紅外測溫儀也叫輻射溫度計, 是一種以熱輻射能量為基礎的非接觸式測溫儀器。目前主要用于冶金、機械、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 類強制管理的鐵專計量器具目錄, 它的重要性尤為突出, 本文就紅外輻射測溫儀的基本原理、應用及管理進行分析探討。

1.1 熱輻射概念

對于紅外輻射溫度計, 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, 就會有熱輻射產生。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用波長為 8～14μm, 主要是用在遠紅外區域內。由此可知低溫時輻射能量較小, 而且主要是發射較長波長的紅外線, 隨著溫度的升高, 輻射能量急劇增加, 同時輻射光譜也會逐漸的向短波方向移動。

1.2 發射率

理想的黑體發射率等于 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。也稱作絕對黑體或黑體, 具有最良好的吸收表面, 同時也是最良好的發射體。但在實際工作中, 這種絕對黑體是不存在的。我們計量技術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, 任何的實際物體都是非黑體, 其表面吸收率或發射率在 0～1之間, 即實際物體的發射率是在相同的溫度和波長下, 實際物體與絕對黑體的單色輻射出度的比值, 來表示實際物體發射率的一種物理特性。因此光譜發射率不僅與溫度和波長有關, 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, 它們的光譜發射率數值也相差很大。鐵路專用紅外測溫儀主要用來測量車輛運行中車軸的溫度, 車軸及軸瓦的表面表現形式是以鑄鐵、氧化鐵、油漆等組成的表面, 一般在 0.85～0.95 發射率之間。

1.3 輻射光譜分布特性(普朗克定律)

根據輻射能量與波長關系曲線, 當被測表面溫度上升時表現為兩個特點: 第一、輻射的總能量( 及曲線下的總面積)急劇增加, 實際上等于溫度的 4次方關系; 第二、曲線的峰值點逐漸移向短波長。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), 溫度愈低時,物體輻射的能量愈趨向于紅外區, 能量波長也移向紅外。鐵路運行中的軸溫主要在低溫段, 因此發射的能量也較微弱, 當用來測量表面溫度時, 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 波長之間函數曲線范圍內的積分, 當溫度升高時帶寬增大, 能量就增多。紅外測溫儀的基礎就是利用了紅外輻射能量與被測表面溫度之間有一個固定的關系式()制成的。

L———實際物體的輻射出度。

ε(T)———實際物體包括所有波長在內的總發射率, 介于 0~1 之間。

———斯忒藩-玻耳茲曼常數 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

這種溫度計在結構原理上具有以下特點: (1)從被測目標得到的紅外輻射光通過聚光透鏡, 再采用漫反射透鏡光學系統, 照射到光電元件上得到電流信號, 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光譜吸收區的干擾, 提高了精度;(3) 在測量和顯示部分, 借 CPU 以軟件處理方式進行溫度補償, 而不用在線路中加熱敏電阻補償的方法; (4) 電路增設了瞄準激光點, 可以很容易找到測溫目標。另外有些測溫儀還具備發射率(ε)可調節功能, 可以根據不同被測物體的表面, 判斷物體表面的發射率, 調節測溫儀的發射率按鈕與其匹配, 消除了因發射率不同引起的誤差。

通過對輻射概述的分析使我們認識到, (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溫度聯系起來。(2)測溫是非接觸式測溫, 不會破壞被測對象的溫度分布。(3)靈敏度高、反應時間快。鐵路專用紅外測溫儀的反應靈敏度一般都小于≤500 mS。(4) 受物體的表面發射率影響, 有時必須對測溫儀的發射率進行修正, 才能得到真實溫度。

2 紅外測溫儀在鐵路企業的應用與計量管理

2.1 現狀與分布

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

2.2 檢定情況

我所在 1998 年根據本局實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準, 并通過部標準所考核合格后, 依據 JJG ( 鐵道)149-2005 鐵路專用輕便型紅外測溫儀檢定規程, 開始開展檢定工作。在這幾年的計量檢定量傳工作中, 確保了本局的在用輕便型紅外測溫儀的受檢合格率達到98%以上, 為鐵路行車安全起到了重要的技術保障。在做到科學、準確、高效的同時, 也獲得一些寶貴的經驗, 并發現目前存在的一些問題, 現供大家一塊探討。

2.3 存在的問題

2.3.1 質量參差不起。手持式紅外測溫儀雖然發展了很多年, 但是由于國內外生產廠家眾多, 而真正取得計量產品生產許可證的企業僅有幾家, 所以流入市場上的測溫儀在質量上面就存在著較大的差別。

如: 有些測溫儀外殼設計上不合理, 使用起來很不方便; 按鍵開關、電池彈簧片質量差, 使用壽命過短; 聚光透鏡的位置過于靠前, 很容易造成人為地損壞和摔壞; 測溫準確度低, 產品說明書給出的準確度等級往往低于實際產品的準確度等級, 達不到規定技術要求。所以對這些質量差的產品必須設一道防線, 就是要經過計量部門檢定合格后再進行使用。

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, 根據不同的使用場合和工況選用不同的適用溫度范圍。依據依據 JJG( 鐵道)149-2005 檢定規程, 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, 定在這個溫度段的測溫儀經黑體輻射源檢定, 一般誤差小于允許誤差。如果測溫儀的溫度范圍越寬, 不但價格昂貴, 而且用來測量軸溫也會產生較大的誤差。

2.3.3 使用方法要正確。測溫儀除了發射率以外, 還有一項技術指標是光學分辨率(D:S)。即測溫儀探頭到目標之間的距離與被測目標直徑之比。如果測溫儀遠離目標, 而目標有小, 應選擇高分辨率的測溫儀。在測溫時, 根據光學分辨率和被測目標, 視場應小于或等于被測目標, 否則測量就有誤差。一般測溫儀的視場小于被測目標的 50%為最好。

2.4.4 注意事項。(1)測溫儀在長期不用時, 應把電池取出, 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 計量管理

《計量法》中規定計量檢定分為首次檢定、后續檢定、和使用中校驗。首次檢定是指新購置的儀器第一次送到計量部門檢定, 稱為首次檢定。有些單位和個人對計量法認識不足, 認為新買得的產品, 有出廠合格證就夠了, 不需要檢定也可以, 這種思想觀念是錯誤的。假如你買的產品是某家企業生產的, 而該家企業的黑體輻射源不每年送國家計量技術部門進行檢定, 沒有溯源到國家計量基準, 可想而知, 這家企業生產的產品也絕對不合格。對這種新買的產品, 我們還敢用嗎?就是說新買的產品, 一定也要進行計量檢定。后續檢定是指計量器具首次檢定后的任何一種檢定, 包括強制性周期性檢定和修理后檢定。計量器具按時間間隔和規定程序, 規定一個周期檢定一次。由于計量器具在整個周期使用范圍內, 儀器受自身電子元器件老化和一些不明原因地損壞, 造成儀器的的技術參數發生變化, 影響到測溫準確度, 因此必須進行周期檢定。使用中校驗是根據客戶的要求在使用周期范圍內發現該儀器由于使用較頻繁, 對該儀器的測溫準確度產生懷疑, 不能確定是否合格,決定送到計量部門進行檢定, 稱使用中校驗。總之,站段計量管理人員, 應根據本單位的實際狀況, 建立臺帳、制定和合理安排各項計量器具的檢定周期, 確保本單位的計量器具都在受控狀態下, 按照各種管理辦法, 始終保持計量器具處于良好的技術狀態。