được nới lỏng.
6. Chức năng xử lý tín hiệu: Do sự khác biệt giữa quy trình rời rạc (chẳng hạn như sản xuất bộ phận) và quy trình liên tục, nhiệt kế hồng ngoại bắt buộc phải có nhiều chức năng xử lý tín hiệu (chẳng hạn như giữ đỉnh, giữ đáy, giá trị trung bình) để chọn, chẳng hạn như đo nhiệt độ trên băng chuyền Khi sử dụng chai, cần sử dụng giá trị cực đại để giữ và tín hiệu đầu ra về nhiệt độ của nó được gửi đến bộ điều khiển. Nếu không, nhiệt kế đọc giá trị nhiệt độ thấp hơn giữa các chai. Nếu sử dụng tính năng giữ đỉnh, hãy đặt thời gian phản hồi của nhiệt kế dài hơn một chút so với khoảng thời gian giữa các chai để ít nhất một chai luôn được đo.
7 Xem xét điều kiện môi trường: Điều kiện môi trường của nhiệt kế có ảnh hưởng lớn đến kết quả đo, cần được xem xét và giải quyết hợp lý, nếu không sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo nhiệt độ, thậm chí gây hư hỏng. Khi nhiệt độ môi trường cao và có bụi, khói và hơi nước, có thể chọn vỏ bảo vệ, làm mát bằng nước, hệ thống làm mát không khí, lọc không khí và các phụ kiện khác do nhà sản xuất cung cấp. Những phụ kiện này có thể giải quyết hiệu quả các ảnh hưởng của môi trường và bảo vệ nhiệt kế để đo nhiệt độ chính xác. Khi chỉ định các phụ kiện, nên yêu cầu dịch vụ tiêu chuẩn hóa càng nhiều càng tốt để giảm chi phí lắp đặt.
8. Hiệu chuẩn nhiệt kế bức xạ hồng ngoại: nhiệt kế hồng ngoại phải được hiệu chuẩn để có thể hiển thị chính xác nhiệt độ của đối tượng đo. Nếu trong quá trình sử dụng, phép đo nhiệt độ của nhiệt kế được sử dụng vượt quá giới hạn cho phép, cần phải trả lại cho nhà sản xuất hoặc trung tâm sửa chữa để hiệu chuẩn lại.
Các tính năng của Nhiệt kế hồng ngoại bốn
1. Phép đo không tiếp xúc: Không cần chạm vào bên trong hoặc bề mặt của trường nhiệt độ đo được nên sẽ không ảnh hưởng đến trạng thái của trường nhiệt độ đo được và bản thân nhiệt kế sẽ không bị trường nhiệt độ làm hỏng.
2. Phạm vi đo rộng: Vì là phép đo nhiệt độ không tiếp xúc nên nhiệt kế không nằm trong trường nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn mà hoạt động ở nhiệt độ bình thường hoặc trong điều kiện nhiệt kế cho phép. Trong những trường hợp bình thường, nó có thể đo âm hàng chục độ đến hơn ba nghìn độ.
3. Tốc độ đo nhiệt độ nhanh: tức là thời gian đáp ứng nhanh. Miễn là nhận được bức xạ hồng ngoại của mục tiêu, nhiệt độ có thể được cố định trong một thời gian ngắn.
4. Độ chính xác cao: Phép đo nhiệt độ hồng ngoại sẽ không phá hủy sự phân bố nhiệt độ của chính vật thể như phép đo nhiệt độ tiếp xúc, do đó độ chính xác của phép đo cao.
5. Độ nhạy cao: Chỉ cần có một sự thay đổi nhỏ về nhiệt độ của vật thể, năng lượng bức xạ sẽ thay đổi rất nhiều, rất dễ phát hiện. Nó có thể đo nhiệt độ của trường nhiệt độ nhỏ và
6. Đo phân bố nhiệt độ và đo nhiệt độ của vật chuyển động hoặc quay. An toàn và tuổi thọ dài.
Nhược điểm của năm nhiệt kế hồng ngoại:
1. Dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường (nhiệt độ môi trường, khói bụi trong không khí,…)
2. Nó có ảnh hưởng lớn đến việc đọc nhiệt độ của bề mặt kim loại sáng hoặc bóng
3. Chỉ giới hạn đo nhiệt độ bên ngoài vật thể, bất tiện khi đo nhiệt độ bên trong vật thể và khi có vật cản
Thận trọng khi sử dụng sáu nhiệt kế hồng ngoại:
(1) Độ phát xạ của đối tượng thử nghiệm phải được xác định chính xác;
(2) Tránh ảnh hưởng của các vật có nhiệt độ cao trong môi trường xung quanh;
(3) Đối với vật liệu trong suốt, nhiệt độ môi trường xung quanh phải thấp hơn nhiệt độ của vật thể đo;
(4) Nhiệt kế phải được căn chỉnh thẳng đứng với bề mặt của vật cần đo và trong mọi trường hợp, góc không được vượt quá 30 độ
(5) Nó không thể được sử dụng để đo nhiệt độ trên bề mặt kim loại sáng hoặc bóng, và không thể được sử dụng để đo nhiệt độ qua kính;
(6) Chọn đúng hệ số theo dõi, đường kính mục tiêu phải lấp đầy trường nhìn;
(7) Nếu nhiệt kế hồng ngoại đột ngột tiếp xúc với chênh lệch nhiệt độ môi trường từ 20 độ trở lên, dữ liệu đo sẽ không chính xác và giá trị nhiệt độ đo được sẽ được lấy sau khi nhiệt độ được cân bằng. .
Bảy kế hoạch cải tiến:
Do nhiệt kế hồng ngoại thông thường chỉ giới hạn trong việc đo nhiệt độ bên ngoài của vật thể, nên việc đo nhiệt độ bên trong vật thể và khi có chướng ngại vật là bất tiện, do đó, có thể thêm một đoạn sợi quang vào đầu phát hiện và một thấu kính. với góc nhìn nhỏ có thể được lắp đặt ở đầu trước, sao cho Năng lượng bức xạ của vật được đo đi qua thấu kính vào bên trong sợi quang. Sau nhiều lần phản xạ trong sợi quang, nó được truyền đến máy dò. Do sợi quang có thể uốn cong tự do nên bức xạ có thể xoay tự do, điều này giải quyết được vấn đề đo nhiệt độ bên trong của vật thể và có thể đo nhiệt độ của những nơi như góc bị chướng ngại vật chặn.
