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《能源監測與評價》——能源監測技術(三)

2019-01-02 20:35:35 《能源監測與評價》;作者:黃素逸 閆金定 關欣  點擊量: 評論 (0)
溫度既是人們日常生活中最熟悉的參數,也是科學研究和工農業生產過程中一個很重要的測量參數。溫度的測量及控制對保證產品質量、提高生產效率、節約能源、生產安全、促進國民經濟的發展都起到非常重要的作用。

(3)背景對測溫的影響。在用紅外熱成像系統測量物體溫度時,探測器接受的不僅有被測物體表面投射到響應平面上的輻射能,還可能有背景(即周圍環境)投向物體表面被物體表面反射的輻射能,以及背景投向物體表面并透過物體表面的輻射能。后兩部分的輻射能會直接影響到測溫的準確度。顯然,只有物體為絕對黑體,即背景入射到被測物體的輻射能全部被吸收,既無反射,又無透射,背景對測溫的影響才減至零;而且,背景溫度越高,對測溫的影響也越大。此外,發射率低的物體比發射率高的物體受背景溫度的影響更大。因此,被測物體表面若發射率低,而被測溫度又和背景溫度相差不大時,就會引起很大的測溫誤差。

通常在用紅外熱成像系統測溫時,有以下幾種情況:

1)被測物體的溫度與背景相同,這時只要知道被測物體的發射率,便可將背景的輻射能扣除,直接得到被測物體的真實溫度,被測物體的發射率越高,背景溫度的影響越小。

2)被測物體發射率較低,背景溫度與紅外熱成像儀相同,此時測量和計算結果也會是準確的。

3)被測物體發射率較低,背景溫度高于紅外熱成像儀溫度,這時所測得的溫度將高于物體的真實溫度,即使背景溫度低于被測物體溫度,所測溫度也金有較大誤差。為了消除背景溫度對測溫的影響,紅外熱成像系統應有背景溫度補償功能,通常有兩種補償方法:

1)以背景溫度不變為前提,進行補償,這種補償比較簡單,只要知道背景溫度,通過系統軟件的計算,即可得到正確的測量值。這種補償只適于背景溫度變化不大的情況,補償時,對背景溫度的變化取平均值。

2)實時補償,當背景溫度隨時間變化很大、很快時,使用另外一個專測背景溫度的傳感器,再通過軟件進行實時補償。

(4)大氣對測溫的影響。被測物體輻射的能量必須通過大氣才能到達紅外熱成像,由于大氣中某些成分對紅外輻射能的吸收作用,會減弱由被測物體到探測器的紅外輻射能,引起測溫誤差。另外,大氣本身的發射率也將對測量產生影響。為此,除了充分利用“大氣窗口”以減少大氣對輻射能的吸收外,還應根據輻射能在氣體中的衰減規律,即貝爾(Beer)定律,在紅外熱成像儀的計算軟件中對大氣的影響予以修正。

(5)工作波長的選擇。在用紅外熱成像儀測量物體表面溫度時,選擇工作波長是非常重要的。選擇工作波長的依據是測量溫度范圍、被測物體的發射率、大氣傳輸的影響。

1)依據測溫范圍選擇工作波長。根據有關輻射的知識,物體的溫度越高,輻射的能量越大,且峰值波長隨著溫度的升高將向短波方向移動,因此從能量利用的角度考慮,高溫測量一般選用短波,低溫測量選擇長波,中溫測量波長選擇介于兩者之間。從普朗克定律可看出另一種情況,即峰值波長右側的能量占總能量的75%左右,左側只占總能量的25%左右,如果采用寬波段測溫,似乎選用峰值右側的波段可能能量更大些。實際上,因為紅外輻射測溫還有一個更重要的因素要考慮,就是能量隨溫度的變化率,這個數值越大,測溫的靈敏度越高,在峰值波長的左邊能量隨溫度的變化率較大,因此選用峰值左邊的波段較為合適。

2)依據被測物體的發射率選擇工作波段。由于被測物體是多種多樣的,因此某一種紅外測溫裝置不可能同時滿足所有被測物體的要求,對于發射率既隨溫度變化又隨波長變化的物體,其工作波段的選擇不能只依據溫度范圍,而主要依據發射率的波長隨溫度的變化情況。例如,高分子塑料在波段3.43um或7.9um處,玻璃在波段5um處,只含C02和NO的清潔火焰在4.5um處均有較大的發射率,為了測量這些對象的溫度,就要選用這些具有大發射率的波段。

3)依據大氣窗口選擇工作波段。為了減少輻射在大氣中的衰減,工作波段應選擇大氣窗口,特別是對長距離的測量,如從衛星處探測地面輻射的遙感,更是如此。當然對一些特殊場合,如測量現場含有大量的水蒸氣,則工作波段應特別避開水蒸氣的幾個吸收波段。在選用紅外熱成像儀或紅外輻射儀時,應注意生產廠家所提供的工作波段。

5.紅外探測器的制冷裝置

為了消除背景噪聲和提高探測器的靈敏度,探測器要求配置制冷裝置,不同的探測器要求的制冷溫度也不同,如對銻化銦、碲鎘汞探測器,其要求的制冷溫度為77K。獲得制冷的方法主要有:

(1)把探測器置于杜瓦瓶內,然后向瓶內直接灌液氮。

(2)使用高純壓縮空氣或氮氣,通過毛細管口突然膨脹降溫而變成液體,再將此液體導人杜瓦瓶中。

(3)利用半導體致冷或脈管致冷、熱聲制冷等新型的微型制冷裝置。

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