如何正确选择红外测温仪
摘要：介绍了红外测温仪的工作原理，以及从测量范围、目标尺寸、光学分辨率、波长范围、响应时间、信号处理、环境条件、操作使用等各方面选择红外测温仪的方法。
20世纪60年代以来，由于红外探测器件、光学技术、干涉滤光片、集成电路、微电子计算机信号处理技术的迅速发展，大大促进了各种光谱带通用红外辐射测温仪的发展及性能的提高。新型仪器的出现和品种的不断扩大，为工业生产过程、产品质量的提高、节能及安全生产提供了有力的手段。近20年来，又出现了双色测温仪、光纤测温仪、扫描测温仪、成象测温仪等满足各种需要的辐射测温仪，为广大用户提供了多种选择。
1、红外测温仪工作原理
红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出信号等组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚集在光电探测器上并转变为相应的电信号，经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内部的算法和目标发射率矫正后转变为被测标的温度值。除此之外，还应考虑目标和测温仪所在的环境条件，如温度、湿度、污染和干扰等因素对性能指标的影响和修正方法。
2、如何正确选择红外测温仪
选择红外测温仪可分为三个方面：性能指标方面，如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、响应时间等；环境和工作条件方面，如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等；其他选择方面，如使用方便、维修和校准性能以及价格等。
红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。要从不同规格的各种型号测温仪中选择红外测温仪，应注意如下几个方面：
(1)首先要将测量要求和所要解决的问题弄清，如被测目标温度，被测目标大小，测量距离，被测目标材料，目标所处环境，响应速度要求，测量精度要求，以及用便携式还是在线式等；
(2) 测量要求和所要解决的问题与现有各种型号的测温仪进行对比，选择出能够满足上述要求的仪器型号；
(3)在众多能满足要求的型号中，选择出性能、功能和价格方面的最佳搭配。
2.1 确定测温范围
测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。因此，被测温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，又不要过宽。
一般而言，测温范围越窄，监控温度的输出信号分辨率越高，精度相应提高。如果需要监视升温和降温过程，就需要选择测温范围较宽的红外测温仪，但这样的仪器动态范围大，为仪器制造增加了难度，所以成本高。从技术的角度看，测温范围过宽，会降低精度，特别是低端测温精度得不到保证，因此，不是测温范围越宽越好。
2.2 确定目标尺寸
红外测温仪可分为亮度测温仪和辐射比测温仪。亮度测温仪在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪的视场。建议被测目标尺寸超过视场50%为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射就会进入测温仪的视场，干扰测温读数，增加误差。相反，如果目标大于测温仪的视场，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。为了瞄准测量目标，在测温仪内部配置光学瞄准或激光瞄准。
双色测温仪，其温度是由独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小时，不充满视场，测量通路上存在的烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时，不会对测量结果产生影响。甚至在能量衰减95%的情况下，仍能够保证要求的测温精度。对于目标细小，又处于运动或振动之中的目标，有时在视场内运动，或可能移出视场，则双色测温仪是最佳选择。如果测温仪和目标之间不可能直接瞄准，测量通道弯曲、窄小、受阻的情况下，双色光纤测温仪是最佳选择。这是由于其直径小，有柔性，可以在弯曲、阻挡和折迭的通道上传输光辐射能量，可以测量难以接近、条件恶劣或靠近电磁场的目标。
2.3 确定光学分辨率
光学分辨率由D:S确定，是测温仪到目标之间的距离D与测量光斑直径S之比。以YORK红外测温仪为例，目前其D:S的范围从2:1(低光学分辨率)到高于300:1(高光学分辨率)。选择D:S取决于被测目标尺寸和测温仪到目标的距离。如果测温仪由于环境条件的限制必须安装远离目标，而又能测量小的目标，就应该选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高，即D:S比值越大，接收的能量就少，只有增大接收口径，这样测温仪的成本也越高。
2.4 确定波长范围
目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱响应或波长。对于高反射率的合金材料，有低的或变化的发射率。在高温区，测量金属材料的最佳波长是近红外，可选用0.8-1.0µm。其他温区可选用1.6、2.2、3.9µm。由于有些材料在一定波长上是透明的，对这种材料应该选择特殊的波长。如测量玻璃内部温度选用1.0、2.2、3.9µm(被测玻璃要很厚，否则会穿透)，测玻璃表面温度选用5.0µm；测低温区选用8-14µm为宜。如测量聚乙烯塑料薄膜选用3.43µm，聚酯类选用4.3µm或7.9µm。厚度超过0.4mm选用8-14µm。如测火焰中的CO2用窄带4.24-4.3µm，测火焰中的CO用窄带4.64µm，测火焰中的NO2用4.47µm。
2.5 确定响应时间
响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%所需时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。YORK新型红外测温仪响应时间可达1ms，比接触式测温方法快得多。响应时间主要根据目标的运动速度和目标的温度变化速度确定，当测量运动或快速加温的目标时，要选用快速响应红外测温仪。对于静止的或目标热过程存在热惯性时，或现有控制设备的速度受到限制时，测温仪的响应时间就可以放宽要求。因此，红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。
2.6 信号处理功能
测量离散过程(如零件生产)和连续过程不同，要求红外测温仪有信号处理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)。如测量传送带上的玻璃瓶时，就要用峰值保持，其温度输出传送至控制器内。如不用峰值保持，测温仪读出瓶子之间的时间的较低温度值，只有提高处理温度才能响应。若用峰值保持，设置测温仪的响应时间稍长于瓶子之间的时间间隔，这样一来，至少有一个瓶子总是处在测量之中。
2.7 考虑环境条件
测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应考虑并适当解决。当环境温度高、存在灰尘、烟雾和蒸汽的条件下，可选用厂商提供的保护罩、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫器等选件。这些选件可有效地保护测温仪，并实现准确测温。在确定选件时，应尽可能要求要标准化服务，以降低安装成本。当烟雾、灰尘或其他颗粒降低测量信号时，双色测温仪是最佳选择。在噪声、电磁场、振动或难以接近的条件下，或其他恶劣条件时，光纤双色测温仪是最佳选择。
在密封的或危险的材料中(如容器或真空箱)，测温仪通过窗口进行观测。窗口材料必须有足够的强度并能通过所用测温仪的工作波长范围，还要确定操作手是否也需要通过窗口进行观察。在低温中，通常用Ge或Si材料作为窗口，不透可见光，人眼不能通过窗口观察目标。如操作员需要通过窗口观察目标，应采用既透红外辐射又透过可见光的光学材料，如ZnSe或Baf2等作为窗口材料。
当测温仪工作环境中存在易燃气体时，可选用本质安全型红外测温仪，从而在一定浓度的易燃气体环境中进行安全测量和监视。
2.8 操作使用
红外测温仪应该是直观的，操作简单，易于用户操作人员使用。在环境条件恶劣复杂的情况下，可选择测温头和监视器分开的系统，以便于安装和配置。
3、结语
从以上分析可以看出，正确选择红外测温仪要从测量范围、目标尺寸、光学分辨率、波长范围、响应时间、信号处理、环境条件、操作使用等几个方面综合分析，以最佳的性能价格比，满足现场实际测量的要求。
作者：杜文军，王中扬，黄强，付小渝 (煤炭科学研究总院重庆分院)
出版：《矿业安全与环保》2002年6月
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