赤外線温度計の理論原理と応用
温度を測定する方法はたくさんあります。 温度計は接触式温度測定器と非接触式温度測定器の2種類に分けられます。 接触式には、よく知られた液体温度計、熱電対温度計、熱抵抗温度計などが含まれます。周知のとおり、温度は暖房、ガス供給、換気、空調システムにおいて最も重要なパラメータの 1 つです。 特に熱工学測定のプロセスでは、温度の精度が実験の成否の鍵となることがよくあります。 したがって、エンジニアリングにおいては高精度の温度測定器が不可欠です。 したがって、この記事では、温度測定ツールにおける赤外線温度計の原理と応用例をいくつか紹介します。
赤外線温度測定の理論原理:
自然界では、物体の温度が絶対零度より高い場合、内部熱運動の存在により、0.75μm~の波長帯の赤外線を含む電磁波が周囲に継続的に放射されます。 100μm。 その特徴は、特定の温度と波長で、物体から放出される放射エネルギーが最大値を持つことです。 この種の物質は黒体と呼ばれ、その反射係数は 1 に設定されます。他の物質の反射係数は 1 未満であり、黒体の分光放射パワー P(λT) が大きいため、灰色体と呼ばれます。および最高温度 T はプランクの決定を満たします。 これは、最高温度 T における、波長 λ における単位面積当たりの黒体の放射パワーが P(λT) であることを示しています。
温度が上昇すると、物体の放射エネルギーが強くなります。 これは赤外線放射理論の出発点であり、シングルバンド赤外線温度計の設計の基礎です。
温度が上昇すると、放射ピークは短波方向 (左側) に移動し、ウィーン変位定理を満たします。ピークの波長は最高温度 T に反比例し、点線は次の直線です。頂点を繋ぐ。 この公式は、高温温度計が主に短波で機能し、低温温度計が主に長波で機能する理由を示しています。
温度による放射エネルギーの変化率は、長波よりも短波の方が大きくなります。つまり、短波で動作する温度計は、信号対雑音比が比較的高く (高感度)、強度が高くなります。干渉防止。 温度計はピーク波長で動作するように選択する必要があります。 特に低温で小さなターゲットの場合、これは特に重要です。
2: 赤外線温度計は、光学系、光電検出器、信号増幅器、信号処理、表示出力などの部品で構成されています。 測定対象物とフィードバック源からの放射線は変調器によって変調され、赤外線検出器に入力されます。 2 つの信号の差はアンチアンプによって増幅され、フィードバック源の分光放射輝度が物体の分光放射輝度と同じになるようにフィードバック源の温度を制御します。 測定対象物の輝度温度を表示します。
パフォーマンス指標と 3 つの赤外線温度計の選択:
赤外線温度計の性能指標には、温度測定範囲、表示分解能、精度、使用環境温度範囲、再現性、相対湿度、応答時間、電源、応答スペクトル、サイズ、最大値表示、重量、放射率などが含まれます。選択する場合は次のようになります。
1. 温度測定範囲の決定: 温度測定範囲は、温度計の最も重要な性能指標です。 各タイプの温度計には、独自の特定の温度範囲があります。 したがって、ユーザーの測定温度範囲は狭すぎず、広すぎず、正確かつ総合的に考慮する必要があります。 黒体放射の法則によれば、スペクトルの短波長帯域では、温度による放射エネルギーの変化が放射率誤差による放射エネルギーの変化を超えます。
2 対象サイズの決定：赤外線温度計は原理により単色温度計と二色温度計（放射比色温度計）に分けられます。 単色温度計の場合、温度を測定する場合、測定対象の領域が温度計の視野を満たす必要があります。 測定されたターゲット サイズが視野の 50% を超えることをお勧めします。 ターゲットのサイズが視野より小さい場合、背景放射エネルギーが温度計の視覚的および音響的シンボルに入り込み、温度測定の読み取り値に干渉し、誤差が生じます。 逆に、ターゲットが高温計の視野よりも大きい場合、高温計は測定領域外の背景の影響を受けません。 2 色高温計の場合、温度は 2 つの独立した波長帯域の放射エネルギーの比によって決まります。 したがって、測定対象が小さく、視野を占めていない場合や、測定経路上に放射線エネルギーを減衰させる煙、塵、障害物がある場合には、測定結果に大きな影響を与えません。 。 小型で移動または振動するターゲットの場合は、2 色温度計が最適です。 これは、光線の直径が小さいことと、湾曲した、遮断された、折り畳まれたチャネル上で光放射エネルギーを輸送する柔軟性によるものです。
3 距離係数 (光学分解能) を決定します。距離係数は、D:S の比、つまり、温度計のプローブからターゲットまでの距離 D と測定対象の直径の比によって決まります。 環境条件により温度計を対象物から遠くに設置し、小さな対象物を測定する必要がある場合は、光学分解能の高い温度計を選択する必要があります。 光学分解能が高くなるほど、つまり D:S 比が高くなるほど、高温計のコストも高くなります。 温度計が対象物から遠く離れており、対象物が小さい場合は、距離係数の大きい温度計を選択する必要があります。 焦点距離が固定されたパイロメータの場合、光学系の焦点はスポットの最小位置であり、焦点に近いスポットと遠いスポットは増加します。 距離要因は 2 つあります。
4. 波長範囲の決定: ターゲット材料の放射率と表面特性により、パイロメーター スペクトルの対応する波長が決まります。 高反射率の合金材料の場合、放射率が低いか、または変化します。 高温領域では金属材料の測定に最適な波長は近赤外であり、0.8-1.0 μmが選択可能です。 その他の温度帯は1.6μm、2.2μm、3.9μmが選択可能です。 一部の材料は特定の波長で透明であるため、赤外線エネルギーはこれらの材料を透過するため、この材料には特別な波長を選択する必要があります。
5 応答時間を決定します。応答時間は、測定された温度変化に対する赤外線温度計の反応速度を示します。これは、最終読み取り値のエネルギーの 95 パーセントに達するまでに必要な時間として定義され、時定数に関係します。光検出器、信号処理回路、表示システム関連。 対象物の移動速度が非常に速い場合や、急速に加熱される対象物を測定する場合には、応答の速い赤外線温度計を選択する必要があります。そうしないと、十分な信号応答が得られず、測定精度が低下します。 ただし、すべてのアプリケーションに高速応答の赤外線温度計が必要なわけではありません。 熱慣性を伴う静的またはターゲットの熱プロセスの場合、パイロメーターの応答時間を緩和できます。
6. 信号処理機能：部品生産などの離散プロセスと連続プロセスの違いを考慮し、赤外線温度計には複数の信号処理機能（ピークホールド、バレーホールド、平均値など）が必要です。ベルトコンベア上の温度測定などから選択可能 ボトル使用時にはピーク値を保持する必要があり、その温度の出力信号がコントローラーに送られます。 そうしないと、温度計がボトル間の低い温度値を読み取ります。 ピークホールドを使用する場合は、少なくとも 1 つのボトルが常に測定されるように、温度計の応答時間をボトル間の時間間隔よりわずかに長めに設定します。
7 環境条件の考慮：温度計の環境条件は測定結果に大きな影響を与えるため、考慮して適切に解決する必要があります。そうでないと、温度測定の精度に影響を与え、さらには損傷を引き起こす可能性があります。 周囲温度が高く、粉塵、煙、湯気が発生する場合は、メーカーが提供する保護カバー、水冷、空冷システム、エアパージャなどの付属品を選択できます。 これらのアクセサリは、環境の影響に効果的に対処し、正確な温度測定のために温度計を保護します。 アクセサリを指定する場合は、設置コストを削減するために、可能な限りサービスの標準化を依頼する必要があります。
8. 赤外線放射温度計の校正: 赤外線放射温度計は、測定対象の温度を正しく表示できるように校正する必要があります。 使用中に使用した温度計の温度測定値が許容範囲を超えた場合は、再校正のためにメーカーまたは修理センターに返品する必要があります。
4つの赤外線温度計の特徴
1.非接触測定：測定温度場の内部や表面に触れる必要がないため、測定温度場の状態に干渉せず、温度計自体が温度場によって損傷することもありません。
2.広い測定範囲：非接触温度測定であるため、温度計は高温または低温の領域ではなく、常温または温度計が許可する条件下で動作します。 通常の環境では、マイナス数十度から3000度以上まで測定できます。
3. 温度測定速度が速い、つまり応答時間が速い。 対象物の赤外線を受光すれば短時間で温度を固定できます。
4.高精度：赤外線温度測定は接触温度測定のように対象物自体の温度分布を破壊しないため、測定精度が高いです。
5. 高感度：物体の温度がわずかに変化すると、放射線エネルギーが大きく変化するため、検出が容易です。 微小な温度場の温度を測定でき、
6. 温度分布測定、移動体・回転体の温度測定。 安全で長寿命です。
5 つの赤外線温度計の欠点:
1. 環境要因（周囲温度、空気中の粉塵など）の影響を受けやすい
2. 光沢のある金属表面または研磨された金属表面の温度測定値に大きな影響を与えます。
3. 対象物の外部温度の測定に限定されており、障害物がある場合や対象物の内部の温度を測定するのは不便です
6 つの赤外線温度計の使用上の注意:
(1) 試験対象物の放射率を正確に測定する必要があります。
(2) 周囲環境の高温物体の影響を避けてください。
(3) 透明な材料の場合、周囲温度は測定対象の温度より低くなければなりません。
(4) 温度計は測定対象物の表面に対して垂直に設置し、いかなる場合も角度が 30 度を超えないようにしてください。
(5) 光沢のある金属表面や磨かれた金属表面の温度測定には使用できません。また、ガラスを通した温度測定には使用できません。
(6) 追従係数を正しく選択します。ターゲット直径が視野を満たす必要があります。
(7) 赤外線温度計が 20 度以上の周囲温度差に突然さらされた場合、測定データは不正確になり、温度のバランスがとれた後に測定温度値が取得されます。 。
7つの改善計画:
通常の赤外線温度計は対象物の外部温度の測定に限定されており、障害物がある場合や対象物の内部の温度を測定するのは不便であるため、検出ヘッドに光ファイバーの一部を追加し、レンズを追加することができます。視野角の狭いレンズを先端に設置することで、測定対象物の放射エネルギーがレンズを通って光ファイバー内部に伝わります。 光ファイバー内で複数回反射した後、光は検出器に送信されます。 光ファイバーは自由に曲げることができるため、放射の方向を自由に変えることができ、物体の内部温度測定の問題を解決し、障害物で遮られた隅などの温度測定も可能です。
