紅外測溫儀也叫輻射溫度計(jì), 是一種以熱輻射能量為基礎(chǔ)的非接觸式測溫儀器。目前主要用于冶金、機(jī)械、石油、化工和鐵路等部門。鐵路專用輕便型紅外測溫儀被鐵道部列為 I 類強(qiáng)制管理的鐵專計(jì)量器具目錄, 它的重要性尤為突出, 本文就紅外輻射測溫儀的基本原理、應(yīng)用及管理進(jìn)行分析探討。

1.1 熱輻射概念

對(duì)于紅外輻射溫度計(jì), 這里不得不了解熱輻射的基本概念。輻射就是物體表面連續(xù)向外放射能量,此種能量稱為輻射能, 是和光波、X 射線相同本性的電磁波, 其差別僅在于波長不同。也就是說物體只要是有溫度存在, 就會(huì)有熱輻射產(chǎn)生。輻射電磁波譜如圖 1。

電磁波譜是由波長相差很大的 r 射線、x 射線、可見光、紫外線、紅外線、和無線電波組成。它們的波長范圍是 10~3 m 到 10~8 m, 可見光譜僅是其中的很小一部分, 約 0.38μm 到 0.78μm, 而比可見光更長的的一段波長輻射是紅外輻射 0.7μm 到 15μm。鐵路專用紅外測溫儀的應(yīng)用波長為 8～14μm, 主要是用在遠(yuǎn)紅外區(qū)域內(nèi)。由此可知低溫時(shí)輻射能量較小, 而且主要是發(fā)射較長波長的紅外線, 隨著溫度的升高, 輻射能量急劇增加, 同時(shí)輻射光譜也會(huì)逐漸的向短波方向移動(dòng)。

1.2 發(fā)射率

理想的黑體發(fā)射率等于 1, 即說明射到黑體的輻射能量全部被吸收, 即無反射也無透射。也稱作絕對(duì)黑體或黑體, 具有最良好的吸收表面, 同時(shí)也是最良好的發(fā)射體。但在實(shí)際工作中, 這種絕對(duì)黑體是不存在的。我們計(jì)量技術(shù)部門用來檢定紅外測溫儀的檢定裝置, 就是黑體輻射源, 其發(fā)射率在 0.98～0.995之間, 幾乎接近于黑體。除了黑體模型外, 任何的實(shí)際物體都是非黑體, 其表面吸收率或發(fā)射率在 0～1之間, 即實(shí)際物體的發(fā)射率是在相同的溫度和波長下, 實(shí)際物體與絕對(duì)黑體的單色輻射出度的比值, 來表示實(shí)際物體發(fā)射率的一種物理特性。因此光譜發(fā)射率不僅與溫度和波長有關(guān), 而且還受物體的材料特性和表面情況等因素影響較大, 在溫度和波長相同的條件下, 不同的材料就有不同的發(fā)射率, 即使用同一種材料制成, 但具有不同表面的狀況的物體, 它們的光譜發(fā)射率數(shù)值也相差很大。鐵路專用紅外測溫儀主要用來測量車輛運(yùn)行中車軸的溫度, 車軸及軸瓦的表面表現(xiàn)形式是以鑄鐵、氧化鐵、油漆等組成的表面, 一般在 0.85～0.95 發(fā)射率之間。

1.3 輻射光譜分布特性(普朗克定律)

根據(jù)輻射能量與波長關(guān)系曲線, 當(dāng)被測表面溫度上升時(shí)表現(xiàn)為兩個(gè)特點(diǎn): 第一、輻射的總能量( 及曲線下的總面積)急劇增加, 實(shí)際上等于溫度的 4次方關(guān)系; 第二、曲線的峰值點(diǎn)逐漸移向短波長。不但總能量隨溫度升高而增大, 而且輻射能量更集中于短波的方向(趨向于可見光和紫外區(qū)), 溫度愈低時(shí),物體輻射的能量愈趨向于紅外區(qū), 能量波長也移向紅外。鐵路運(yùn)行中的軸溫主要在低溫段, 因此發(fā)射的能量也較微弱, 當(dāng)用來測量表面溫度時(shí), 必須有高靈敏的檢測元件, 而且通過采用部分輻射, 即它通過的波長范圍可從 8～14μm, 其能量也是為 8～14 um 波長之間函數(shù)曲線范圍內(nèi)的積分, 當(dāng)溫度升高時(shí)帶寬增大, 能量就增多。紅外測溫儀的基礎(chǔ)就是利用了紅外輻射能量與被測表面溫度之間有一個(gè)固定的關(guān)系式()制成的。

L———實(shí)際物體的輻射出度。

ε(T)———實(shí)際物體包括所有波長在內(nèi)的總發(fā)射率, 介于 0~1 之間。

———斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù) 5.669 6×10-8W/m2·K。

T4———表面溫度的四次方。

1.4 紅外測溫儀的基本原理見圖 3

這種溫度計(jì)在結(jié)構(gòu)原理上具有以下特點(diǎn): (1)從被測目標(biāo)得到的紅外輻射光通過聚光透鏡, 再采用漫反射透鏡光學(xué)系統(tǒng), 照射到光電元件上得到電流信號(hào), 克服了散射光遮斷引起的誤差; (2) 檢測元件為硅光元件其光譜靈敏度波長較窄, 能有效避開二氧化碳及水汽對(duì)光譜吸收區(qū)的干擾, 提高了精度;(3) 在測量和顯示部分, 借 CPU 以軟件處理方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償, 而不用在線路中加熱敏電阻補(bǔ)償?shù)姆椒?/span>; (4) 電路增設(shè)了瞄準(zhǔn)激光點(diǎn), 可以很容易找到測溫目標(biāo)。另外有些測溫儀還具備發(fā)射率(ε)可調(diào)節(jié)功能, 可以根據(jù)不同被測物體的表面, 判斷物體表面的發(fā)射率, 調(diào)節(jié)測溫儀的發(fā)射率按鈕與其匹配, 消除了因發(fā)射率不同引起的誤差。

通過對(duì)輻射概述的分析使我們認(rèn)識(shí)到, (1)采用輻射測量法與電阻或熱電偶測溫方法不同, 他利用普朗克定律、位恩位移公式、和斯忒藩- 波耳茲曼定律的原理, 將被測物體的溫度與熱力學(xué)溫度聯(lián)系起來。(2)測溫是非接觸式測溫, 不會(huì)破壞被測對(duì)象的溫度分布。(3)靈敏度高、反應(yīng)時(shí)間快。鐵路專用紅外測溫儀的反應(yīng)靈敏度一般都小于≤500 mS。(4) 受物體的表面發(fā)射率影響, 有時(shí)必須對(duì)測溫儀的發(fā)射率進(jìn)行修正, 才能得到真實(shí)溫度。

2 紅外測溫儀在鐵路企業(yè)的應(yīng)用與計(jì)量管理

2.1 現(xiàn)狀與分布

手持式紅外測溫儀一般分布在車輛運(yùn)輸部門,主要用來測量車輛運(yùn)行中車軸、軸瓦的表面溫度。也叫鐵路專用輕便型紅外測溫儀。濟(jì)南鐵路局共有 6個(gè)車輛段, 每個(gè)段大約有 200 把左右, 總計(jì) 1 000 把上下。該儀器的狀態(tài)好與壞, 直接影響到鐵路運(yùn)輸按全。

2.2 檢定情況

我所在 1998 年根據(jù)本局實(shí)際需要和鐵道部的要求, 最早建立鐵路專用輕便型紅外測溫儀標(biāo)準(zhǔn), 并通過部標(biāo)準(zhǔn)所考核合格后, 依據(jù) JJG ( 鐵道)149-2005 鐵路專用輕便型紅外測溫儀檢定規(guī)程, 開始開展檢定工作。在這幾年的計(jì)量檢定量傳工作中, 確保了本局的在用輕便型紅外測溫儀的受檢合格率達(dá)到98%以上, 為鐵路行車安全起到了重要的技術(shù)保障。在做到科學(xué)、準(zhǔn)確、高效的同時(shí), 也獲得一些寶貴的經(jīng)驗(yàn), 并發(fā)現(xiàn)目前存在的一些問題, 現(xiàn)供大家一塊探討。

2.3 存在的問題

2.3.1 質(zhì)量參差不起。手持式紅外測溫儀雖然發(fā)展了很多年, 但是由于國內(nèi)外生產(chǎn)廠家眾多, 而真正取得計(jì)量產(chǎn)品生產(chǎn)許可證的企業(yè)僅有幾家, 所以流入市場上的測溫儀在質(zhì)量上面就存在著較大的差別。

如: 有些測溫儀外殼設(shè)計(jì)上不合理, 使用起來很不方便; 按鍵開關(guān)、電池彈簧片質(zhì)量差, 使用壽命過短; 聚光透鏡的位置過于靠前, 很容易造成人為地?fù)p壞和摔壞; 測溫準(zhǔn)確度低, 產(chǎn)品說明書給出的準(zhǔn)確度等級(jí)往往低于實(shí)際產(chǎn)品的準(zhǔn)確度等級(jí), 達(dá)不到規(guī)定技術(shù)要求。所以對(duì)這些質(zhì)量差的產(chǎn)品必須設(shè)一道防線, 就是要經(jīng)過計(jì)量部門檢定合格后再進(jìn)行使用。

2.3.2 要正確選擇合適的溫度范圍。紅外測溫儀的測溫范圍各有不同, 根據(jù)不同的使用場合和工況選用不同的適用溫度范圍。依據(jù)依據(jù) JJG( 鐵道)149-2005 檢定規(guī)程, 鐵路專用輕便型測溫儀的溫度范圍在 25～150 ℃, 也就是說選擇- 18～400 ℃的測溫儀就能滿足測量軸溫的需要, 定在這個(gè)溫度段的測溫儀經(jīng)黑體輻射源檢定, 一般誤差小于允許誤差。如果測溫儀的溫度范圍越寬, 不但價(jià)格昂貴, 而且用來測量軸溫也會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

2.3.3 使用方法要正確。測溫儀除了發(fā)射率以外, 還有一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是光學(xué)分辨率(D:S)。即測溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離與被測目標(biāo)直徑之比。如果測溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo), 而目標(biāo)有小, 應(yīng)選擇高分辨率的測溫儀。在測溫時(shí), 根據(jù)光學(xué)分辨率和被測目標(biāo), 視場應(yīng)小于或等于被測目標(biāo), 否則測量就有誤差。一般測溫儀的視場小于被測目標(biāo)的 50%為最好。

2.4.4 注意事項(xiàng)。(1)測溫儀在長期不用時(shí), 應(yīng)把電池取出, 并放在干燥陰涼處; (2) 不能用測溫儀測量超出溫度范圍的物體, 以免損壞測溫傳感器; (3)儀器要輕拿輕放, 不得隨意觸摸聚光透鏡, 以免損壞或能臟透鏡, 造成人為地測溫誤差; (4) 不能用激光束照射人的眼睛, 造成眼球損傷。

2.5 計(jì)量管理

《計(jì)量法》中規(guī)定計(jì)量檢定分為首次檢定、后續(xù)檢定、和使用中校驗(yàn)。首次檢定是指新購置的儀器第一次送到計(jì)量部門檢定, 稱為首次檢定。有些單位和個(gè)人對(duì)計(jì)量法認(rèn)識(shí)不足, 認(rèn)為新買得的產(chǎn)品, 有出廠合格證就夠了, 不需要檢定也可以, 這種思想觀念是錯(cuò)誤的。假如你買的產(chǎn)品是某家企業(yè)生產(chǎn)的, 而該家企業(yè)的黑體輻射源不每年送國家計(jì)量技術(shù)部門進(jìn)行檢定, 沒有溯源到國家計(jì)量基準(zhǔn), 可想而知, 這家企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品也絕對(duì)不合格。對(duì)這種新買的產(chǎn)品, 我們還敢用嗎?就是說新買的產(chǎn)品, 一定也要進(jìn)行計(jì)量檢定。后續(xù)檢定是指計(jì)量器具首次檢定后的任何一種檢定, 包括強(qiáng)制性周期性檢定和修理后檢定。計(jì)量器具按時(shí)間間隔和規(guī)定程序, 規(guī)定一個(gè)周期檢定一次。由于計(jì)量器具在整個(gè)周期使用范圍內(nèi), 儀器受自身電子元器件老化和一些不明原因地?fù)p壞, 造成儀器的的技術(shù)參數(shù)發(fā)生變化, 影響到測溫準(zhǔn)確度, 因此必須進(jìn)行周期檢定。使用中校驗(yàn)是根據(jù)客戶的要求在使用周期范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)該儀器由于使用較頻繁, 對(duì)該儀器的測溫準(zhǔn)確度產(chǎn)生懷疑, 不能確定是否合格,決定送到計(jì)量部門進(jìn)行檢定, 稱使用中校驗(yàn)?？傊?/span>,站段計(jì)量管理人員, 應(yīng)根據(jù)本單位的實(shí)際狀況, 建立臺(tái)帳、制定和合理安排各項(xiàng)計(jì)量器具的檢定周期, 確保本單位的計(jì)量器具都在受控狀態(tài)下, 按照各種管理辦法, 始終保持計(jì)量器具處于良好的技術(shù)狀態(tài)。