2.非接触式温度测量原理

非接触式温度测量原理 红外理论知识 Raytek, Ircon, and Datapaq–Together we are Fluke Process Instruments. 目录 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理 ·2· 1 简介.3 2 红外辐射的发现3 3 使用红外温度计测量温度的优点3 4 红外系统.4 4.1 目标.4 4.1.1 测定发射率.5 4.1.2 测量金属.6 4.1.3 测量塑料.6 4.1.4 测量玻璃.7 4.2 环境条件7 4.3 光学部件和窗口.8 4.4 瞄准器10 4.5 检测器11 4.6 显示屏和接口.11 4.7 红外温度计的技术参数12 4.8 校准 .13 5 特殊高温计 .13 5.1 光纤高温计 13 5.2 比率高温计 13 5.3 成像系统14 5.3.1 红外线扫描器15 5.3.2 矩阵相机16 6 小结.16 7 参考文献.17 图 1：威廉·赫歇尔 (1738 ‒ 1822) 发现了红外辐射 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理 图 2：现代小型化数字式红外高温计 福禄克过程仪器事业部：Endurance 系列 ·3· 本说明手册的阅读对象是那些不熟悉非接触式红 外温度测量的人员。我们尝试着尽可能简单明了地说明 这一主题。希望更深入了解的读者可进一步阅读建议的 文献资料。本手册将重点放在非接触式温度测量装置和 红外测量法的操作上，并回答可能提出的重要问题。如 果您计划使用非接触式温度测量装置并需要其它装置， 请在使用前填写表格（请见附录）。 温度是最常测量的物理参数，仅次于时间的测量。 在生产和质量控制中，温度扮演着重要角色，可用来指 示产品或机器部件的状况。精确的温度监视有助于提高 产品质量和生产力。生产过程可在最佳条件下不间断地 进行，停产时间缩短。红外技术并非是一种新技术。这种 技术已在工业和研究领域中被成功采用了数十年。而 且，新的技术发展降低了成本，提高了可靠性，产生了更 小型化的非接触式红外温度测量装置。这些因素已使红 外技术引起新的应用领域和用户的兴趣。 1. 简介 火和冰所具有的一热一冷极端温度总是让我们着 迷并给我们带来挑战。一直以来，人们使用各种技术和 装置来精确测量并比较温度状况。例如，在早期的陶瓷 生产中，所使用的可熔化材料会通过变形指示出达到了 较高温度。而烘培师则使用一张纸来判断冷热：纸在炉 中变为棕色的速度越快，烘炉的温度就越高。这两种方 法的缺点是，它们都是不可逆的，即不能确定冷却。而 且，结果的准确度也严重依赖于用户及其经验。直到 17 世纪上半叶首个验温器的发明，才能够开始测量温度。 随着验温器的演变（没有标度），后来的温度计有了各种 建议的标度。在 1724 和 1742 年间，丹尼尔·加布里埃 尔·华伦海特和安德斯·摄尔修斯定义了或许我们可以 认为最常用的两种温标。 19世纪初，物理学家威廉·赫歇尔发现了红外辐 射。这一发现为温度测量带来新的可能性：不用接触，因 而不会影响被测量的物体和测量装置自身。 早期的红外温度测量装置笨重且操作很复杂。今 天，这种测量装置的形象已完全改变。现代红外温度计 小巧舒适，易于操作，甚至可安装到机器设备内。从多用 途的手持装置到适合集成到现有过程系统中的专用传 感器，产品种类丰富多样。大多数红外温度传感器都随 附有用来收集和分析测量数据的各种附件和软件。 2. 红外辐射的发现 3. 使用红外温度计测量温度的优点 1. 速度快（在毫秒范围内），节省时间，可执行更多次测 量和积累更多数据 （可以确定温度区域）。 2. 便于测量移动的目标（移动过程）。 3. 可对危险物体或无法触及的物体（高压部件、大测量 距离）执行测量。 4. 顺利测量高温（高于 1300°C）。接触式温度计通常不 能在这种条件下使用，即使可以使用也寿命有限。 5. 由于目标物体没有能量损失，不会有干扰。例如，对于 塑料或木材等不良导热体，测量十分准确，不会像接触 式温度计那样发生测量值失真。 6. 非接触式温度测量不会产生磨损，因而没有污染风 险，也不会对物体表面造成机械影响。例如，喷漆或带涂 层的表面不会被划伤，并且可以测量软质表面。 非接触式温度测量有何的优点： 1. 目标对于红外温度计来说必须可见（红外线可见）。粉 尘或烟雾量过高会使测量变得不够精确 。固体障碍 虽然有上述优点，但在使用红外温度计时应 注意以下几点： 小结： 物（如封闭的金属反应容器）不能够进行内部测量。 2. 必须为传感器的光学部件提供防尘和防冷凝液保护。 （制造商为此提供有必要配件。） 3. 通常只能测量表面温度，测量时需将不同材料表面的 不同发射率考虑在内。 非接触式红外温度测量的主要优点是速度快、无干 扰且能够测量最高 3200°C 的温度。应注意的是，只 能测量表面温度。 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理 ·4· 图 3：红外测量系统 图 4：范围为 1 - 20 µm 的可用于测量的电磁波谱 图 5：黑体与其温度相关的辐射特性 /3/ 图 5 显示了一个物体在不同温度下的典型辐射。如 图 所示，高温下的物体仍会发出少量可见光辐射。因 此 ， 每个人都可看到处于极高温度（高于600°C）的物 体 ， 发 出的光介于红色和白色之间 。有 经验 的炼钢工人 甚 至可 从 颜色 就能相当精确地低估计出温度 。 传统的隐 丝式光测高温计从 1930 年起曾在钢铁工业中使用。 红 外 测温仪类似于人眼 。 人 眼的 水晶体就是一个光 学 部 件 ， 来 自 物 体的辐射（光子流 ）经 由大 气从该部件通 过 ，到达光敏层（视网膜）。该光子流转换为一个信号 并 发送到大脑。 图 3 显示了红外测量系统的工作原理。 4. 红外系统 4.1 目 标 温度高于绝对零度 (-273.15°C / -459.8°F) 的每种 形 态 的 物质都会根据其温度发出红外辐射 。这 种辐射称 作特征辐射 。 辐射原因是其内部分子的机械运动 。 运动 强度取决于物体的温度 。 由于分子运动代表电荷位移， 因而发出电磁辐 射（光子 颗粒 ） 。这些光子以光速运动， 行为遵循已知的光学原理 。 这些光子可以偏转 、用透镜 聚 焦 或 由反射性表面反射 。这 种辐 射的 光谱波长范围为 0.7-1000µm。因此 ， 人 眼 通 常看不到这种辐射 。这个范 围 介 于 红色可见光区域内，因此按拉丁语“infra red” 称 为 “红外” ， 请见 图 4。 不过 ， 该波谱的不可见部分包含高达 100000 倍的 更高能量。红外测量技术就建立在此部分光谱基础上。 同样，在 图 5 中可以看到，随着目标温度的上升，辐射 最大值向更短的波长移动，而且物体的曲线在不同温度 下不会重叠。整个波长范围内的辐射能量（每条曲线下 面的面积）随温度的 4 次方上升。这些关系是在 1879 年由斯蒂芬和玻尔兹发现的，它们表明，可从辐射信号 来测量出明确的温度。 /1/ /3/ /4/ /5/ 目标 带光学部件 的传感器 大气 显示屏和接口 所使用的 红外范围 4.1.1 测定发射率 图 6：除了从目标物体发射的辐射外，传感器还会接收反射的 辐射，且可以让辐射通过。 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理 图 7：不同波长下的发射率 ·5· 很 多非 金 属材 料 （如木材 、塑料 、橡 胶 、有 机材 料 、岩 石或混凝土 ） 具有反射性很低的表面 ，因此具有介于 0.8 和 0.95 之间的高发射率 。 相比之下 ，金属（尤其是那些 具有抛光表面或闪亮表面的金属 ）具有大约为 0.1 的发 射 率 。红外温度计通过设置发射率的不同数值对此加以 补偿，请另见 图 7。 从 图 5可 以 看 出 ， 应 该 将 红 外温 度计 设置 到尽 可 能 最大的范围，以便从目标获得最多能量（相应于曲 线 下 方 的面积）或最大信号。不过，在某些情况下，这 样 设置不 总 是 有 利 的 。 例 如 在图 5中，辐射强度在2µm 处 随 温 度的增加程度远大于在10µm处的增加程度。单 位 温 度差的辐射差越大，红外温度计的测量精度越高。 根 据 辐射最大值随温度的增加而向较小波长的 位 移 （ 維恩位移定律），波长范围应符合高温计的测量 温 度 范 围。 在较低温度下，在2µm下工作的红外温度 计会在低于6 00°C的温度下停止工作，由于辐射能量 太 小， 几乎看不到任何东西。测量装置具有不同波长范 围 的 另外一个原因在于某些称作灰体的材料（玻璃、金 属 和塑料薄膜）的发射率特点。图5显 示 的 是 理想情 况 ，即所谓黑体的发射率。但是，很多物体在相同温度 下 发出的辐射量较少。实际发射功率与黑体发射功率 之 间 的关系称作发射率ɛ ， 其最大值为1（该物体相当 于 理想黑体），最小值为0。发 射 率小于1的物体称作灰 体。 发射率还依赖于温度和波长的物体称作非灰体。 而且， 发射率等于吸收率 (A)、 反射率 (R) 透射 率 (T) 之和且等于 1。（请见公式 1 和 图 6） A + R + T = 1 (1) 固体在红外范围内没有透射 (T = 0)。根据基尔霍夫 定 律 ，由一个物体吸收的并导致温度上升的所有辐射 随 后也都由此物体发射出去。对于吸收和发射，结果 为： A E = 1 ‒ R (2) 理想黑体没有反射 (R = 0)，因此 E = 1。 可通过各种方法来测定物体的发射率。在发射率表中， 可以找到许多常用材料的发射率。发射率表还有助于找 到给定材料的适宜波长范围，从而找到适宜测量装置。 特别是金属材料，这种表中的值只能用于判断大致情 况，因为表面状况（例如，是否抛光、是否氧化或有鳞片） 会比材料本身材质对发射率的影响更大。也可以自己使 用不同方法来测定某种材料的发射率。为此，需要使用 一个可设置发射率的高温计。 1. 将材料样品加热到一个已知温度，以便能够使用接触 式温度计（如热电偶）极为精确地测量温度。然后，使用 红外温度计测量目标温度。更改发射率，直至温度读数 与接触式温度计测量的温度读数相符。保留此发射率以 用于将来对这种材料进行的所有测量。 2. 在相对较低的温度下（最高 260°C），在目标物体上贴 上一块具有已知发射率的专用塑料标签。使用该红外测 量装置测定标签温度及相应发射率。. 测量不带标签的 目标物体表面温度，然后重新设置发射率，直至显示正 确的温度值。将用这种方法测定的发射率用于对这种材 料的目标物体执行的所有测量。 热源 目标 传感器 A 环境 B 反射 C 发射 D 透射 ε = 1.0（黑体） ε = 0.9（灰体） ε 随波长而变（灰体） 波长 [µm] 发射率 图 8：设置的发射率误差为 10% 时的测量误差，取决于波长 和目标温度。 图 10：塑料薄膜的透光率。无论厚度如何，聚丙烯在 3.43 µm 处 均不透明。 温度 [°C] 波长 [µm] 3. 使用待测量材料样本制作一个黑体。在该物体上钻一 个孔 。孔的深度应至少是其直径的 5 倍。直径必须与要 使用测量装置测量的点的大小相符。如果内壁的发射率 大于 0.5，腔体的发射率现在大约为 1，那么在孔中测量 的温度是该目标物体的正确温度。如果现在将红外温度 计指向目标物体的表面，请更改发射率，直至显示的温 度与之前测得的“黑体”温度值相符。用这种方法测定的 发射率可用于对同种材料执行的所有测量。 4. 如果目标物体可以涂漆，请用一种无光黑漆（3M公司 的3-M Black 或 Weilburger Lackfabrik 公司（Grebe 集 团）的Senotherm，它们的发射率各为大约0.95）喷涂 表面。测量此黑体的温度，然后按前面所述设置发射率。 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理 ·6· 图 9：通过精确测量厚板、钢坯或金属坯块的温度来确保产品均匀性4.1.2 测量金属 金属的发射率取决于波长和温度 。由于金 属通 常具 有 反 射性 ，它 们 的发射率一般较低 ， 会产生相异且不可 靠 的 结果 。在 这 种情况下 ，请 务必 选择一种测量特定波 长下以及特定温度范围内的红外辐射的仪表 ，此时金属 具 有 最高发射率 。 对 于很多金属 ，测量 误差 随波长的增 加而变大，这意味着，测量时应选择尽可能短的波长， 请见图8。 4.1.3 测量塑料 塑料的透光率随厚度而变，且与厚度成反比。薄塑 料的透射率比厚塑料的透射率要高。 为了实现最佳温度测量，请选择一个使透光率将近 为零的波长。某些塑料（聚乙烯、聚丙烯、尼龙和聚苯乙 烯）在 3.43 µm 处不透光；而另外一些塑料（聚酯、聚氨 酯、特氟龙 FEP 和聚酰胺）在 7.9 µm 处不透光。对于较 厚 ( 0.4 mm) 和带有很深颜色的薄膜，应选择介于 8 和 14 µm 之间的一个波长。 如果仍不确定，请将塑料样品发送到红外装置的制 造商来选定测量用的光谱带宽。很多塑料薄膜具有大约 5% 的透光率。 对于金属而言，测量高温时的最佳波长大约为 0.8 - 1.0 µm，处于可见光范围的极限位置。也可以使用波长 1.6、2.2 和 3.9 µm。在需要跨越相对较宽的温度范围进 行测量且发射率随温度变化的场合（如加热过程），使用 比色高温计可取得良好结果。 0.3 mm 厚 0.13 mm 厚 聚乙烯 图 11：挤出薄膜、挤出涂层和层压制品的非接触式温度测量 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理 图 12：取决于厚度的玻璃透光率 ·7· 4.1.4 测量玻璃 在使用红外温度计测量玻璃的温度时，反射率和透 射率均必须考虑。通过仔细选择波长，可以测量表面及 一定深度处的温度。 测量表面以下的温度时，应使用适合 1.0、2.2 或 3.9μm波长的传感器。建议使用适合5μm波长或适合 7.9μm波长的传感器来测量极薄板材的表面温度或极 低温度。由于玻璃是不良导热体，表面温度会迅速改变， 建议使用具有较短响应时间的测量装置。 透光率 (tλ) 波长 (λ) [μm] 波长 [μm] 图 13：从熔化状态直至冷却过程，连续温度监视可确保玻璃在生产 过程（本例中是玻璃板的回火）行进的过程中达到要求。 图 14：32°C 和 75% 相对湿度下，1 m 长空气光路的透光率/3/ 小结： 每个物体都会发出红外辐射。这种辐射仅在高于 600°C的温度下用裸眼可以看到（例如，炙热的铁）。 波长范围是 0.7 - 1000 µm。黑体会吸收和发射对应 于其特征温度的100%辐射。在分析发射的辐射时， 所有其它物体的辐射都与这个辐射值相比，称作发 射率。 4.2 环境条件 仅 针对特定光谱范围选择红外温度计（光谱辐射高 温 计 ）的另一个原因是传输路径（通常为环境空气 ） 的传 输 特性 。 大 气 中的某些成分（如水蒸汽和二氧化碳 ）吸收 特定波长的红外辐射 ， 从而导致传输损耗 。 若不考虑吸 收 介质 ， 这 会 导致显示的温度读数低于实际目标物体的 温 度。幸运的是，红外光谱中的某些范围不含有这些 吸 收带。 图 14 显示了一条空气中的距离为 1 m 的传 输曲线。典型测量范围为 1.1‒1.7 µm、2‒2.5 µm、3‒5 µm 和 8‒14 µm。由于制造商已为所有红外测量装置 提供大气校正滤光片，用户不必有这种担心。 透光率 % 图 16：Thermalert 4.0 系列高温计（福禄克过程仪器事业部） 可耐受高达 85°C (185°F) 的环境温度，无需任何附加冷却 图 17：目标物体必须完全填充待测光点才能进行测量，否则 测量值将不正确（例外：比色高温计）。 小结： 目标物体周围环境中的热辐射也应该考虑在内。较高炉 壁温度可能会导致工业燃炉中金属件的温度测量结果 产生误差。很多红外测量装置已将环境温度的影响考虑 在内，并内置有补偿装置。另外一种可能是目标物体显 示处过高温度。正确设置的发射率连接用另一个温度传 感器进行的自动背景温度补偿可确保获得更精确结果。 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理 ·8· 图 15：在目标物体的温度低于周围环境温度的场合，背景温度 补偿十分重要。 大气中的尘土、烟雾和悬浮物会污染光学部件，从 而产生错误的测量值。为了防止悬浮物在镜头沉积下 来，提供了可选配的空气吹扫配件。这些配件通常是连 有压缩空气源的旋入式管接头。压缩空气确保在光学部 件的前面产生正压，从而防止污染颗粒聚积。如果在测 量过程中产生大量粉尘或烟雾并影响结果，则应使用比 色高温计。 红外传感器是电子装置，只能在特定工作温度范围 内正常工作。某些传感器所允许的温度上限为 85°C。在 允许的工作温度以外，必须使用空气冷却或水冷却附 件，而且必须针对高温应用使用专用的连接电缆。采用 水冷却时，结合使用空气吹扫配件常常十分有用可防 止光学部件上形成冷凝液。 传感器 烘炉，1100°C 目标物体，900°C 因素 解决方案 ·环境辐射的温度高于 目标物体温度 ·大气中的粉尘、蒸汽、 颗粒物 ·使用具有背景辐射补 偿功能的传感器 ·遮蔽目标物体的背景 ·使用空气吹扫附件 ·比色高温计 ·高工作温度 · 使用隔热装置 · 空气冷却或水冷却 · 使用空气吹扫附件 · 隔热板 4.3 光 学 系 统 和 窗口 红 外 温 度计的光学系统收集从一个圆形测量光点 发出的红外能量 ， 并将其聚焦在探测器上 。 目标物体必 须 完 全 填充该光点，否则红外温度计会看到来自背景 的 其它温度辐射，从而使测量值不准确，请见图17。 传感器 非常好 临界 不正确 目标尺寸 大于光点 目标尺寸和 光点尺寸相同 目标尺寸 小于光点 图 18：红外传感器的光学示意图。在 130 mm 距离处，测量的 光点大小为 33 mm，给出的比值大约为 4:1。 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理·9· 光 学分辨率定义为测量装置离目标物体的距离与 光点直径之间的关系 (D:S) 。 此值越大 ，测量装置的光学 分 辨率越佳， 且在给定距离上目标物体的尺寸可以更 小，请见 图 18。 口材 料时应注意，应根 据传感器 的光谱 灵敏度来 调整窗 口的透光值。 在较高温度下， 最常使用的材料为石英玻 璃。 在较低温度下（ 波长范围8-14µm）， 需要使用特殊的 红外透射材料，如锗、 Amtir或硒化锌。 在选择窗口时，应 考虑光谱灵敏度参数、 窗口直径、 温度要求、最 大窗口压 力差和环境条件以及保持窗口两侧不受污染的可能方 式。 为了能够将测量装置与目标物体更好地对准（例如， 在真空容器中）， 拥有可见光范围内的透明性也十分重 要。 窗口的透光率在很大程度上取决于其厚度。 对于直 径为 25 mm 的窗口（应能够耐受 1 个大气压的压力 差），1.7 mm 厚度就足够了。 具有防反射涂层的窗口表现出高得多的透光率（高 达 95%）。如果制造商规定了相应波长范围的透光率， 则那么可通过发射率设置来 校正传输损耗。例如，透光 率为 68% 的 Amtir 窗口用于测量发射率为 0.9 的目标 物体。然后，0.9 乘以 0.68，得到 0.61。这就是需要在测 量装置上设置的发射率值。 光 学系统本身可以是镜面光学部件或透镜光学部 件 。 由 于透镜材料的波长范围 ，透 镜只能用于特定波长 范围 。 但 出 于设计原因 ，透 镜 是首 选解决方案 。该光 学部 件 通常是一种所谓固定焦距 光 学系 统 ， 即 ， 焦点 位于 生 产商确定的一个测量距离上 ， 且数据表中所示的 D:S 比 率 仅在这个距离上适用 。 当然 ，高 温计也可在每个其它 测量距离上正确测量 ， 但 D:S 比率将略微降低 。此时 ，应 认 真 参阅测量装置的使用手册中的表和/或图 。 从技 术 角 度来看 ， 提 供 可变距离设置的光学部件是更佳解决方 案，因为用户总是能选择最大佳D:S 值。 图 19显示了一个具有手动调整焦距设置的测温 仪。 通 过装置上的一个旋钮或通过采用数字接口的遥控 器 ， 驱动一个伺服马达接收相应命令进行焦距调整。 Table 1 显示了红外温度计的一些典型透镜和窗口 材料以及它们的波长范围。/3/ 对于在密闭反应容器、 燃烧炉或真空室内进行的测 量，通常需要通过适宜的测量窗口执行测量。在选择窗 光点直径 距离 图 19：具有可变距离设置的高温计 ‒ 具有可变焦距的 Endurance 系列（福禄克过程仪器事业部）。在现场， 可以手动控制可变焦距。尤其是，该系列采用通过透镜 测光瞄准装置，即使测量距离改变，也可精确标记光点。 表 1：各种窗口材料概览 建议的红 外 波长范围 最高窗口 温度 可见光 范围内 透射 抗潮湿、 酸、氨 化合物的 性能 适用于 UHV 蓝宝石 Al 2 O 3 1.4 μm 1800°C 是 非常好 是 F熔融 二氧化硅 SiO 2 1.2.5 μm 900°C 是 非常好 是 CaF 2 2.8 μm 600°C 是 差 是 BaF 2 2.8 μm 500°C 是 差 是 AMTIR 3.14 μm 300°C - ZnS 2.14 μm 250°C 是 良好 是 ZnSe 2.14 μm 250°C 是 良好 是 KRS5 1.14 μm - 是 良好 是 良好否 波长 [μm] 1.光学玻璃 2.氟化钙 (CaF2) 3.硒化锌 (ZnSe) 4.KRS5 5.石英玻璃 6.锗 7.硅 8.氟化锂 9.硫系化合物玻璃 IG-2 (Ge-As-Se) 图 14：32°C 和 75% 相对湿度下，1 m 长空气光路的透光率/3/ 图 21：激光瞄准 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理 ·10· 高温计常常装有一个集成式望远镜，用于测量光点的光学 瞄准。带有视频相机且连接有显示屏的瞄准器为用户简化瞄准 工作，并且可用来从控制站来定期控制高温计位置。而且，高温 计还可在内部或用螺丝在前面安装激光器。借助于激光束，用 户可更快和更精确地瞄准测量光点，从而大大简化了操作，特 别是对于便携式红外测量装置。在测量移动的物体或在不良光 线条件下测量时，使用激光来瞄准测量光点十分有用。 4.4 瞄准器 A 激光束 与光轴之间有一个偏移。这是最简单的模型，尤其适合光学分辨 率较低的装置（适用于较大的测量物体）。激光点大致瞄准测量 本体的中心，但在距离很近时，误差明显。 B 同轴激光束 此激光束来自光学部件的中心，并沿测量光轴同轴。在任何测量 距离上，都会精确标记测量光点的中心。 C 双激光 具有两个瞄准点的双激光可用于在较长距离上显示测量光点的 直径。通过这种双激光，用户无需猜测直径大小或事先进行计 算。而且，它还可防止用户在测量时出错。在较近距离处，红外光 点直径和激光光点直径不同。激光束之间的距离略大于所测量 的光点。这可能会迷惑用户充分理解此装置所列明的几何分辨 率图表。 D 交叉激光 交叉激光是特殊形式的双激光，用于具有专门焦点的传感器。两 个激光光点发生重叠处的距离就是测量最小面积的点（焦点）。 激光瞄准设置分为以下几种： B A C D 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理·11· 使用激光瞄准测量光点经证明是将红外测量装置 与测量物体精确对准的一种有效方法。望远镜仅适合对 明亮物体（高温物体）进行光学瞄准或在强烈日光下或 较大距离处执行测量时确定测量区域。 探测器是红外温度计的核心。它将接收到的红外辐 射转换为电信号，然后由电子系统作为温度值发送。除 降低红外温度计的成本外，处理器技术领域中的最新进 展还提高了系统稳定性、可靠性、分辨率和测量速度。 红外探测器分为两个大类：量子探测器和热探测 器。量子探测器（光电二极管）与冲击的光子直接相互作 用，产生电子对，因而产生电信号。热探测器（如热电堆 或辐射热测量计）根据冲击辐射大小而改变其温度读 数。温度变化导致在热电堆中产生电压变化以及在辐射 热测量计中产生电阻变化。由于需要自加热，热探测器 的速度比量子检测器要慢很多。（这里说的“慢得多”是 热探测器的 ms 与辐射热测量计的 ns 或 ηs 相比较。） 量子检测器最适合速度极快的成像系统和线扫描器。 4.5 探测器 可用的传输接口和测量值显示屏类型对于用户来 说十分重要。某些装置（尤其是手持装置）具有直接可读 数的显示屏和控制面板组合，它们是测量装置的主输 出。模拟量或数字量输出控制着控温系统中的其它显示 屏，或可用于调节。也可以直接连接数据记录仪、打印机 和计算机。 工业现场总线系统正变得越来越重要，为用户提供 了更高灵活性。例如，用户可以从控制站来设置传感器， 无需中断生产过程。也可以在同一条生产线上生产不同 产品时来更改参数。若没有这种远程设置选项，对传感 器参数（发射率、测量范围或限值）的任何更改都需要在 传感器上手动完成。由于传感器常常安装在难以接触的 位置，智能传感器可确保对过程进行连续监视和控制 而所需的现场人员操作很少。若发生故障（环境温度过 高、电源中断、部件故障），将自动显示错误消息。 4.6 显示屏和传输接口 图 22：借助于采用激光和光学瞄准的装置，可对尺寸较小的物体 执行精确光点测量(Raynger 3i+ 系列，福禄克过程仪器事业部)。 图 23：红外温度计的数据输出可直接连接到打印机或可编程逻辑 控制器 (PLC)。使用 PC 软件，可以创建与客户特定相关的图表。 小结： 如同相机，光学部件（如长焦镜头）的性能决定了可 以观察或测量的目标物体的尺寸。距离系数比（离 物体的距离与光点直径之比）可用来表征红外测量 装置中光学系统的性能。投射的光点必须完全填 充，以便得到精确的目标物体测量结果。为便于对 准，光学系统配有透镜同轴瞄准器或激光瞄准器。 透镜同轴瞄准器可由一个内置视频相机加以补充， 有利于远距离监视。如果在测量装置与目标物体之 间需要提供保护窗口，则必须选择适宜的窗口材 料。在此情况下，波长范围和操作条件扮演着重要 角色。 接口和输出 模拟量, 线性/非线性 数字量 2 线制 4-20 mA 0/4-20mA, 0-10V 4 线制 串口 RS232, RS485 Profibus, Ethernet, Profinet, 现场总线 图 24：当前红外测量装置中的接口示例。 高温计可以寻址，有利于多个设备可在一个网络上 运行（多点运行），从而降低装置成本。目前有多种总线 协议和现场总线类型，市场上有不同的转换器（网关）可 将与特定装置相关的命令转换为相应协议（如 Profibus PD）。在这方面，RS485 是常用硬件平台。 还可使用基于以太网接口的装置，这些装置具有自 身IP地址，可在公司内部网/互联网中经由一个标准 Web 浏览器直接来寻址。此时，以定义的时间间隔实现 快速在线测量应用在网络设置中会有问题。 配有数字接口的高温计的另一个优点是，可以使用 设备制造商提供的校准软件执行现场校准。 /6/、/7/ 和 /8/ A 中提供了全面总结，包括有关维护 和验证测量方法的说明。 4.7 红外温度计的技术参数 - 测量温度范围 由装置厂商定义的温度范围 ，在此范围内，测量值漂移 不会超出定义的限值。 - 测量值不确定性 真实测量值在规定概率下所处的容许区间，它与给定的 测量及环境温度有关。 - 温度漂移 温度漂移是由环境温度与测量不确定性参考温度之间 的偏差引起的额外测量误差（例如，对于 23 °C 的环境 温度，温度漂移为 0.01 K/K）。 - 温度分辨率 （噪声等效温度差） 由设备固有噪声引起的测量不确定部分。此参数用定义 的响应时间和测量温度来表示，如 0.1 K（测量温度为 100°C，响应时间为 150 ms）。 - 重复性 在相同条件下的较短时间段内，测量值的不确定性部 分。 - 长期稳定性 表示方式与测量不确定性相同，但涉及较长时间（数个 月 ）。 - 光谱范围 对于宽带光谱高温计，上限和下限用 µm 表示；对于窄 带光谱高温计，用平均波长和半峰宽表示，如 5 µm ± 0.5 µm。 - 测量面积大小 （取决于测量距离） 通常会指示信号下降到某个特定值（如 90%）时的测量 面积大小。其中包括测量距离。或者，也可以指示距离比 （距离与光点尺寸比） - 响应时间 目标物体的温度发生变化与显示相应测量值之间的时 间。详细指示内容包括突然的温度变化大小以及执行测 量时的限值。 - 采集时间 目标物体对测量装置可见，以便使返回的值能够跟随测 量值的最短时间。测量值可能会延迟显示。采集时间通 常比响应时间短。详细指示内容与响应时间相同。 - 运行温度和贮存温度 能够操作或贮存该装置的允许环境温度。 另外，还需要遵守装置的机械和电气操作条件（防护等 级、抗振性等）。 下面的重要技术参数描述了辐射温度计的特征，在选择 适当高温计时应加以考虑： 示例：t = 10 ms (25°C, 800°C, 95%) 示例：t = 1 ms (25°C, 800°C, 95 %) 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理 ·12· 1 校准证书编号 2034 PTB 02，辐射源的开孔直径为 60 mm， 在焦点处执行校准，环境温度 23°C ± 1°C 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理·13· 应对高温计进行定期检查，若存在偏差，需要重新 进行校准以保证其长期精度。为此，相应机构（如认证实 验室）需要知道制造商的校准操作方式，或者使用装置 的详细信息。最重要的参数是测量距离以及校准体的测 量面积和/或目标物体的大小。如果需要重新调整，则应 将装置返回到制造商，或者用户可以使用某些制造商随 测量装置提供的现场校准软件（如果有）来进行校准操 作。 根据具体设计，通过参考高温计（传递标准）或接触 式温度计（需要在合格的认证实验室进行定期校准）来 连接符合 ITS90 的校准体。/9/ 中详细介绍了这些方法。 4.8 校准 采用光纤的高温计用于涉及强电场或磁场干扰的 应用，适合在很高环境温度下、真空条件下或空间很小 的场合进行温度测量。使用这种高温计时，可以灵活的 电子系统置于危险区外部。典型应用包括感应加热和感 应焊接。由于光纤本身不含电子元件，工作温度可大大 提高，无需进行冷却（高达 300°C）。因为不需要提供水 冷却，每个测量点的安装和连续运行成本较低。 这些高温计可采用单模光纤或多模光纤束。多模光 纤束的优点是弯曲半径较小。 现代测量装置可以更换光纤电缆和光学部件而不 需要重新校准。只需输入一个多位数字的工厂校准编 号。光纤所适用的波长为 1µm 和 1.6 µm。它们可以测 量最低 250°C 的目标物体。 5.1 光纤高温计 5.2 比色高温计 图 25：使用一个传递标准高温计（Trirat LT，福禄克过程仪器 事业部；Raytek TRIRAT LT）来校准黑体 图 26：现代数字式光纤高温计 （Endurance 系列，福禄克过程仪器事业部） 表 2：指示传递标准的温度值和相关测量不确定性 温度 测量不确定性 2σ -49.9°C 0.11 K -20.0°C 0.08 K 0.0°C 0.07 K 25.1°C 0.07 K 50.1°C 0.07 K 100.0°C 0.08 K 150.0°C 0.17 K 200.0°C 0.18 K 250.0°C 0.20 K 270.0°C 0.21 K Raytek TRIRAT LT 1 5. 特殊高温计 这种特殊高温计（也称为双色或双波长高温计）具 有两个结构完全相同的光学和电气测量通道。两个波长 范围尽可能相互靠近且设置的带宽很窄，以使目标物体 的材料相关特性（反射率、发射率）的作用对于两个波长 来说近于完全相同。通过计算比率，可以消除对测量的 某些不利影响。下面的步骤经证明行之有效： 1. 使用放置在一个辐射探测器前面的两个滤光片来分 离所测量的辐射（滤光轮）。测量在两个通道中交替进 行，这对于快速移动的目标物体来说，会在比率计算中 产生误差（通道1在目标物体上看到的点与通道2不同）。 2. 使用分光器和安装有滤光片的两个辐射探测器将所 测量的辐射分离。 图 27：由比色高温计的软件给出的测量数据，如测量通道 1 的目标物体温度 (WBT)、测量通道 2 的目标物体温度 2 (NBT) 以及从比率计算得到的目标物体温度 (2CT)。测量的衰减也用 百分比显示 (ATN) 并含有其它信息。 图 28：右边缘上有材料缺陷的塑料薄膜的热图像 福禄克过程仪器事业部 | 非接触式温度测量原理 ·14· 3. 在没有分光器的情况下，所测量的辐射到达一个安装 有滤光片的双探测器（夹层设计）。这里，前面的探测器 成为位于其后面的第二个探测器的滤光片。 带有氧化表面的以下材料的行为类似于灰体，可用 1.00 坡度（相对发射率）进行测量： 铁 、钴 、镍 、钢 、不 锈 钢 带有光滑的非氧化表面的以下材料的行为类似于非灰 体，可用 1.06 坡度（或相对发射率）进行测量： 铁 、铸 铁 、钴 、镍 、钨 、钼 、钢 、不 锈 钢 、钽 、铑 、铂 将高温计公式 /5/ 用于波长为 λ 1 的通道 1 和波长 为 λ 2 的通道 2。所测温度 T meas 的结果： 如果两个通道的发射率相同，则加号后面的项变为 0，所测温度相当于目标物体温度 Ttarget。（c 2 ：第二辐 射常数，单位为 µm∙K ）。 这种情况也适用于目标物体表面 A，因为 A 2 和 A 1 对于两个通道来说自然也完全相同，也就是说，加号后 面的项被略去。 这样，这种测量就与目标物体的大小无关。因为，发 送到高温计的物体辐射会成比例降低，不仅在测量表面 较小时，而且在高温计在较短时间内看到目标物体时都 是如此。通过这种方法，也可以测量在比高温计的响应 时间更短的时间里位于视线内的目标物体。 以同样的方式，可以消除测量通路中变化的透射特 性。这些测量装置可在存在粉尘或烟雾或任何其它可降 低目标物体辐射的干扰因素的场合使用。现代测量装置 可将这种效应（衰减）应用于自身光学部件，并在适当的 污染物浓度下发出报警信号（例如，使用空气吹扫配件 无法进行空气吹扫时）。 在技术特性会在目标物体周围产生特定颗粒密度 的一些应用中，带有衰减因子参数的比色高温计可提供 额外信息。图 27 显示了由含有 PC 软件的比色高温计给 出的信息。除了从比率计算的温度之外，还分别给出两 个通道的计算温度。而且，还用百分比显示出通过比较 两个通道而计算的衰减。 1/T meas = 1/T target + (λ 1 λ 2 )/(c 2 (λ 2 -λ 1 )) ln (ɛ 2 /ɛ 1 ) (3) 1/T meas = 1/T target + (λ 1 λ 2 )/(c 2 (λ 2 -λ 1 )) ln (A 2 /A 1 ) (4) 小结： 比色高温计可在以下情况下测量温度： 1. 目标尺寸小于测量光点，或者大小在不断变化 （背景温度低于目标物体）。 2. 目标物体在响应时间内从测量光点移过。 3. 目标物体的视线受到限制（粉尘或其它颗粒物、 蒸汽或烟雾）。 4. 发射率在测量期间改变。 衰减因子提供有关工艺过程的其它信息，或者可在 透镜或窗口严重污染时用作报警。 5.3 成像系统 与 记 录 温 度 点 不同 ， 此 时 关 心的 是目 标物体上的温 度 分布。局部温度差以及高温或低温点的检测经常比测 量 绝 对温度值更重要。图28显示了塑料薄膜的温度 差 ， 包括右侧边缘的材料缺陷。 红外线扫描器的距离系数技术参数与高温计的距 离系数技术参数不同，因为此时常常指示整个视角（如 30°）以及与测量点（像素）相关的角弧度（如 3 mrad）， 而不是指示距离比 (D:S)。为了与单点高温计进行比较， 可以使用 1 米测量距离方便地进行转换，因为在此情况 下，测量像素的 mrad 指示值等于以 mm 为单位的光点 直 径 。 另外，响应时间也由线/帧频率取代。 5.3.