المبدأ النظري وتطبيق ميزان الحرارة بالأشعة تحت الحمراء
هناك طرق عديدة لقياس درجة الحرارة. يمكن تقسيم موازين الحرارة إلى نوعين: أدوات قياس درجة حرارة التلامس وأدوات قياس درجة الحرارة غير المتصلة. يشتمل نوع التلامس على مقياس حرارة سائل مألوف ، وميزان حرارة مزدوج وميزان حرارة مقاوم للحرارة ، وما إلى ذلك. كما نعلم جميعًا ، تعد درجة الحرارة أحد أهم المعلمات في أنظمة التدفئة وإمداد الغاز والتهوية وتكييف الهواء. غالبًا ما تكون دقة درجة الحرارة هي مفتاح نجاح التجربة أو فشلها ، خاصة في عملية قياس الهندسة الحرارية. لذلك ، فإن أداة قياس درجة الحرارة عالية الدقة ضرورية في الهندسة. لذلك ، تقدم هذه المقالة بعض مبادئ وتطبيقات موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء في أدوات قياس درجة الحرارة.
المبدأ النظري لقياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء:
في الطبيعة ، عندما تكون درجة حرارة جسم ما أعلى من الصفر المطلق ، بسبب وجود حركة حرارية داخلية ، فإنه سيشع باستمرار موجات كهرومغناطيسية إلى المناطق المحيطة ، بما في ذلك الأشعة تحت الحمراء ذات النطاق الموجي 0. 75µm ~ 100 ميكرومتر. وتتمثل خصائصه في أنه عند درجة حرارة وطول موجة معينين ، يكون للطاقة المشعة المنبعثة من جسم ما قيمة قصوى. يسمى هذا النوع من المواد بالجسم الأسود ، ويتم ضبط معامل الانعكاس على 1. معامل الانعكاس للمواد الأخرى أقل من 1 ، ويسمى هذا الجسم الرمادي ، لأن طاقة الإشعاع الطيفي P (T) للجسم الأسود ودرجة الحرارة القصوى T ترضي تحديد بلانك. يُظهر أنه عند درجة الحرارة القصوى T ، تكون قوة إشعاع الجسم الأسود لكل وحدة مساحة عند الطول الموجي λ هي P (λT).
مع ارتفاع درجة الحرارة ، تصبح الطاقة الإشعاعية للجسم أقوى. هذه هي نقطة البداية لنظرية الأشعة تحت الحمراء وأساس تصميم مقياس حرارة الأشعة تحت الحمراء أحادي النطاق.
مع زيادة درجة الحرارة ، تتحرك ذروة الإشعاع إلى اتجاه الموجة القصيرة (إلى اليسار) ، وتفي بنظرية إزاحة فيينا ، ويتناسب الطول الموجي في الذروة عكسيًا مع درجة الحرارة القصوى T ، والخط المنقط هو الخط ربط الذروة. تخبرنا هذه الصيغة لماذا تعمل موازين الحرارة ذات درجة الحرارة المرتفعة في الغالب على الموجات القصيرة ، وتعمل موازين الحرارة ذات درجة الحرارة المنخفضة في الغالب على الموجات الطويلة.
يكون معدل تغير الطاقة المشعة مع درجة الحرارة أكبر في الموجة القصيرة منه في الموجة الطويلة ، أي أن مقياس الحرارة الذي يعمل في الموجة القصيرة له نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية نسبيًا (حساسية عالية) وقوي ضد التدخل. يجب أن يحاول مقياس الحرارة اختيار العمل عند ذروة الطول الموجي. خاصة في حالة درجات الحرارة المنخفضة والأهداف الصغيرة ، وهذا مهم بشكل خاص.
ثانيًا: يتكون مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء من نظام بصري ، وكاشف كهروضوئي ، ومضخم إشارة ، ومعالجة الإشارات ، وإخراج العرض ، وأجزاء أخرى. يتم تعديل الإشعاع من الجسم المقاس ومصدر التغذية المرتدة بواسطة المغير ثم إدخاله إلى كاشف الأشعة تحت الحمراء. يتم تضخيم الفرق بين الإشارتين بواسطة المضخم المضخم ويتحكم في درجة حرارة مصدر التغذية المرتدة ، بحيث يكون الإشعاع الطيفي لمصدر التغذية المرتدة هو نفسه إشعاع الكائن. تشير الشاشة إلى درجة حرارة سطوع الكائن المقاس
مؤشرات الأداء واختيار ثلاثة موازين حرارة تعمل بالأشعة تحت الحمراء:
تشمل مؤشرات أداء موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء: نطاق قياس درجة الحرارة ، دقة العرض ، الدقة ، نطاق درجة حرارة بيئة العمل ، التكرار ، الرطوبة النسبية ، وقت الاستجابة ، مصدر الطاقة ، طيف الاستجابة ، الحجم ، عرض القيمة القصوى ، الوزن ، الانبعاث ، إلخ. انتبه إلى ما يلي عند الاختيار:
1. تحديد نطاق قياس درجة الحرارة: نطاق قياس درجة الحرارة هو أهم مؤشر أداء لميزان الحرارة. كل نوع من أنواع موازين الحرارة له نطاق درجة الحرارة الخاص به. لذلك ، يجب النظر في نطاق درجة حرارة المستخدم المقاسة بدقة وشاملة ، وليس ضيقًا جدًا ولا واسعًا جدًا. وفقًا لقانون إشعاع الجسم الأسود ، في نطاق الطول الموجي القصير للطيف ، سيتجاوز تغير الطاقة المشعة الناتجة عن درجة الحرارة تغير الطاقة المشعة الناجم عن خطأ الانبعاث.
2 تحديد الحجم المستهدف: يمكن تقسيم موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء إلى موازين حرارة أحادية اللون ومقاييس حرارة ثنائية اللون (موازين الحرارة اللونية للإشعاع) وفقًا للمبدأ. بالنسبة لميزان الحرارة أحادي اللون ، عند قياس درجة الحرارة ، يجب أن تملأ منطقة الهدف المراد قياسها مجال رؤية مقياس الحرارة. يوصى بأن يتجاوز حجم الهدف المقاس 50 بالمائة من مجال الرؤية. إذا كان الحجم المستهدف أصغر من مجال الرؤية ، فإن طاقة إشعاع الخلفية ستدخل الرموز المرئية والصوتية لميزان الحرارة وتتداخل مع قراءات قياس درجة الحرارة ، مما يتسبب في حدوث أخطاء. على العكس من ذلك ، إذا كان الهدف أكبر من مجال رؤية البيرومتر ، فلن يتأثر البيرومتر بالخلفية خارج منطقة القياس. بالنسبة لبيرومتر ثنائي اللون ، يتم تحديد درجة الحرارة بنسبة الطاقة المشعة في نطاقي أطوال موجية مستقلين. لذلك ، عندما يكون الهدف المراد قياسه صغيراً ، لا يملأ مجال الرؤية ، ويوجد دخان وغبار وعوائق على مسار القياس ، مما يخفف من طاقة الإشعاع ، فلن يكون له تأثير كبير على نتائج القياس. . بالنسبة للأهداف الصغيرة والمتحركة أو المهتزة ، فإن مقياس الحرارة ثنائي اللون هو الخيار الأفضل. ويرجع ذلك إلى صغر قطر أشعة الضوء ومرونتها في نقل الطاقة المشعة للضوء عبر القنوات المنحنية والمحصورة والمطوية.
3 تحديد معامل المسافة (الاستبانة الضوئية): يتم تحديد معامل المسافة بنسبة D: S ، أي نسبة المسافة D بين مسبار الترمومتر إلى الهدف وقطر الهدف المقاس. إذا كان يجب تثبيت مقياس الحرارة بعيدًا عن الهدف بسبب الظروف البيئية ، ويجب قياس هدف صغير ، فيجب اختيار مقياس حرارة بدقة بصرية عالية. كلما زادت الدقة الضوئية ، أي زيادة نسبة D: S ، زادت تكلفة البيرومتر. إذا كان مقياس الحرارة بعيدًا عن الهدف وكان الهدف صغيرًا ، فيجب اختيار مقياس حرارة بمعامل مسافة عالية. بالنسبة للبيرومتر ذي البعد البؤري الثابت ، فإن النقطة المحورية للنظام البصري هي أصغر موضع للبقعة ، وستزداد البقعة القريبة والبعيدة عن النقطة البؤرية. هناك نوعان من عوامل المسافة.
4. تحديد مدى الطول الموجي: تحدد الابتعاثية وخصائص السطح للمادة المستهدفة الطول الموجي المقابل لطيف البيرومتر. بالنسبة لمواد السبائك عالية الانعكاسية ، هناك انبعاثية منخفضة أو متغيرة. في منطقة درجات الحرارة المرتفعة ، يكون أفضل طول موجي لقياس المواد المعدنية هو الأشعة تحت الحمراء القريبة ، ويمكن تحديد 0. 8-1. 0 ميكرومتر. يمكن أن تختار مناطق درجات الحرارة الأخرى 1.6μm و 2.2μm و 3.9μm. نظرًا لأن بعض المواد شفافة عند طول موجي معين ، فإن طاقة الأشعة تحت الحمراء سوف تخترق هذه المواد ، ويجب اختيار طول موجي خاص لهذه المادة.
5 تحديد وقت الاستجابة: يشير وقت الاستجابة إلى سرعة تفاعل مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء لتغير درجة الحرارة المقاسة ، والذي يُعرّف بأنه الوقت المطلوب للوصول إلى 95 بالمائة من طاقة القراءة النهائية ، وهو مرتبط بثابت الوقت للكاشف الضوئي ودائرة معالجة الإشارات ونظام العرض ذات الصلة. إذا كانت سرعة تحرك الهدف سريعة جدًا أو عند قياس هدف تسخين سريع ، فيجب اختيار مقياس حرارة بالأشعة تحت الحمراء سريع الاستجابة ، وإلا فلن تتحقق استجابة إشارة كافية ، وسيتم تقليل دقة القياس. ومع ذلك ، لا تتطلب جميع التطبيقات مقياس حرارة بالأشعة تحت الحمراء سريع الاستجابة. بالنسبة للعمليات الحرارية الساكنة أو المستهدفة مع القصور الذاتي الحراري ، يمكن تخفيف وقت استجابة البيرومتر.
6. وظيفة معالجة الإشارة: نظرًا للاختلاف بين العملية المنفصلة (مثل إنتاج الأجزاء) والعملية المستمرة ، يلزم أن يكون لميزان الحرارة بالأشعة تحت الحمراء وظائف معالجة إشارات متعددة (مثل تعليق الذروة ، وعقد الوادي ، ومتوسط القيمة) اختر من بينها ، مثل قياس درجة الحرارة على حزام النقل عند استخدام الزجاجة ، من الضروري استخدام قيمة الذروة للاحتفاظ بها ، ويتم إرسال إشارة خرج درجة الحرارة إلى وحدة التحكم. خلاف ذلك ، يقرأ مقياس الحرارة قيمة درجة حرارة أقل بين الزجاجات. إذا كنت تستخدم ذروة الانتظار ، فاضبط وقت استجابة مقياس الحرارة ليكون أطول قليلاً من الفاصل الزمني بين الزجاجات بحيث تكون زجاجة واحدة على الأقل قيد القياس دائمًا.
7 مراعاة الظروف البيئية: للظروف البيئية لميزان الحرارة تأثير كبير على نتائج القياس ، والتي يجب أخذها في الاعتبار وحلها بشكل صحيح ، وإلا فإنها ستؤثر على دقة قياس درجة الحرارة بل وتسبب الضرر. عندما تكون درجة الحرارة المحيطة عالية ويوجد غبار ودخان وبخار ، يمكن اختيار الغطاء الواقي وتبريد المياه ونظام تبريد الهواء ومنقي الهواء وغيرها من الملحقات التي توفرها الشركة المصنعة. يمكن لهذه الملحقات أن تعالج بشكل فعال التأثيرات البيئية وتحمي مقياس الحرارة لقياس درجة الحرارة بدقة. عند تحديد الملحقات ، يجب طلب توحيد الخدمة قدر الإمكان لتقليل تكاليف التركيب.
8. معايرة مقياس حرارة الأشعة تحت الحمراء: يجب معايرة مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء بحيث يمكنه عرض درجة حرارة الهدف المقاس بشكل صحيح. إذا كان قياس درجة حرارة مقياس الحرارة المستخدم خارج نطاق التسامح أثناء الاستخدام ، فيجب إعادته إلى الشركة المصنعة أو مركز الإصلاح لإعادة المعايرة.
ميزات أربعة ميزان حرارة بالأشعة تحت الحمراء
1. قياس عدم التلامس: لا يحتاج إلى لمس داخل أو سطح مجال درجة الحرارة المقاسة ، لذلك لن يتداخل مع حالة مجال درجة الحرارة المقاسة ، ولن يتضرر مقياس الحرارة نفسه بسبب مجال درجة الحرارة.
2. نطاق قياس واسع: نظرًا لأنه قياس درجة حرارة عدم التلامس ، فإن مقياس الحرارة ليس في مجال درجة حرارة أعلى أو أقل ، ولكنه يعمل في درجة حرارة عادية أو في ظل الظروف التي يسمح بها مقياس الحرارة. في ظل الظروف العادية ، يمكن أن يقيس سالب عشرات الدرجات إلى أكثر من ثلاثة آلاف درجة.
3. سرعة قياس درجة الحرارة السريعة: أي وقت الاستجابة السريع. طالما يتم تلقي الأشعة تحت الحمراء للهدف ، يمكن ضبط درجة الحرارة في وقت قصير.
4. دقة عالية: قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء لن يدمر توزيع درجة حرارة الجسم نفسه مثل قياس درجة حرارة التلامس ، وبالتالي فإن دقة القياس عالية.
5. حساسية عالية: طالما كان هناك تغير بسيط في درجة حرارة الجسم ، فإن طاقة الإشعاع ستتغير بشكل كبير ، مما يسهل اكتشافه. يمكنه قياس درجة حرارة مجال درجة الحرارة الصغيرة و
6. قياس توزيع درجة الحرارة ، وقياس درجة حرارة الأجسام المتحركة أو الدوارة. عمر خدمة طويل وآمن.
عيوب خمسة موازين حرارة تعمل بالأشعة تحت الحمراء:
1. عرضة للعوامل البيئية (درجة الحرارة المحيطة ، الغبار في الهواء ، إلخ.)
2. لها تأثير كبير على قراءة درجة حرارة السطح المعدني اللامع أو المصقول
3. يقتصر الأمر على قياس درجة الحرارة الخارجية للجسم فقط ، ومن غير الملائم قياس درجة الحرارة داخل الجسم وعندما تكون هناك عوائق
احتياطات استخدام ستة موازين حرارة تعمل بالأشعة تحت الحمراء:
(1) يجب تحديد انبعاثية الكائن قيد الاختبار بدقة ؛
(2) تجنب تأثير الأجسام ذات درجة الحرارة العالية في البيئة المحيطة ؛
(3) بالنسبة للمواد الشفافة ، يجب أن تكون درجة الحرارة المحيطة أقل من درجة حرارة الجسم المقاس ؛
(4) يجب محاذاة مقياس الحرارة عموديًا على سطح الجسم المراد قياسه ، ولا يجب أن تتجاوز الزاوية تحت أي ظرف من الظروف 30 درجة
(5) لا يمكن استخدامه لقياس درجة الحرارة على الأسطح المعدنية اللامعة أو المصقولة ، ولا يمكن استخدامه لقياس درجة الحرارة من خلال الزجاج ؛
(6) اختر معامل المتابعة بشكل صحيح ، يجب أن يملأ القطر المستهدف مجال الرؤية ؛
(7) إذا تعرض مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء فجأة إلى اختلاف في درجة الحرارة المحيطة بمقدار 20 درجة أو أعلى ، فستكون بيانات القياس غير دقيقة ، وسيتم أخذ قيمة درجة الحرارة المقاسة بعد موازنة درجة الحرارة. .
سبع خطط تحسين:
نظرًا لأن مقياس الحرارة العادي بالأشعة تحت الحمراء يقتصر فقط على قياس درجة الحرارة الخارجية للجسم ، فمن غير المناسب قياس درجة الحرارة داخل الجسم وعند وجود عوائق ، لذلك يمكن إضافة جزء من الألياف الضوئية إلى رأس الكشف وعدسة بزاوية رؤية صغيرة يمكن تثبيتها في الواجهة الأمامية ، بحيث تمر الطاقة الإشعاعية للكائن المقاس عبر العدسة إلى داخل الألياف الضوئية. بعد انعكاسات متعددة في الألياف الضوئية ، يتم نقلها إلى الكاشف. نظرًا لإمكانية ثني الألياف الضوئية بحرية ، يمكن تدوير الإشعاع بحرية ، مما يحل مشكلة قياس درجة الحرارة الداخلية للجسم ، ويمكنه قياس درجة حرارة الأماكن مثل الزوايا التي تسدها العوائق.
