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全面解說關于非接觸式溫度傳感器基礎內容

來源:發表時間:2019-07-17

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      事實上,任何高于絕對零溫度的質量都會發出電磁輻射(光子或光)作為該溫度的函數。這個基本事實使得通過分析物體發出的光來測量溫度成為可能。Stefan-Boltzmann輻射能定律量化了這一事實,宣稱熱物體的輻射發射損失的熱量與絕對溫度的四次方成正比:


      dQ / dt =輻射熱損失率(瓦特)
      e =發射率因子(無單位)
      σ= Stefan-Boltzmann常數(5.67×10 -8 W / m 2 ?K 4)
      A =表面積(平方米)
      T =絕對溫度(開爾文)
      非接觸式測溫(或高溫測量通常被稱為高溫測量)的主要優點是相當明顯的:不需要將傳感器與過程直接接觸,可以進行各種各樣的溫度測量,或者是使用任何其他技術不切實際或不可能。
      非接觸式測溫的一個主要缺點是它只能顯示物體的表面溫度。例如,感應管道發出的熱輻射只會告訴您管道的表面溫度,而不是管道內流體的真實溫度。另一個例子是醫生使用非接觸式測溫來評估體溫的不規則性:他們檢測到的只是皮膚溫度。雖然可能是這樣檢測物體表面下方的“熱點”,但這僅僅是因為該物體的表面溫度因下方的熱點而不同。如果物體內部的溫度高于正常的區域未能將足夠的熱能傳遞到表面以表現為更熱的表面溫度,則該區域對于非接觸式測溫法是不可見的。
      一些讀者可能會驚訝地發現,非接觸式高溫測定幾乎與熱電偶技術一樣古老,這是第一個在1892年建造的非接觸式高溫計。
濃縮高溫計
      非接觸式高溫計的歷史悠久的設計是將來自被加熱物體表面的入射光聚集到一個小的溫度傳感元件上。傳感器溫度的升高會顯示落在其上的紅外光能的強度,如前所述,這是目標物體表面溫度(絕對溫度到四次冪)的函數:


      Stefan-Boltzmann定律的第四功率特性意味著熱物體的絕對溫度加倍會導致傳感器上的輻射能量降低16倍,因此傳感器的溫升比環境溫度提高了16倍。目標溫度的三倍(絕對值)產生的輻射能量是其八十一倍,因此傳感器溫度上升了81倍。這種極端非線性將非接觸式高溫測定的實際應用限制在需要良好精度的相對窄的目標溫度范圍內。
      熱電偶是非接觸式高溫計中使用的第一種傳感器,它們仍然可以應用于同一技術的現代版本中。由于傳感器不會變得與目標物體一樣熱,因此傳感器區域的任何單個熱電偶結的輸出都會非常小。出于這個原因,儀器制造商通常采用稱為熱電堆的串聯熱電偶陣列來產生更強的電信號。
      熱電堆的基本概念是將多個熱電偶結串聯連接,以便它們的電壓增加:


      檢查每個結的極性標記(在本例中假設為E型熱電偶線:chromel和constantan),我們看到所有“熱”結的電壓互相幫助,所有“冷”結的電壓也是如此。但是,與所有熱電偶電路一樣,每個“冷”結電壓都與“熱”結電壓相對。假設所有熱接點處于相同溫度且所有熱接點均為單個E型熱電偶熱/冷接點對將產生的電位差的四倍,此圖中所示的示例熱電堆具有四個熱接點和四個冷接點。冷端溫度相同。
      當用作非接觸式高溫計的探測器時,熱電堆的方向使得所有集中的光線都落在熱接點上(光聚焦到一個小點的“焦點”),而冷接點則遠離焦點指向環境溫度區域。因此,熱電堆的作用類似于倍增的熱電偶,在相同的溫度條件下產生的電壓比單個熱電偶結的電壓高。

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