หลักการทางทฤษฎีและการประยุกต์ใช้เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรด

หลักการทางทฤษฎีและการประยุกต์ใช้เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรด

มีหลายวิธีในการวัดอุณหภูมิ เทอร์โมมิเตอร์แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ เครื่องมือวัดอุณหภูมิแบบสัมผัสและเครื่องมือวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัส ประเภทการสัมผัส ได้แก่ เทอร์โมมิเตอร์แบบของเหลวที่คุ้นเคย เทอร์โมคัปเปิลเทอร์โมมิเตอร์ และเทอร์โมมิเตอร์แบบต้านทานความร้อน เป็นต้น อย่างที่เราทราบกันดีว่า อุณหภูมิเป็นตัวแปรที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในระบบทำความร้อน การจ่ายก๊าซ การระบายอากาศ และระบบปรับอากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการตรวจวัดทางวิศวกรรมความร้อน ความแม่นยำของอุณหภูมิมักจะเป็นกุญแจสู่ความสำเร็จหรือความล้มเหลวของการทดลอง ดังนั้นเครื่องมือวัดอุณหภูมิที่มีความแม่นยำสูงจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งในด้านวิศวกรรม ดังนั้น บทความนี้จึงแนะนำหลักการและการประยุกต์ใช้เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดในเครื่องมือวัดอุณหภูมิ

หลักการทางทฤษฎีของการวัดอุณหภูมิอินฟราเรด:
โดยธรรมชาติแล้ว เมื่ออุณหภูมิของวัตถุสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ เนื่องจากมีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนภายใน วัตถุจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังบริเวณโดยรอบอย่างต่อเนื่อง รวมถึงรังสีอินฟราเรดที่มีช่วงคลื่น 0.75µm~ 100µm. คุณลักษณะของมันคือที่อุณหภูมิและความยาวคลื่นที่กำหนด พลังงานการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากวัตถุจะมีค่าสูงสุด วัสดุชนิดนี้เรียกว่าวัตถุสีดำ และค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนแสงถูกตั้งค่าเป็น 1 ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของวัสดุอื่นน้อยกว่า 1 เรียกว่าวัตถุสีเทา เนื่องจากกำลังการแผ่รังสีสเปกตรัม P(λT) ของวัตถุสีดำ และอุณหภูมิสูงสุด T เป็นไปตามความมุ่งมั่นของพลังค์ แสดงว่าที่อุณหภูมิสูงสุด T พลังงานการแผ่รังสีของวัตถุสีดำต่อหน่วยพื้นที่ที่ความยาวคลื่น λ คือ P(λT)
เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พลังงานการแผ่รังสีของวัตถุจะแข็งแกร่งขึ้น นี่คือจุดเริ่มต้นของทฤษฎีการแผ่รังสีอินฟราเรดและพื้นฐานการออกแบบของเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดแถบเดียว

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น จุดสูงสุดของการแผ่รังสีจะเคลื่อนที่ไปยังทิศทางของคลื่นสั้น (ไปทางซ้าย) และเป็นไปตามทฤษฎีบทการกระจัดของ Wien ความยาวคลื่นที่จุดสูงสุดจะแปรผกผันกับอุณหภูมิสูงสุด T และเส้นประคือเส้น เชื่อมต่อยอดเขา สูตรนี้บอกเราว่าทำไมเทอร์โมมิเตอร์อุณหภูมิสูงส่วนใหญ่ทำงานที่คลื่นสั้น และเทอร์โมมิเตอร์อุณหภูมิต่ำส่วนใหญ่ทำงานที่คลื่นยาว

อัตราการเปลี่ยนแปลงของพลังงานการแผ่รังสีพร้อมอุณหภูมิที่คลื่นสั้นจะมีค่ามากกว่าที่คลื่นยาว กล่าวคือ เทอร์โมมิเตอร์ที่ทำงานที่คลื่นสั้นจะมีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนค่อนข้างสูง (ความไวสูง) และแรง ป้องกันการรบกวน เทอร์โมมิเตอร์ควรพยายามเลือกทำงานที่ความยาวคลื่นสูงสุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของอุณหภูมิต่ำและชิ้นงานขนาดเล็ก สิ่งนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษ

สอง: เทอร์โมมิเตอร์แบบอินฟราเรดประกอบด้วยระบบออปติคัล เครื่องตรวจจับโฟโตอิเล็กทริก เครื่องขยายสัญญาณ การประมวลผลสัญญาณ เอาต์พุตแสดงผล และส่วนอื่นๆ รังสีจากวัตถุที่วัดได้และแหล่งป้อนกลับจะถูกมอดูเลตโดยโมดูเลเตอร์ จากนั้นป้อนเข้าเครื่องตรวจจับอินฟราเรด ความแตกต่างระหว่างสัญญาณทั้งสองถูกขยายโดยแอนติแอมพลิฟายเออร์และควบคุมอุณหภูมิของแหล่งสัญญาณป้อนกลับ เพื่อให้การแผ่รังสีสเปกตรัมของแหล่งป้อนกลับเท่ากับของวัตถุ หน้าจอแสดงอุณหภูมิความสว่างของวัตถุที่วัดได้

ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพและการเลือกเทอร์โมมิเตอร์แบบอินฟราเรดสามตัว:
ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพของเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดประกอบด้วย: ช่วงการวัดอุณหภูมิ, ความละเอียดการแสดงผล, ความแม่นยำ, ช่วงอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมการทำงาน, ความสามารถในการทำซ้ำ, ความชื้นสัมพัทธ์, เวลาตอบสนอง, แหล่งจ่ายไฟ, สเปกตรัมการตอบสนอง, ขนาด, การแสดงค่าสูงสุด, น้ำหนัก, การแผ่รังสี ฯลฯ ต่อไปนี้เมื่อเลือก:

1. กำหนดช่วงการวัดอุณหภูมิ: ช่วงการวัดอุณหภูมิเป็นดัชนีประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดของเทอร์โมมิเตอร์ เทอร์โมมิเตอร์แต่ละประเภทมีช่วงอุณหภูมิเฉพาะของตัวเอง ดังนั้น ช่วงอุณหภูมิที่วัดได้ของผู้ใช้ต้องได้รับการพิจารณาอย่างแม่นยำและครอบคลุม ไม่แคบหรือกว้างเกินไป ตามกฎของการแผ่รังสีของวัตถุดำ ในช่วงความยาวคลื่นสั้นของสเปกตรัม การเปลี่ยนแปลงของพลังงานการแผ่รังสีที่เกิดจากอุณหภูมิจะมากกว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานการแผ่รังสีที่เกิดจากข้อผิดพลาดการแผ่รังสี

2 กำหนดขนาดเป้าหมาย: เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดสามารถแบ่งออกเป็นเครื่องวัดอุณหภูมิแบบสีเดียวและเครื่องวัดอุณหภูมิแบบสองสี (เครื่องวัดอุณหภูมิแบบฉายรังสี) ตามหลักการ สำหรับเทอร์โมมิเตอร์แบบสีเดียว เมื่อทำการวัดอุณหภูมิ พื้นที่ของเป้าหมายที่จะวัดควรเต็มขอบเขตการมองเห็นของเทอร์โมมิเตอร์ ขอแนะนำให้ขนาดเป้าหมายที่วัดได้เกิน 50 เปอร์เซ็นต์ของขอบเขตการมองเห็น หากขนาดเป้าหมายเล็กกว่าขอบเขตการมองเห็น พลังงานการแผ่รังสีพื้นหลังจะเข้าสู่สัญลักษณ์ภาพและเสียงของเทอร์โมมิเตอร์ และรบกวนการอ่านค่าการวัดอุณหภูมิ ทำให้เกิดข้อผิดพลาด ในทางกลับกัน หากเป้าหมายมีขนาดใหญ่กว่าขอบเขตการมองเห็นของไพโรมิเตอร์ ไพโรมิเตอร์จะไม่ได้รับผลกระทบจากพื้นหลังนอกพื้นที่การวัด สำหรับไพโรมิเตอร์แบบสองสี อุณหภูมิจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของพลังงานการแผ่รังสีในแถบความยาวคลื่นสองแถบที่แยกจากกัน ดังนั้น เมื่อเป้าหมายที่จะวัดมีขนาดเล็ก ไม่เต็มขอบเขตการมองเห็น และมีควัน ฝุ่น และสิ่งกีดขวางบนเส้นทางการวัดซึ่งทำให้พลังงานรังสีลดทอนลง ก็จะไม่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อผลการวัด . สำหรับชิ้นงานขนาดเล็กและเคลื่อนไหวหรือสั่น เทอร์โมมิเตอร์แบบสองสีคือตัวเลือกที่ดีที่สุด นี่เป็นเพราะเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กของรังสีแสงและความยืดหยุ่นในการขนส่งพลังงานที่เปล่งแสงผ่านช่องโค้ง ปิดกั้น และพับ

3 กำหนดค่าสัมประสิทธิ์ระยะทาง (ความละเอียดทางแสง): ค่าสัมประสิทธิ์ระยะทางถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของ D:S นั่นคือ อัตราส่วนของระยะทาง D ระหว่างโพรบของเทอร์โมมิเตอร์กับชิ้นงานและเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นงานที่วัดได้ หากต้องติดตั้งเทอร์โมมิเตอร์ให้ห่างจากเป้าหมายเนื่องจากสภาพแวดล้อม และต้องวัดเป้าหมายขนาดเล็ก ควรเลือกเทอร์โมมิเตอร์ที่มีความละเอียดเชิงแสงสูง ยิ่งความละเอียดของแสงสูง เช่น การเพิ่มอัตราส่วน D:S ราคาของไพโรมิเตอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้น หากเทอร์โมมิเตอร์อยู่ห่างจากเป้าหมายและเป้าหมายมีขนาดเล็ก ควรเลือกเทอร์โมมิเตอร์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์ระยะทางสูง สำหรับไพโรมิเตอร์ที่มีความยาวโฟกัสคงที่ จุดโฟกัสของระบบออปติคัลคือตำแหน่งที่เล็กที่สุดของจุดนั้น และจุดที่ใกล้และไกลจากจุดโฟกัสจะเพิ่มขึ้น ระยะทางมีสองปัจจัย

4. กำหนดช่วงความยาวคลื่น: ลักษณะการแผ่รังสีและพื้นผิวของวัสดุเป้าหมายกำหนดความยาวคลื่นที่สอดคล้องกันของสเปกตรัมไพโรมิเตอร์ สำหรับวัสดุโลหะผสมที่มีการสะท้อนแสงสูง จะมีค่าการแผ่รังสีต่ำหรือแปรผัน ในพื้นที่ที่มีอุณหภูมิสูง ความยาวคลื่นที่ดีที่สุดสำหรับการวัดวัสดุโลหะคือช่วงอินฟราเรดใกล้ และสามารถเลือก 0.8-1.0 μm ได้ โซนอุณหภูมิอื่นๆ สามารถเลือกได้ 1.6μm, 2.2μm และ 3.9μm เนื่องจากวัสดุบางชนิดมีความโปร่งใสที่ความยาวคลื่นหนึ่ง พลังงานอินฟราเรดจะทะลุผ่านวัสดุเหล่านี้ และควรเลือกความยาวคลื่นพิเศษสำหรับวัสดุนี้

5 กำหนดเวลาตอบสนอง: เวลาตอบสนองระบุความเร็วปฏิกิริยาของเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่วัดได้ ซึ่งถูกกำหนดเป็นเวลาที่ต้องใช้ในการเข้าถึง 95 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานของการอ่านค่าสุดท้าย และเกี่ยวข้องกับค่าคงที่ของเวลา ของเครื่องตรวจจับแสง วงจรประมวลผลสัญญาณ และระบบแสดงผลที่เกี่ยวข้อง หากความเร็วในการเคลื่อนที่ของชิ้นงานเร็วมากหรือเมื่อวัดชิ้นงานที่มีความร้อนสูง ควรเลือกเทอร์โมมิเตอร์แบบอินฟราเรดที่ตอบสนองเร็ว ไม่เช่นนั้นจะไม่ได้รับการตอบสนองของสัญญาณที่เพียงพอ และความแม่นยำในการวัดจะลดลง อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกการใช้งานที่ต้องการเทอร์โมมิเตอร์แบบอินฟราเรดที่ตอบสนองเร็ว สำหรับกระบวนการทางความร้อนแบบคงที่หรือแบบเป้าหมายที่มีความเฉื่อยทางความร้อน เวลาตอบสนองของไพโรมิเตอร์สามารถผ่อนคลายได้

6. ฟังก์ชันการประมวลผลสัญญาณ: ในมุมมองของความแตกต่างระหว่างกระบวนการแบบไม่ต่อเนื่อง (เช่น การผลิตชิ้นส่วน) และกระบวนการต่อเนื่อง เทอร์โมมิเตอร์แบบอินฟราเรดจำเป็นต้องมีฟังก์ชันการประมวลผลสัญญาณหลายอย่าง (เช่น การคงค่าสูงสุด การคงค่าในหุบเขา ค่าเฉลี่ย) ถึง ให้เลือก เช่น การวัดอุณหภูมิบนสายพานลำเลียง เมื่อใช้ขวด จำเป็นต้องใช้ค่าสูงสุดในการเก็บ และสัญญาณเอาต์พุตของอุณหภูมิจะถูกส่งไปยังตัวควบคุม มิฉะนั้นเทอร์โมมิเตอร์จะอ่านค่าอุณหภูมิที่ต่ำกว่าระหว่างขวด หากใช้การคงค่าสูงสุด ให้ตั้งเวลาตอบสนองของเทอร์โมมิเตอร์ให้นานกว่าช่วงเวลาระหว่างขวดเล็กน้อย เพื่อให้มีขวดอย่างน้อยหนึ่งขวดอยู่ภายใต้การวัดเสมอ

7 การพิจารณาสภาพแวดล้อม: สภาพแวดล้อมของเทอร์โมมิเตอร์มีอิทธิพลอย่างมากต่อผลการวัด ซึ่งควรได้รับการพิจารณาและแก้ไขอย่างเหมาะสม มิฉะนั้น จะส่งผลต่อความแม่นยำในการวัดอุณหภูมิและทำให้เกิดความเสียหายได้ เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมสูงและมีฝุ่น ควัน และไอน้ำ สามารถเลือกฝาครอบป้องกัน ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ เครื่องฟอกอากาศ และอุปกรณ์เสริมอื่น ๆ ที่ผู้ผลิตจัดเตรียมไว้ให้ อุปกรณ์เสริมเหล่านี้สามารถจัดการกับอิทธิพลของสิ่งแวดล้อมได้อย่างมีประสิทธิภาพและปกป้องเทอร์โมมิเตอร์เพื่อการวัดอุณหภูมิที่แม่นยำ เมื่อระบุอุปกรณ์เสริม ควรขอบริการที่เป็นมาตรฐานให้มากที่สุดเพื่อลดค่าใช้จ่ายในการติดตั้ง

8. การสอบเทียบเครื่องวัดอุณหภูมิรังสีอินฟราเรด: ต้องสอบเทียบเครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดเพื่อให้สามารถแสดงอุณหภูมิของเป้าหมายที่วัดได้อย่างถูกต้อง หากการวัดอุณหภูมิของเทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้อยู่เกินเกณฑ์ที่ยอมรับได้ในระหว่างการใช้งาน จะต้องส่งคืนไปยังผู้ผลิตหรือศูนย์ซ่อมเพื่อทำการสอบเทียบอีกครั้ง

คุณสมบัติของเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดสี่ตัว
1. การวัดแบบไม่สัมผัส: ไม่จำเป็นต้องสัมผัสด้านในหรือพื้นผิวของฟิลด์อุณหภูมิที่วัดได้ ดังนั้นจึงไม่รบกวนสถานะของฟิลด์อุณหภูมิที่วัดได้ และเทอร์โมมิเตอร์จะไม่ได้รับความเสียหายจากฟิลด์อุณหภูมิ

2. ช่วงการวัดกว้าง: เนื่องจากเป็นการวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัส เทอร์โมมิเตอร์ไม่ได้อยู่ในฟิลด์ที่มีอุณหภูมิสูงหรือต่ำกว่า แต่จะทำงานที่อุณหภูมิปกติหรือภายใต้เงื่อนไขที่เทอร์โมมิเตอร์อนุญาต ภายใต้สถานการณ์ปกติ สามารถวัดได้ตั้งแต่สิบองศาถึงมากกว่าสามพันองศา

3. ความเร็วในการวัดอุณหภูมิที่รวดเร็ว นั่นคือเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว ตราบเท่าที่ได้รับรังสีอินฟราเรดของเป้าหมาย อุณหภูมิสามารถคงที่ได้ในเวลาอันสั้น

4. ความแม่นยำสูง: การวัดอุณหภูมิอินฟราเรดจะไม่ทำลายการกระจายอุณหภูมิของวัตถุเหมือนการวัดอุณหภูมิสัมผัส ดังนั้นความแม่นยำในการวัดจึงสูง

5. ความไวสูง: ตราบใดที่มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในอุณหภูมิของวัตถุ พลังงานการแผ่รังสีจะเปลี่ยนแปลงอย่างมาก ซึ่งง่ายต่อการตรวจจับ สามารถวัดอุณหภูมิของฟิลด์อุณหภูมิเล็ก ๆ และ

6. การวัดการกระจายของอุณหภูมิ และการวัดอุณหภูมิของวัตถุที่เคลื่อนที่หรือหมุน ปลอดภัยและอายุการใช้งานยาวนาน

ข้อเสียของเครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดห้าเครื่อง:
1. เสี่ยงต่อปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม (อุณหภูมิแวดล้อม ฝุ่นละอองในอากาศ ฯลฯ)

2. มีอิทธิพลอย่างมากต่อการอ่านอุณหภูมิของพื้นผิวโลหะที่สว่างหรือขัดเงา

3.จำกัดการวัดอุณหภูมิภายนอกวัตถุเท่านั้นทำให้ไม่สะดวกที่จะวัดอุณหภูมิภายในวัตถุและเมื่อมีสิ่งกีดขวาง

ข้อควรระวังในการใช้เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดหกเครื่อง:
(1) ต้องกำหนดค่าการแผ่รังสีของวัตถุที่ทดสอบอย่างแม่นยำ

(2) หลีกเลี่ยงอิทธิพลของวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงในสภาพแวดล้อมโดยรอบ

(3) สำหรับวัสดุโปร่งใส อุณหภูมิแวดล้อมควรต่ำกว่าอุณหภูมิของวัตถุที่วัดได้

(4) เทอร์โมมิเตอร์ควรวางในแนวตั้งกับพื้นผิวของวัตถุที่จะวัด และไม่ว่าในกรณีใดไม่ควรทำมุมเกิน 30 องศา

(5) ไม่สามารถใช้วัดอุณหภูมิบนพื้นผิวโลหะที่สว่างหรือขัดมัน และไม่สามารถใช้วัดอุณหภูมิผ่านกระจกได้

(6) เลือกค่าสัมประสิทธิ์การติดตามอย่างถูกต้อง เส้นผ่านศูนย์กลางเป้าหมายต้องเติมเต็มฟิลด์มุมมอง

(7) หากเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดสัมผัสกับความแตกต่างของอุณหภูมิแวดล้อม 20 องศาหรือสูงกว่าอย่างกระทันหัน ข้อมูลการวัดจะไม่ถูกต้อง และค่าอุณหภูมิที่วัดได้จะถูกนำมาใช้หลังจากอุณหภูมิสมดุล .

เจ็ดแผนการปรับปรุง:
เนื่องจากเทอร์โมมิเตอร์แบบอินฟราเรดธรรมดาถูกจำกัดให้วัดอุณหภูมิภายนอกของวัตถุเท่านั้น จึงไม่สะดวกที่จะวัดอุณหภูมิภายในวัตถุและเมื่อมีสิ่งกีดขวาง ดังนั้นจึงสามารถเพิ่มส่วนของใยแก้วนำแสงไปยังหัวตรวจจับและเลนส์ได้ ด้วยมุมรับภาพขนาดเล็กสามารถติดตั้งได้ที่ส่วนหน้า เพื่อให้พลังงานการแผ่รังสีของวัตถุที่วัดได้ผ่านเลนส์ไปยังด้านในของใยแก้วนำแสง หลังจากการสะท้อนแสงหลายครั้งในใยแก้วนำแสง มันจะถูกส่งไปยังเครื่องตรวจจับ เนื่องจากใยแก้วนำแสงสามารถโค้งงอได้อย่างอิสระ การแผ่รังสีจึงสามารถหมุนได้อย่างอิสระ ซึ่งช่วยแก้ปัญหาในการวัดอุณหภูมิภายในของวัตถุ และสามารถวัดอุณหภูมิของสถานที่ต่างๆ เช่น มุมที่ถูกกีดขวางด้วยสิ่งกีดขวาง