
解讀金屬表面的非接觸紅外測(cè)溫
對(duì)幾乎所有的工業(yè)生產(chǎn)階段而言,遵循給定的溫度值都是確保其加工與產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。非接觸紅外測(cè)溫儀是常用于測(cè)溫的裝置。因此,它同樣也適用于金屬的測(cè)溫。要實(shí)現(xiàn)對(duì)加工溫度的適當(dāng)監(jiān)測(cè)與控制,生產(chǎn)者必須進(jìn)行合理引導(dǎo),同時(shí)消費(fèi)者也應(yīng)具備有關(guān)測(cè)溫計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。下文將對(duì)重要參數(shù)(諸如輻射率、反射和就此引起的測(cè)量錯(cuò)誤)進(jìn)行說明。此外,還將介紹金屬測(cè)溫時(shí)所受到的影響,以及如何實(shí)現(xiàn)可靠、可重復(fù)的測(cè)溫。
在測(cè)量領(lǐng)域,“溫度”是僅次于“時(shí)間”的*常用的物理參數(shù)。紅外測(cè)溫裝置通過吸收被測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射來測(cè)定其溫度——無需接觸該物體。那么,非接觸測(cè)溫是如何實(shí)現(xiàn)的呢?金屬表面測(cè)溫存在哪些挑戰(zhàn)呢?
紅外輻射陣列
凡是溫度高于**零度(0 K或-273.15°C)的物體,均會(huì)自表面向外發(fā)出電磁輻射,且該輻射與物體的固有溫度成比例。紅外輻射陣列僅包含整個(gè)電磁輻射陣列中有限的一部分,從0.78 μm左右的可見光范圍起,到1000 μm左右的波長(zhǎng)為之。0.7 μm至14 μm是實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)溫的重要波長(zhǎng)范圍。當(dāng)波長(zhǎng)超出該范圍后,紅外能量過低,以至于探測(cè)器的靈敏度不足以檢測(cè)到它們,如下圖所示。

當(dāng)該輻射貫穿大氣后,借助專用鏡頭便能將其聚集在探測(cè)器上。隨后,探測(cè)器會(huì)生成與該輻射成比例的電信號(hào)。該信號(hào)得到放大,并通過接受連續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理而轉(zhuǎn)化為與物體溫度成比例的輸出信號(hào)。如此一來,在顯示器上便會(huì)顯示出溫度的測(cè)量值,或輸出為信號(hào)形式。
在將測(cè)定結(jié)果傳送至控制系統(tǒng)時(shí),采用的是線性0/4-20 mA、0-10 V和熱電偶信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化輸出形式。此外,目前所使用的大多數(shù)紅外測(cè)溫儀都提供數(shù)字接口(USB、RS232、RS485),來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理,以及對(duì)裝置參數(shù)的訪問。
采用紅外輻射實(shí)現(xiàn)溫度計(jì)算
作為輻射傳感器的探測(cè)器識(shí)別出各紅外測(cè)溫儀上*重要的元件。然后,在當(dāng)前出現(xiàn)且完全可判讀的電磁輻射中,生成一個(gè)信號(hào)。探測(cè)器信號(hào)U與物體溫度TObject的關(guān)系如下所示:
因物體發(fā)出的輻射(處于整個(gè)輻射陣列中)而產(chǎn)生的探測(cè)器信號(hào)與物體**溫度的四次方成正比。也就是說:若被測(cè)物體的溫度呈雙倍升高,則探測(cè)器信號(hào)將呈現(xiàn)16倍的增大。
此外,紅外測(cè)溫儀并非應(yīng)用于整個(gè)輻射陣列中。指數(shù)取決于波長(zhǎng)。N代表從1μm 14 μm的波長(zhǎng),范圍為17…2;對(duì)短波(1.0 to 2.3 μm)金屬測(cè)溫裝置而言,該范圍為15…17:
物體溫度值因*后一列公式的變化而增大。這些計(jì)算結(jié)果以曲線陣列的形式保存在紅外測(cè)溫儀的電可擦只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)中,用于所出現(xiàn)的所有溫度:
因此,紅外測(cè)溫儀接收到了足夠的測(cè)溫信號(hào)。從公式中可以看出,除了波長(zhǎng)范圍(輻射陣列)之外,所反射的周邊輻射及輻射率也會(huì)影響到測(cè)溫的**性。這些參數(shù)的重要作用將在后文中予以說明。
黑體的重要參考作用
一方面,黑體是能夠吸收所存在的一切輻射的物體。在黑體上,既沒有反射(ρ = 0),也沒有透射(τ = 0)。另一方面,黑體又向外發(fā)出每個(gè)波長(zhǎng)所可能發(fā)出的*大能量(取決于其自身溫度)。黑體的構(gòu)造十分簡(jiǎn)單:一個(gè)帶熱量的中空物體,一側(cè)末端有一個(gè)小孔。當(dāng)黑體被加熱至某個(gè)特定溫度后,它的中空部分會(huì)形成平衡溫度。
普朗克的輻射定律說明了非接觸測(cè)溫的基本相干性:它指出,黑體向半場(chǎng)中的具體光譜輻射Mλs取決于它的溫度T和波長(zhǎng)λ(c:光速;h:普朗克常數(shù)):
黑體以選定溫度下的波長(zhǎng)譜發(fā)出具體輻射的過程
圖中顯示了黑體以其波長(zhǎng)發(fā)出光譜輻射Mλs時(shí),以對(duì)數(shù)形式呈現(xiàn)的溫度示例。
其中可形成多種相干性,而下文僅指定了兩種進(jìn)行說明。通過整合所有波長(zhǎng)下的光譜輻射密度(從0到無限大),可以得到黑體作為一個(gè)整體而發(fā)出的輻射值。這種相干性被稱作斯蒂芬-玻爾茲曼定律。非接觸測(cè)溫的實(shí)際意義已在有關(guān)溫度計(jì)算的段落中予以說明。
從上述圖形輪廓中,我們可以明顯得出**種相干性,即出現(xiàn)*大輻射值的波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度的上升而移向短波區(qū)。這種現(xiàn)象成為維恩位移定律的基礎(chǔ),同時(shí)也能在普朗克等式的變形中得出。
因此,高輻射就是為什么能夠在高溫下以短波長(zhǎng)測(cè)定金屬表面溫度的原因(但并非*主要的原因)。長(zhǎng)波范圍也包含了高強(qiáng)度。由于金屬是選擇性的輻射源,其輻射率、反射和因此對(duì)測(cè)量誤差造成的影響都是不容小覷的。
作為選擇性輻射源的金屬表面
許多待測(cè)表面在多種波長(zhǎng)下均具有恒定的輻射率,但與黑體相比,其所發(fā)出的輻射較少。它們被稱作灰體。一些非金屬固體可在長(zhǎng)波光譜范圍中顯示出相對(duì)恒定的高輻射率,而無論其表面狀況如何。
若物體(諸如金屬表面)的輻射率取決于溫度和波長(zhǎng)(與其它物體相比),則此類物體被稱作選擇性輻射源。就“為何僅能在短波范圍內(nèi)進(jìn)行金屬測(cè)溫”,存在許多重要原因。首先,在高溫下處于短波范圍(2.3 μm;1.6 μm;1.0 μm)內(nèi)的金屬表面同時(shí)呈現(xiàn)出*高的輻射與輻射率。其次,它們調(diào)整至金屬氧化物的輻射率,這樣就能*大程度的減小因改變輻射率(回火色)而造成的溫差。
之所以決定使用短波紅外測(cè)溫儀,另外一個(gè)重要原因就是金屬(與其它材料相比)可以具備許多未知的輻射率。短波裝置能夠極大地減少因輻射率的錯(cuò)誤調(diào)整而造成的測(cè)量誤差。
不考慮反射的可重復(fù)測(cè)量
對(duì)參數(shù)TAmbient必須慎重考慮;待測(cè)金屬表面的溫度值越低,于周邊環(huán)境中反射的輻射溫度值就越高。實(shí)際上,反射量通常是定向的,因此易于確定。
反射量可被理解成一種尺寸,能夠?yàn)榭芍貜?fù)測(cè)量的結(jié)果提供保障。
紅外測(cè)溫儀的實(shí)際應(yīng)用:感應(yīng)式淬火與誘導(dǎo)過程
紅外測(cè)溫儀的重要參數(shù)為:
早在1900年,普朗克、斯蒂芬、玻爾茲曼、維恩和基爾霍夫就已詳細(xì)地闡述了電磁波譜,并為說明紅外能量而制定了定性與定量相干性。黑體構(gòu)成了理解非接觸測(cè)溫技術(shù)之物理原理、以及校正紅外測(cè)溫儀的基礎(chǔ)。
在現(xiàn)實(shí)中,能夠滿足黑體這一理想條件的物體并不多。實(shí)際上,輻射表面通常用于傳感器的校正;其中,這些傳感器在所需波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射率*大為0.99。物體溫度可通過對(duì)輻射率ε(Epsilon)的輻射測(cè)量加以確定;該輻射率說明了物體實(shí)際輻射值與黑體輻射值在同一溫度下的關(guān)系。因此,輻射率的取值在0到1之間:損失的輻射部分通過輻射率的顯示得到補(bǔ)償。
表面輻射率越低,紅外測(cè)溫儀所接收到的于環(huán)境中反射的輻射率就越高。由于大多數(shù)物體(諸如金屬)在紅外線區(qū)域內(nèi)并不存在透射,因此適用下列公式:
ε + p = 1
本式中,ε代表輻射率,ρ代表反射。從裝置上判讀的、轉(zhuǎn)化為溫度值的紅外輻射不僅受到金屬表面輻射率(以及補(bǔ)償性的輻射部分)的影響,同時(shí)還明顯受到周邊環(huán)境(TAmbient)中的熱物體(例如高溫部件和爐子)的影響。
在感應(yīng)式淬火中的熱處理就是金屬表面測(cè)溫的一個(gè)實(shí)例。過程開始時(shí),將一個(gè)部件放置在強(qiáng)交變磁場(chǎng)中,隨后對(duì)其加熱、凍結(jié),以形成所需結(jié)構(gòu)。期間,可以通過控制頻率來調(diào)節(jié)滲透至材料局部的熱量;在該部件上,只有局部得到了處理。要使金屬材料形成所需結(jié)構(gòu),必須設(shè)置理想的溫度—時(shí)間過程。因此,有必要對(duì)溫度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。