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全面讲解关于非接触式温度传感器基础内容

来源:发表时间:2019-07-17

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      事实上,任何高于绝对零温度的质量都会发出电磁辐射(光子或光)作为该温度的函数。这个基本事实使得通过分析物体发出的光来测量温度成为可能。Stefan-Boltzmann辐射能定律量化了这一事实,宣称热物体的辐射发射损失的热量与绝对温度的四次方成正比:


      dQ / dt =辐射热损失率(瓦特)
      e =发射率因子(无单位)
      σ= Stefan-Boltzmann常数(5.67×10 -8 W / m 2 ?K 4)
      A =表面积(平方米)
      T =绝对温度(开尔文)
      非接触式测温(或高温测量通常被称为高温测量)的主要优点是相当明显的:不需要将传感器与过程直接接触,可以进行各种各样的温度测量,或者是使用任何其他技术不切实际或不可能。
      非接触式测温的一个主要缺点是它只能显示物体的表面温度。例如,感应管道发出的热辐射只会告诉您管道的表面温度,而不是管道内流体的真实温度。另一个例子是医生使用非接触式测温来评估体温的不规则性:他们检测到的只是皮肤温度。虽然可能是这样检测物体表面下方的“热点”,但这仅仅是因为该物体的表面温度因下方的热点而不同。如果物体内部的温度高于正常的区域未能将足够的热能传递到表面以表现为更热的表面温度,则该区域对于非接触式测温法是不可见的。
      一些读者可能会惊讶地发现,非接触式高温测定几乎与热电偶技术一样古老,这是第一个在1892年建造的非接触式高温计。
浓缩高温计
      非接触式高温计的历史悠久的设计是将来自被加热物体表面的入射光聚集到一个小的温度传感元件上。传感器温度的升高会显示落在其上的红外光能的强度,如前所述,这是目标物体表面温度(绝对温度到四次幂)的函数:


      Stefan-Boltzmann定律的第四功率特性意味着热物体的绝对温度加倍会导致传感器上的辐射能量降低16倍,因此传感器的温升比环境温度提高了16倍。目标温度的三倍(绝对值)产生的辐射能量是其八十一倍,因此传感器温度上升了81倍。这种极端非线性将非接触式高温测定的实际应用限制在需要良好精度的相对窄的目标温度范围内。
      热电偶是非接触式高温计中使用的第一种传感器,它们仍然可以应用于同一技术的现代版本中。由于传感器不会变得与目标物体一样热,因此传感器区域的任何单个热电偶结的输出都会非常小。出于这个原因,仪器制造商通常采用称为热电堆的串联热电偶阵列来产生更强的电信号。
      热电堆的基本概念是将多个热电偶结串联连接,以便它们的电压增加:


      检查每个结的极性标记(在本例中假设为E型热电偶线:chromel和constantan),大家看到所有“热”结的电压互相帮助,所有“冷”结的电压也是如此。但是,与所有热电偶电路一样,每个“冷”结电压都与“热”结电压相对。假设所有热接点处于相同温度且所有热接点均为单个E型热电偶热/冷接点对将产生的电位差的四倍,此图中所示的示例热电堆具有四个热接点和四个冷接点。冷端温度相同。
      当用作非接触式高温计的探测器时,热电堆的方向使得所有集中的光线都落在热接点上(光聚焦到一个小点的“焦点”),而冷接点则远离焦点指向环境温度区域。因此,热电堆的作用类似于倍增的热电偶,在相同的温度条件下产生的电压比单个热电偶结的电压高。

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