实验三    红外测温仪和红外热像仪应用与实践

在冶金高温实验（试验）和工业生产过程中，准确的温度测量是非常重要的。在许多情况下，温度测量的精度决定了整个实验（试验）误差的大小以及冶炼过程中的热工制度等。测量温度的方法分为：（1）接触式（传感元件紧靠被测物体或直接置于温度场中，如热电偶等）；接触式测温的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠；缺点：感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。（2）非接触式（利用被测物体的热辐射或辐射光谱分布随温度变化的规律来测量物体的温度，如红外测温仪、红外热成像仪、光学高温计等）。表3-1为常用测温仪器的种类特性及其使用场合。红外测温仪、红外热成像仪与热电偶相比具有感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度（如连铸生产过程中连铸坯表面温度的测量）和快速变化的温度。同时还具有寿命长、性能可靠、腐蚀性介质不能接触的场合等特点。红外测温仪与光导纤维及微处理机配套组成的红外热像仪，成为高温冶金过程研究及过程控制的有利工具。本实验通过了解和掌握3i-2MSC型红外测温仪和VST-H型便携式工业红外热像仪的基本结构、工作原理、基本操作方法等知识的学习，使学生了解和掌握这一种先进的测温仪器的应用与实践。

表3-1   常用测温仪器的种类特性及其使用场合

1为热电偶分度号

1. 红外测温基本原理

自然界任何物体都有着热辐射，例如，物体在300℃时就有波长约5μm红外光辐射。物体热辐射本领可用普朗克公式和基尔霍夫定律表达公式（3-1）、（3-2）:

            （3-1）

式中：— 物体自身发出的辐射，W/m2;

       — 辐射率;

 — 黑体辐射，W/m2;

       — 第一辐射常数，其值为3.74×10-16  W·m2；

       — 第二辐射常数，其值为1.44×10-2（m·K）

        一 温度，K;

       — 波长，m ;

实际应用中:测量出的总辐射值（W/m2）从在一定温度范围内正比于

            （3-2）

式中:   — 发射率。

    确定发射率是红外测温技术中关键而又复杂细致的一步，它与被测材料的温度、表面状

态密切相关。现场条件下，为确定发射率值，先用热电偶测出目标温度值，然后将红外测温

仪对准目标调整值，让红外测温仪温度值等于热电偶的温度值，此时的即为所求的发射率。例如:钢坯拉出连铸机时，用热电偶测出铸坯表面温度为790℃，调整红外测温仪的读数也为790℃，于是可得到铸坯的发射率=0. 85。确定铸坯的发射率之后，就可以用红外测温仪测定连铸坯的表面温度了。

红外测温仪由光学系统、红外传感器与微处理机组成，如图3-1所示。光学系统可由普通光学透镜、锗透镜甚至光导纤维组成，目的是把热辐射滤波（选择）后聚焦到传感器上，如果要得到热像图的话还会有两组同步旋转的多面镜装在传感器前。红外传感器有许多种，常见的有HgCdTe探测器、PbSnTe探测器、InSb、肖特基势垒探测器、热敏电阻探测器、测辐射热电偶等，目的都是把热辐射（）转化为电量。最后由微机把电量信号转为温度数值或热像图。

图3-1   红外测温仪结构示意图

2. 3i-2MSC型红外测温仪和VST-H型便携式工业红外热像仪操作应用

红外测温技术不仅广泛的应用在冶金炉设备、铸造设备而且正在冶金机电设备的热故障检测方面发挥着特殊的作用。红外测温技术的主要用途有：

  （1）耐火材料缺陷诊断。主要应用有高炉、电炉、转炉、精炼炉、热处理炉、钢水包等的绝热情况的检测。

  （2）钢铁加工过程的温度检测。主要应用有连铸坯测温、热轧板测温等。

  （3）电器设备的故障检测。应用于感应炉感应圈、变压器、大电机等的局部过热检测。

2.1 3i-2MSC型红外测温仪操作应用

2.1.1 3i-2MSC型红外测温仪的结构

3i-2MSC便携式红外测温仪（图3-2）（美国Raytek公司制造）无需接触物体即可测量物体表面的温度。它接收所测目标辐射的红外能量，然后计算出其表面温度。也可计算出测量过程中的平均温度、最高温度、最低温度和差值，并将其在显示屏上显示出来。其数字/模拟输出可用于数据记录、使用其它仪器设备或工艺控制器，也可实现温度测量值和发射率的远程显示。本机可由电池供电或由交流适配器供电。仪器内的存储电路可存储数据用于以后调用，其存储功能可存100个温度测量值、发射率及报警值(便于生成文件和分析)。发射率是指被侧量的物体吸收、透射和发射红外波段能量的能力。其值为0.0(极光滑的镜面)至1.0(黑体)之间。参阅表3-2（部分）金属的发射率值可得到相关材料发射率的信息。

图 3-2   3i-2MSC便携式红外测温仪

便携式测温仪结构如下:

·扳机一有两个状态。第一个状态为测温系统。第二个状态只在存储系统时起作用。在存储数据时，需扣住扳机直到听到“嘀”的一声即可(此声音表示测量的温度值已经存储)。松开扳机后机器进人休眠状态。

·调节面板及显示屏一所有调节(扳机除外)均在调节面板上完成。显示屏上可显示测得的温度值、设定值、模式、状态及操作信息。

·瞄准系统一每种型号都可以有激光瞄准或者望远镜瞄准。

 注:在操作带有激光瞄准的机器之前，请参阅激光警告标签。

·模拟信号输出 一 可将此输出接到模拟记录仪或打印设备，例如:记录仪或打印机等。

·数字信号输出 一 本机的RS232接口可与计算机连接或直接接到打印机的RS232端口上。

·直流输入 一 与交流适配器相连。

·背带

表3-2  金属的发射率值（部分）

2.1.2 3i-2MSC型红外测温仪的操作与应用

2.1.2.1望远镜和激光瞄准

望远镜瞄准 一 望远镜被设计成要远离眼睛使用的，不要将望远镜放到眼前，否则无法看到目标。望远镜瞄准方法见图3-3。

按以下步骤用望远镜来测量温度:

（1）将背带绕过头部挂到颈中。

（2）将仪器远离眼睛直到能清晰看到目标。

（3）使用望远镜的+字准线来将仪器对准目标。

（4）继续进人激光瞄准。

图3-3    望远镜瞄准方法

2.1.2.2 基本操作程序

A:简单操作（见图3-4）

（1）将仪器对准待测目标(与目标垂直)，扣动扳机。此时的温度值(以℃或表示)、发射率设定值、及测量过的最高温度值皆在显示屏上显示出来。

（2）根据所测目标不同，将发射率设定到相应值。可通过按▲和▼键进行设置。(例如:用响应波长为8到14微米的仪器测量铸铁，发射率值应设定为0.90;如果目标为沥青，发射率值应采用默认值0.95;如果用其它光谱范围的仪器测量别的物体，请参阅表3-2（部分）金属的发射率值。

图3-4   简单操作显示

B: 激光瞄准

按下列步骤用激光测量温度:

（1）扣动扳机，如有必要按下RUN/LOG按键来改变测量系统。

（2）按下Laser按键启动激光。

（3）将仪器对准目标然后用激光或望远镜仔细瞄准。

注:请确认被测量的目标充满测温仪的视场。

（4）按下Lock按键将仪器锁定。

（5）松开板机。

如果正在使用LOG循环，请按下上下健▲或▼来选择存储测量结果记录位置号。扣住扳机不放直到听到“嘀”的一声，这表示测量已被存储。当前温度和测量过程中的最大温度都会被存进去。

注:扳机有两个状态，扣动扳机一下就启动第一个状态，扣住扳机不放则启动第二个状态(仅在LOG系统时需要操作)。要防止数据被意外覆盖(如意外扣动扳机)，请按下RUN/LOG按键退出LOG循环(LOG标记会消失)。

2.2  VST-H型便携式工业红外热像操作应用

红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统(目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统)接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构(焦平面热像仪无此机构)对被测物体的红外热像进行扫描并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换成标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。

   这种热像图与物体表面的热分布场相对应;实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图。由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际应用过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，色标校正，伪色彩描绘等高线和直方图进行数学运算、打印等。

2.2.1 VST-H型便携式工业红外热像的结构

  VST-H型便携式工业红外热像（国产）基本结构及各按键的功能见图3-5。

图3-5  VST-H型便携式工业红外热像基本结构及各按键的功能

按键介绍：通过按键操作可以方便的操作热像仪的各种功能。

·电源指示灯[1]

·电源开关[2]

    用于热像仪的开启和关闭。按此键超过三秒，启动/关闭热像仪。

·定格键[3](标记F)

    用于定格图象，按压此键，图象会呈静态，再次按压此键，则恢复到正常浏览状态。

·校正键[4](标记C)

    用于自动获得热像仪的最佳热像，按压此键的同时，热像仪自动进行自动校正。

·激光指示键[5](标记L)

    按压此键，将出现指示方向的红色激光(请勿对着人眼)，再按此键则激光消失。注:任何厂家的激光点都不可能和测温中心点重合，因为，激光发射器和镜头不可能是同轴状态。

·菜单键[6](标记M)

    用于使用热像仪的各种功能。

·方向键[7](标记M)

    用于调整功能键M的各项功能。不同的模式有不同的功能，由 上、下、左、右4方向加中间菜单键组成，在热像仪的实时测温状态，上/下/左/右用于移动十字光标进行全屏点测温。在菜单模式下，用于菜单的选择，上下用于同级菜单的操作，左用于返回上级菜单，右用于确认操作。

·电池仓[8]用于电池的安装

·手柄带「9]方便使用者手持热像仪

·镜头盖[10」保护红外热像仪镜头不被异物污秽，并在校正时起到准黑体作用。

·音频接口[11]用于连接本机配套耳机，进行语音注释和回听。

·电源接口[12]用于交流适配器供电，长时间使用红外热像仪。

2.2.2 VST-H型便携式工业红外热像的操作与应用

A:图形接口描述：（图3-6）

图3-6 

（1）最大温度值: 显示图象上最大温度值点的温度值，单位为℃。（M=23.2）

（2）点温度值: 显示图象上大十字光标点的温度值，单位为℃。（C=22.8）

（3）色标: 色标条，用户可选择相应的色标。

（4）小十字光标: 最高温度跟踪标记点，以下简称M点。

（5）大十字光标: 任意点测温标记，以下简称C点。

B:菜单介绍:

   本机的菜单形式分为三类:

（1）在实时测温状态下的菜单，见图3-7; 

（2）在定格状态下的菜单;

（3）在图象回放状态下的菜单。对所有菜单都采取由上键、下键、左键、右键、M键和部分功能键进行控制的方式，上、下键用于轮循各同级菜单，左键返回上级菜单，右键确认所选中菜单项，M键退出所有菜单。在对参数进行设置的时候，上键是增，下键是减。部分功能键只在色标确认和区域高温范围设置的时候使用。

图3-7  实时测温状态下的菜单

2.2.3 注意事项

   本热像仪产品为精密贵重光学及温度测量仪器，在使用过程中应注意:

（1）勿将热像仪直接对准太阳、激光焊枪等超高温物体进行观察;勿将热像仪直接置于有雨水、长时间露水或雾水的环境中而不加防护。

（2）使用DC电源时，请取出锂电池;取出锂电池和断开DC电源时，请先关闭红外热像仪电源。

（3）避免油渍及各种化学物质沾污镜头表面及损伤表面。使用完毕后，请盖上镜头盖。镜头避免磕碰，请使用专门镜头擦拭布清洁。

（4）运输与储存期间，温度不允许低于-15℃;运输期间必须使用原配包装箱。

（5）请勿使设备受潮，设备储存应放置在阴凉干燥，通风无强烈电磁场的环境中。

（6）请勿擅自打开机壳，以免触电。

3. 实验报告

实验名称：                             实验日期：

姓    名：                             班级学号：

指导教师：                             同组人：

3.1 实验目的：

3.2 红外测温工作原理：

3.3 3i-2MSC型红外测温仪和VST-H型便携式工业红外热像仪测温实例：

 使用3i-2MSC型红外测温仪和VST-H型便携式工业红外热像仪分别测出盘式电阻炉的实时温度及平均值。

（1）3i-2MSC型红外测温仪：

（2）VST-H型便携式工业红外热像仪：

3.4 思考题：

（1）在冶金高温实验（试验）和工业生产过程中，常用测温仪器的原理和种类有哪些？

（2）3i-2MSC型红外测温仪的简单操作程序时什么？

（3）红外热像仪基本工作原理是什么？

（4）使用VST-H型便携式工业红外热像仪时，注意事项有哪些?

3.5 实验心得与体会：