اصل نظری و کاربرد دماسنج مادون قرمز

اصل نظری و کاربرد دماسنج مادون قرمز

روش های زیادی برای اندازه گیری دما وجود دارد. دماسنج ها را می توان به دو نوع تقسیم کرد: ابزار اندازه گیری دمای تماسی و ابزار اندازه گیری دمای غیر تماسی. نوع تماس شامل دماسنج مایع آشنا، دماسنج ترموکوپلی و دماسنج مقاومت حرارتی و ... می باشد. همانطور که همه می دانیم دما یکی از مهمترین پارامترها در سیستم های گرمایش، گازرسانی، تهویه و تهویه مطبوع می باشد. به خصوص در فرآیند اندازه گیری مهندسی حرارتی، دقت دما اغلب کلید موفقیت یا شکست آزمایش است. بنابراین، یک ابزار اندازه گیری دما با دقت بالا در مهندسی ضروری است. از این رو در این مقاله به معرفی برخی از اصول و کاربردهای دماسنج مادون قرمز در ابزار اندازه گیری دما می پردازیم.

اصل نظری اندازه گیری دمای مادون قرمز:
در طبیعت، زمانی که دمای جسمی بالاتر از صفر مطلق باشد، به دلیل وجود حرکت حرارتی درونی، امواج الکترومغناطیسی را به طور پیوسته به محیط اطراف ساطع می کند، از جمله پرتوهای فروسرخ با باند موج 0.75μm~. 100 میکرومتر مشخصه آن این است که در یک دما و طول موج معین، انرژی تابشی ساطع شده از یک جسم دارای حداکثر مقدار است. به این نوع ماده جسم سیاه می گویند و ضریب بازتاب آن برابر با 1 است. ضریب بازتاب سایر مواد کمتر از 1 است که به آن جسم خاکستری می گویند، زیرا توان تابش طیفی P(λT) جسم سیاه است. و حداکثر دمای T تعیین پلانک را برآورده می کند. نشان می دهد که در حداکثر دمای T، قدرت تابش جسم سیاه در واحد سطح در طول موج λ P(λT) است.
با افزایش دما، انرژی تابشی جسم قوی تر می شود. این نقطه شروع تئوری تابش مادون قرمز و اساس طراحی دماسنج مادون قرمز تک باند است.

با افزایش دما، اوج تابش به سمت موج کوتاه (به سمت چپ) حرکت می کند و قضیه جابجایی وین را برآورده می کند، طول موج در اوج با حداکثر دمای T نسبت معکوس دارد و خط نقطه چین خط است. اتصال قله این فرمول به ما می گوید که چرا دماسنج های با دمای بالا بیشتر در امواج کوتاه کار می کنند و دماسنج های دمای پایین بیشتر در امواج بلند کار می کنند.

سرعت تغییر انرژی تابشی با دما در موج کوتاه بیشتر از موج بلند است، یعنی دماسنج کار در موج کوتاه نسبت سیگنال به نویز نسبتاً بالایی (حساسیت بالا) و قوی دارد. ضد تداخل دماسنج باید سعی کند در اوج طول موج کار کند. به خصوص در مورد دمای پایین و اهداف کوچک، این امر اهمیت ویژه ای دارد.

دو: دماسنج مادون قرمز از سیستم نوری، آشکارساز فوتوالکتریک، تقویت کننده سیگنال، پردازش سیگنال، خروجی نمایشگر و سایر بخش ها تشکیل شده است. تابش از جسم اندازه گیری شده و منبع بازخورد توسط مدولاتور مدوله می شود و سپس به آشکارساز مادون قرمز وارد می شود. تفاوت بین این دو سیگنال توسط ضد تقویت کننده تقویت می شود و دمای منبع فیدبک را کنترل می کند، به طوری که تابش طیفی منبع بازخورد با شی یکسان است. صفحه نمایش دمای روشنایی جسم اندازه گیری شده را نشان می دهد

شاخص های عملکرد و انتخاب سه دماسنج مادون قرمز:
شاخص های عملکرد دماسنج های مادون قرمز عبارتند از: محدوده اندازه گیری دما، وضوح نمایشگر، دقت، محدوده دمای محیط کار، تکرارپذیری، رطوبت نسبی، زمان پاسخگویی، منبع تغذیه، طیف پاسخ، اندازه، نمایشگر حداکثر مقدار، وزن، انتشار و ... توجه کنید. هنگام انتخاب به موارد زیر

1. تعیین محدوده اندازه گیری دما: محدوده اندازه گیری دما مهمترین شاخص عملکرد دماسنج است. هر نوع دماسنج محدوده دمایی خاص خود را دارد. بنابراین، محدوده دمای اندازه‌گیری شده کاربر باید به طور دقیق و جامع در نظر گرفته شود، نه خیلی باریک و نه خیلی وسیع. بر اساس قانون تابش جسم سیاه، در باند طول موج کوتاه طیف، تغییر انرژی تابشی ناشی از دما از تغییر انرژی تابشی ناشی از خطای انتشار بیشتر خواهد بود.

2 اندازه هدف را تعیین کنید: دماسنج های مادون قرمز را می توان بر اساس اصل به دماسنج های تک رنگ و دماسنج های دو رنگ (ترمومترهای رنگ سنجی تابشی) تقسیم کرد. برای یک دماسنج تک رنگ، هنگام اندازه گیری دما، ناحیه هدفی که باید اندازه گیری شود باید میدان دید دماسنج را پر کند. توصیه می شود که اندازه هدف اندازه گیری شده بیش از 50 درصد میدان دید باشد. اگر اندازه هدف کوچکتر از میدان دید باشد، انرژی تابش پس زمینه وارد نمادهای بصری و صوتی دماسنج شده و در قرائت اندازه گیری دما اختلال ایجاد می کند و باعث خطا می شود. برعکس، اگر هدف بزرگتر از میدان دید پیرومتر باشد، پیرومتر تحت تأثیر پس زمینه خارج از ناحیه اندازه گیری قرار نمی گیرد. برای یک پیرومتر دو رنگ، دما با نسبت انرژی تابشی در دو باند طول موج مستقل تعیین می شود. بنابراین وقتی هدف اندازه گیری کوچک است، میدان دید را پر نمی کند و دود، گرد و غبار و موانعی در مسیر اندازه گیری وجود دارد که باعث کاهش انرژی تابش می شود، تأثیر قابل توجهی بر نتایج اندازه گیری نخواهد داشت. . برای اهداف کوچک و متحرک یا ارتعاشی، دماسنج دو رنگ بهترین انتخاب است. این به دلیل قطر کم پرتوهای نور و انعطاف پذیری آنها برای انتقال انرژی تابشی نور بر روی کانال های منحنی، مسدود و تا شده است.

3 تعیین ضریب فاصله (رزولوشن نوری): ضریب فاصله با نسبت D:S یعنی نسبت فاصله D بین پروب دماسنج به هدف و قطر هدف اندازه گیری شده تعیین می شود. اگر دماسنج به دلیل شرایط محیطی باید دور از هدف نصب شود و یک هدف کوچک باید اندازه گیری شود، باید دماسنج با وضوح نوری بالا انتخاب شود. هر چه رزولوشن اپتیکال بالاتر باشد یعنی نسبت D:S افزایش یابد، هزینه پیرومتر بیشتر می شود. اگر دماسنج از هدف دور باشد و هدف کوچک باشد، باید دماسنج با ضریب فاصله بالا انتخاب شود. برای یک پیرومتر با فاصله کانونی ثابت، نقطه کانونی سیستم نوری کوچکترین موقعیت نقطه است و نقطه نزدیک و دور از نقطه کانونی افزایش می یابد. دو عامل فاصله وجود دارد.

4. تعیین محدوده طول موج: گسیل و ویژگی های سطح ماده هدف، طول موج متناظر طیف پیرومتر را تعیین می کند. برای مواد آلیاژی با بازتاب بالا، انتشار کم یا متغیر وجود دارد. در منطقه با دمای بالا، بهترین طول موج برای اندازه‌گیری مواد فلزی مادون قرمز نزدیک است و می‌توان 0.8-1.0 میکرومتر را انتخاب کرد. سایر مناطق دما می توانند 1.6μm، 2.2μm و 3.9μm را انتخاب کنند. از آنجایی که برخی از مواد در طول موج خاصی شفاف هستند، انرژی مادون قرمز به این مواد نفوذ می کند و باید طول موج خاصی برای این ماده انتخاب کرد.

5 تعیین زمان پاسخ: زمان پاسخ نشان دهنده سرعت واکنش دماسنج مادون قرمز به تغییر دمای اندازه گیری شده است که به عنوان زمان لازم برای رسیدن به 95 درصد انرژی قرائت نهایی تعریف می شود و مربوط به ثابت زمانی است. مربوط به ردیاب، مدار پردازش سیگنال و سیستم نمایش است. اگر سرعت حرکت هدف بسیار سریع باشد یا هنگام اندازه گیری یک هدف با گرمایش سریع، یک دماسنج مادون قرمز با واکنش سریع انتخاب شود، در غیر این صورت پاسخ سیگنال کافی به دست نمی آید و دقت اندازه گیری کاهش می یابد. با این حال، همه برنامه ها به دماسنج مادون قرمز با پاسخ سریع نیاز ندارند. برای فرآیندهای حرارتی استاتیک یا هدف با اینرسی حرارتی، زمان پاسخ پیرومتر را می توان آرام کرد.

6. عملکرد پردازش سیگنال: با توجه به تفاوت بین فرآیند گسسته (مانند تولید قطعات) و فرآیند پیوسته، دماسنج مادون قرمز باید عملکردهای پردازش سیگنال متعددی داشته باشد (مانند نگهداری اوج، دره نگه‌داری، مقدار متوسط) تا را انتخاب کنید، مانند اندازه گیری دما در تسمه نقاله هنگامی که بطری استفاده می شود، لازم است از مقدار پیک برای نگهداری استفاده شود و سیگنال خروجی دمای آن به کنترل کننده ارسال شود. در غیر این صورت دماسنج مقدار دمای کمتری را بین بطری ها می خواند. در صورت استفاده از اوج نگهداری، زمان پاسخ دماسنج را کمی بیشتر از فاصله زمانی بین بطری ها تنظیم کنید تا حداقل یک بطری همیشه در حال اندازه گیری باشد.

7 در نظر گرفتن شرایط محیطی: شرایط محیطی دماسنج تاثیر زیادی در نتایج اندازه گیری دارد که باید در نظر گرفته شود و به درستی برطرف شود، در غیر این صورت دقت اندازه گیری دما را تحت تاثیر قرار داده و حتی باعث آسیب می شود. هنگامی که دمای محیط بالا است و گرد و غبار، دود و بخار وجود دارد، پوشش محافظ، خنک کننده آب، سیستم خنک کننده هوا، تصفیه کننده هوا و سایر لوازم جانبی ارائه شده توسط سازنده قابل انتخاب است. این لوازم جانبی می توانند به طور موثر تأثیرات محیطی را برطرف کنند و از دماسنج برای اندازه گیری دقیق دما محافظت کنند. هنگام تعیین لوازم جانبی، خدمات استاندارد باید تا حد امکان درخواست شود تا هزینه های نصب کاهش یابد.

8. کالیبراسیون دماسنج تابش مادون قرمز: دماسنج مادون قرمز باید کالیبره شود تا بتواند دمای هدف اندازه گیری شده را به درستی نمایش دهد. اگر اندازه گیری دمای دماسنج مورد استفاده در حین استفاده خارج از تحمل باشد، باید برای کالیبراسیون مجدد به سازنده یا مرکز تعمیر برگردانده شود.

ویژگی های چهار دماسنج مادون قرمز
1. اندازه گیری بدون تماس: نیازی به لمس داخل یا سطح میدان دمای اندازه گیری شده ندارد، بنابراین با وضعیت میدان دمای اندازه گیری شده تداخلی ایجاد نمی کند و خود دماسنج نیز توسط میدان دما آسیب نمی بیند.

2. گستره اندازه گیری گسترده: از آنجایی که دماسنج یک اندازه گیری دما بدون تماس است، دماسنج در یک میدان دمای بالاتر یا پایین تر نیست، بلکه در دمای معمولی یا در شرایط مجاز دماسنج کار می کند. در شرایط عادی، می تواند منهای ده ها درجه تا بیش از سه هزار درجه را اندازه گیری کند.

3. سرعت اندازه گیری دما سریع: یعنی زمان پاسخ سریع. تا زمانی که تابش مادون قرمز هدف دریافت شود، می توان دما را در مدت زمان کوتاهی ثابت کرد.

4. دقت بالا: اندازه گیری دمای مادون قرمز توزیع دمای جسم خود را مانند اندازه گیری دمای تماس از بین نمی برد، بنابراین دقت اندازه گیری بالا است.

5. حساسیت بالا: تا زمانی که تغییر کوچکی در دمای جسم وجود داشته باشد، انرژی تابش به شدت تغییر می کند که به راحتی قابل تشخیص است. می تواند دمای میدان دمایی کوچک را اندازه گیری کند و

6. اندازه گیری توزیع دما و اندازه گیری دمای اجسام متحرک یا در حال چرخش. عمر مفید و ایمن.

معایب پنج دماسنج مادون قرمز:
1. آسیب پذیر به عوامل محیطی (دمای محیط، گرد و غبار موجود در هوا و غیره)

2. تأثیر زیادی در خواندن دمای سطح فلز روشن یا صیقلی دارد

3. فقط به اندازه گیری دمای خارجی جسم محدود می شود، اندازه گیری دمای داخل جسم و زمانی که موانع وجود دارد ناخوشایند است.

اقدامات احتیاطی برای استفاده از شش دماسنج مادون قرمز:
(1) گسیل پذیری جسم مورد آزمایش باید دقیقاً تعیین شود.

(2) از تأثیر اجسام با دمای بالا در محیط اطراف خودداری کنید.

(3) برای مواد شفاف، دمای محیط باید کمتر از دمای جسم اندازه گیری شده باشد.

(4) دماسنج باید به صورت عمودی با سطح جسم مورد اندازه گیری تراز شود و تحت هیچ شرایطی زاویه نباید از 30 درجه تجاوز کند.

(5) نمی توان از آن برای اندازه گیری دما بر روی سطوح فلزی درخشان یا صیقلی استفاده کرد و نمی توان از آن برای اندازه گیری دما از طریق شیشه استفاده کرد.

(6) ضریب پیگیری را به درستی انتخاب کنید، قطر هدف باید میدان دید را پر کند.

(7) اگر دماسنج مادون قرمز به طور ناگهانی در معرض اختلاف دمای محیط 20 درجه یا بالاتر قرار گیرد، داده های اندازه گیری نادرست خواهند بود و مقدار دمای اندازه گیری شده پس از متعادل شدن دما گرفته می شود. .

هفت طرح بهبود:
از آنجایی که دماسنج مادون قرمز معمولی فقط به اندازه گیری دمای خارجی جسم محدود می شود، اندازه گیری دمای داخل جسم و در مواقعی که موانعی وجود دارد ناخوشایند است، بنابراین می توان بخشی از فیبر نوری را به سر تشخیص و یک لنز اضافه کرد. با زاویه دید کوچک را می توان در قسمت جلویی نصب کرد، به طوری که انرژی تابشی جسم اندازه گیری شده از طریق لنز به داخل فیبر نوری عبور می کند. پس از بازتاب های متعدد در فیبر نوری، به آشکارساز منتقل می شود. از آنجایی که فیبر نوری را می توان آزادانه خم کرد، تابش را می توان آزادانه چرخاند که مشکل اندازه گیری دمای داخلی جسم را حل می کند و می تواند دمای مکان هایی مانند گوشه های مسدود شده توسط موانع را اندازه گیری کند.