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紅外線熱電偶原理
引言
Rt/c紅外線熱電偶 – 革命性的溫度傳感新技術(shù)
IRt/c產(chǎn)品系列是溫度傳感技術(shù)的重大 突破。IRt/c傳感器不含電源、成本低、 且無需觸碰材料即可測量材料的表面 溫度。這些產(chǎn)品可直接安裝在傳統(tǒng)熱 電偶控制器、PLC、變送器和其他讀 數(shù)設(shè)備上
如何測量溫度？
所有IRt/c產(chǎn)品均含有專有紅外線檢測 系統(tǒng)，由其接收來自傳感器所指向物 體輻射的熱量，并將熱量被動地轉(zhuǎn)化 為電勢。之后，產(chǎn)生標(biāo)定為預(yù)期熱電 偶特性的毫伏信號。
所有IRt/c均為自供電設(shè)備，并僅依賴 傳入的紅外線輻射通過熱電效應(yīng)產(chǎn)生 信號，因此，信號將遵循熱輻射物理 的規(guī)律并受過程中固有的非線性影響。
然而，IRt/c輸出在一定的溫度范圍內(nèi) 足以達(dá)到線性要求，可生成直接用于 傳統(tǒng)t/c信號互換的信號。例如，指dingt/c線性2%匹配會產(chǎn)生一個溫度范圍， 在這個范圍內(nèi)IRt/c會生成處于傳統(tǒng)t/c 操作2%范圍的信號。指ding5%匹配生 成的溫度范圍更廣。
每個IRt/c機型都經(jīng)過特別設(shè)計，可在shi合傳統(tǒng)t/c設(shè)備的線性區(qū)域內(nèi)發(fā)揮jia性能，不過也可在區(qū)域外使用，只需恰 當(dāng)校準(zhǔn)讀數(shù)設(shè)備。輸出信號在整個額定 溫度范圍內(nèi)平穩(wěn)持續(xù)，且可在整個范圍 內(nèi)保持1%的可重復(fù)性。
“溫度選用指南”（第81頁）匯總了每 個IRt/c機型的線性范圍性能。用戶選擇 IRt/c機型和類型以及適合應(yīng)用的目標(biāo)溫 度范圍。熱電偶讀數(shù)設(shè)備上的正常偏差 調(diào)整可用于校準(zhǔn)安裝，以避免發(fā)射率和 背景效應(yīng)。
新設(shè)備的可靠性如何？
溫度控制中根本的因素是測量設(shè)備在 工作條件下長期保持校準(zhǔn)的能力。IRt/c 的額定可重復(fù)性為（讀數(shù)的）1%，且 沒有可測量的長期校準(zhǔn)變化，因此非常 適合用于可靠的溫度控制。這些特性是 每個IRt/c設(shè)備的基本設(shè)計和結(jié)構(gòu)內(nèi)在的 特性。
可重復(fù)性是指測量設(shè)備在相同條件下再 現(xiàn)校準(zhǔn)的能力。IRt/c系統(tǒng)堅實、密閉、 且*密封，在工作中不會出現(xiàn)機械或 冶金方面的變化。系統(tǒng)中沒有生成信號 的有源電子器件和 電源，熱電偶信號的 生成*依賴熱電效應(yīng)。1%等級是基于 測試條件下證實更小容差的實際困難而 提出的守恒值，不是設(shè)備的實際限制。
影響可重復(fù)性的因素同樣也影響長期精度：機械變化和冶金變化。*，隨著時間的推移，熱電偶會因為這些效 應(yīng)改變校準(zhǔn)。出現(xiàn)機械變化的原因在 于：為了縮短響應(yīng)時間，傳統(tǒng)熱電偶的 構(gòu)成通常小而輕便，但容易出現(xiàn)熱電偶 的屬性的改變。更為重要的是，由于只測量自身溫度，傳統(tǒng)熱電偶必須在高溫 下使用。
影響熱電屬性的冶金變化是溫度的重要 功能，這種變化在室溫下可以忽略，而 在高溫下必須引起足夠重視。
IRt/c自身的設(shè)計和基本運行可解決這兩 種問題。不銹鋼外殼中采用*封閉的 堅實結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及在近乎室溫條件下 的運行，可從根本上解決傳統(tǒng)熱電偶常 見的漂移問題。每個IRt/c設(shè)備都在100?C 以上的高溫下進(jìn)行雙重退火， 可確保長期穩(wěn)定性，并且經(jīng)過了5次測 試才進(jìn)行封裝。IRt/c不僅出現(xiàn)故障的機 率小，還可以長 期保持校準(zhǔn)精度。
快速安裝指南
所有基于紅外線的傳感系統(tǒng)都必須針對 特定的材料表面屬性進(jìn)行校準(zhǔn)（例如目標(biāo)表面輻射的熱量、環(huán)境熱反射等）。 這種校準(zhǔn)通過使用可靠的獨立表面溫 度探頭測量目標(biāo)表面溫度來執(zhí)行。使用 OMEGA OS91手持式紅外線測溫儀是 可擺脫這些影響的輕松、bian捷的精que校準(zhǔn)方法，該測溫儀采用自動發(fā)射率 補償系統(tǒng)，在任何發(fā)射率下均可得出正 確讀數(shù)。
推薦下列步驟：
安裝IRt/c并盡可能貼近，以查看要測量的目標(biāo)材料。
按照標(biāo)準(zhǔn)樣式，用電線將IRt/c和控 制器、PLC變送器（包括護板）等相 連。正如傳統(tǒng)t/c設(shè)備，紅線總是處于(–)位置。
將流程調(diào)至正常工作溫度，使用 OS91系列紅外線測溫儀測量目標(biāo)材料的實際溫度。
調(diào)節(jié)讀數(shù)設(shè)備上的“輸入偏移”、“零”、“低cal”，與OS91讀數(shù)相匹配。
安裝完成。
C內(nèi)設(shè)自動溫度調(diào)節(jié)控制器
在多種應(yīng)用中，需要使用加熱元件或 熱空氣噴射加熱火爐、熔爐中的產(chǎn)品。 傳統(tǒng)控制設(shè)備使用接觸式熱電偶測量和 控制火爐空氣溫度、IR加熱元件溫度或 空氣噴射溫度，以維持產(chǎn)品的溫度和質(zhì) 量；通常效果不太理想。
使用直接測量產(chǎn)品溫度的非接觸式IRt/c 替換接觸式熱電偶（例如測量火爐溫 度），可保證產(chǎn)品溫度恒定。由于傳感 器響應(yīng)時間（IRt/c響應(yīng)更快）和加熱產(chǎn) 品所需的時間（比原來的傳感器慢）不 同，需要重新調(diào)整控制器的參數(shù)。安裝 IRt/c并使用OS91 Infrared Scanner（見 上一頁“快速安裝指南”）校準(zhǔn)控制器 讀數(shù)后，啟動控制器的自整定循環(huán)，查 看控制是否穩(wěn)定、精que。如果控制器無 法正確自整定，請手動調(diào)整控制系數(shù)， 以實現(xiàn)穩(wěn)定控制。產(chǎn)品溫度改變溫度的 速度可能比原來的傳感器慢，因此請慢 慢增加PID系數(shù)的“D”。 ir34
IRt/c可連接長達(dá)1,000英尺 （300米）的熱電偶延長線
利用熱電偶屏蔽雙絞線延長線，IRt/c可 安裝在遠(yuǎn)離讀數(shù)設(shè)備300米（1000英尺） 的位置，即使在電噪聲干擾非常嚴(yán)重的 環(huán)境。我們執(zhí)行了一個示范測試，使用 300米（1000英尺）的屏蔽雙絞線延長 線圈將IRt/c連接至計算機的快速（響應(yīng) 時間100毫秒）A/D轉(zhuǎn)換模塊，其中延長 線展開了30米（100英尺）。作為噪聲 發(fā)生器，60 Hz 10,000伏的變壓器和火 花發(fā)生器被設(shè)置為在延長線的15 cm （6英寸）長度范圍內(nèi)產(chǎn)生火花。
測試結(jié)果顯示，在延長線、火花和變壓 器的任何相對位置噪聲都低于0.1?C。 IRt/c設(shè)計非凡的噪聲抑制特點使它可放 置在非常遠(yuǎn)的位置，無需使用變送器。 IRt/c外殼與信號導(dǎo)線實現(xiàn)電氣隔離，并 連接至延長線的屏蔽接地。如果距離較 遠(yuǎn)，應(yīng)使用屏蔽雙絞線延長線，而且防 護屏應(yīng)連接電氣接地。
與擋片結(jié)合使用時IRt/c本質(zhì)安全
“具有<1.2V、0.1A、25 mW或25 microJ 能量存儲或生產(chǎn)特征的現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)被視 為簡單設(shè)備（非能量存儲）。這些通用 設(shè)備連入已認(rèn)證安全電路時，無需進(jìn)一 步認(rèn)可即可在危險（分類）位置使用。” – 摘自R. Stahl, Inc. Comprehensive ir35 Product Manual On Intrinsic Safety Barrier and Repeater Relays（安全屏障 和中繼器繼電器綜合產(chǎn)品手冊） 非能量 存儲本質(zhì)安全設(shè)備示例：
熱電偶 • RTD • LED
干簧開關(guān)觸點
NAMUR導(dǎo)電接近開關(guān)
非導(dǎo)電應(yīng)變片設(shè)備和電阻
IRt/c屬于熱電偶，這是因為信號是通過 將輻射的熱量經(jīng)過塞貝克效應(yīng)這一熱電 偶的基本驅(qū)動力轉(zhuǎn)化成電信號而來的。 和所有熱電偶一樣，它無需電源，并可 生成以毫伏電壓、微安電流以及毫微瓦 功率衡量的信號。IRt/c電容小，不過位 于一個微法拉，能量存儲以納焦測量， 比25微焦標(biāo)準(zhǔn)低一千倍。
因此， IRt/c有資格作為簡單設(shè)備，在危 險位置使用，與相應(yīng)屏障連用后可作為 本質(zhì)安全設(shè)備使用。
與擋片結(jié)合使用時IRt/c本質(zhì)安全
IRt/c應(yīng)用說明
IRt/c監(jiān)測賽車性能的輪胎溫度
輪胎溫度對賽車至關(guān)重要有兩個原因： 輪胎溫度直接影響輪胎的粘附和耐磨損 特征，而且輪胎溫度模式可提供懸浮設(shè) 置和性能的重要信息。例如，異常懸浮 引起的輪胎負(fù)荷過大，會導(dǎo)致輪胎溫度 大大高于其他輪胎。
IRt/c是機載數(shù)據(jù)采集的理想測量設(shè)備， 原因在于其尺寸小、耐用性以及成本 低。它可以連接至標(biāo)準(zhǔn)熱電偶讀數(shù)系 統(tǒng)。在安裝過程中，應(yīng)將防護屏相應(yīng)接 地，以避免來自賽車惡劣電氣環(huán)境的干 擾。機械安裝過程中還應(yīng)注意氣流模 式，盡可能減少鏡頭上的灰塵堆積。鑒 于其較窄的視場，我們推薦OS36-2或 OS36-5，可將其放置在更遠(yuǎn)的位置。
IRt/c相對濕度測量
IRt/c可在多種具有便利的水源和流動空 氣的條件下測量實際的相對濕度，并可 得出精que可靠的讀數(shù)。
對準(zhǔn)多孔濕潤表面（有充足的空氣流 通）的IRt/c實際上可測量該周圍區(qū)域所 謂的“濕球”溫度。（更確切地講，濕 球溫度是指水膜蒸發(fā)后空氣 /水交界處的 平衡溫度。當(dāng)空氣在濕潤表面流通時， 水分通過蒸發(fā)進(jìn)行冷卻直至達(dá)到濕球溫 度，然后停止冷卻，不論表面上流動了 多少空氣。冷卻停止時的溫度便是濕球 溫度。）
IRt/c直接在表面上測量空氣/水交界處 的溫度。水或吸收材料的質(zhì)量不影響讀 數(shù)，因為IRt/c可直接觀察空氣/水的交 界處，而雜質(zhì)對濕球平衡溫度的影響不 大。
que確的方法是利用與傳統(tǒng)熱電偶差別 連接的IRt/c測量“濕球溫降”的量。差 分對的安排可保證高精度，因為RH是 濕球溫降的強大功能，卻是干球溫度的 弱功能。我們可結(jié)合數(shù)據(jù)使用標(biāo)準(zhǔn)溫濕 表、圖表以及軟件算法，獲得環(huán)境測量 的精que相對濕度。
控制WEB滾輪溫度
IRt/c紅外線熱電偶很快成為檢測和控制 Web和滾輪溫度的理想傳感器。精que測 量滾輪溫度的小提示：
無涂層金屬或鉻滾輪 – 任何紅外線傳 感器都很難感知有光澤、無涂層的金屬 滾輪的實際溫度（傳感器會感知到過多 的環(huán)境反射）。此問題的解決方案是： 在滾 輪未使用的一端噴上黑色的小條 紋。將IRt/c傳感器指向黑色的噴紋。這 樣，不論滾輪其他部位表面狀況如何變 化，傳感器均可準(zhǔn)確、可靠地測量出表 面溫度。
如果滾輪一端的未利用的空間非常少， 將傳感器移近一些，噴涂一個很小的 黑條紋。將傳感器拉近表面時，IRt/c 的小光斑大小為8 mm（0.3英寸） 、OS36-2的為4 mm（0.16英寸）。
無光澤的金屬滾輪 – 無光澤的金屬 滾輪信號穩(wěn)定。hao測量表面了解可靠 性，因為通過灰塵、水分、清潔等表面 發(fā)射特性可能會變化。如有疑問，只需 噴上一個條文即可消除這些變化因子。
表面非金屬滾輪 – 這些材料可在IRt/c 測量的任何時間點提供可靠的IR信號。 無需噴涂條紋。
控制真空成型和熱成型過程
對于塑料成型，輻射熱量結(jié)合IRt/c控制 是jia的加熱方法和控制組合。這兩者 相得益彰，因為加熱和測量均在表面發(fā) 生，而這也是塑料放置的位置。IRt/c讀 數(shù)不受加熱器反射的影響，因為6-14微 米IRt/c鏡頭的光譜響應(yīng)可過濾掉輻射加 熱器能量較短的波長。
IRt/c可安裝在陶瓷加熱器之間、或輻 射加熱器的護罩或反射體中，以便在兩 種元件中看到IRt/c。選擇IRt/c標(biāo)準(zhǔn)機 型、OS36-2或OS36-5機型，具體視查 看從元件到噴涂表面所需的視場而定。 安裝IRt/c時必須謹(jǐn)慎，確保溫度低于 93?C (200?F)、鏡頭干凈。OS36-2是針 對此應(yīng)用的首xuna機型，因為它體積小， 而且內(nèi)置了空氣凈化系統(tǒng)。在使用空氣 凈化系統(tǒng)的情況下，可在溫度高達(dá)121?C(250?F)環(huán)境中使用。它的視場較窄，在 放置時余地更多，因此安裝也更靈活。 要獲得更窄的視場，請使用FOV為5:1的 OS36-5。
IRt/c在波峰焊接中控制印刷電路板預(yù)熱
IRt/c是解決PC板預(yù)熱的加熱器恰當(dāng)控制 問題的理想方案。這兩者結(jié)合使用效果 非常理想，因為加熱和控制均在表面上 發(fā)生，這也是焊接必須經(jīng)過的位置。 IRt/c讀數(shù)不受加熱器反射的影響，因為 6-14微米IRt/c鏡頭的光譜響應(yīng)可過濾掉 輻射加熱器能量任何較短的波長。
對于這種應(yīng)用，IRt/c可安裝至真空成型/熱成型（上文）。
感應(yīng)加熱控制
感應(yīng)加熱流程可由部件的溫度控制，而 測量由IRt/c非接觸式紅外線熱電偶進(jìn) 行。在安裝中應(yīng)注意幾個問題。
電場對IRt/c的影響：測量信號與外 殼電氣隔離，IRt/c將在非常強的電場中 工作。防護屏電線應(yīng)恰當(dāng)連接到信號接 地。如果電場中過度加熱，則考慮使用 可選的冷卻護套，且水源與冷卻線圈的 水源應(yīng)相同
視場：首xuan方法是在線圈匝數(shù)之間或 從線圈末端查看部件。選擇fu合要求 的IRt/c機型。
部件溫度：OS36-2和OS36-5 機型均 可用來鎖定1100?C (2000?F)的溫度，而 且線性范圍都達(dá)到260?C (500?F)。
瀝青溫度控制
瀝青屬性對溫度特別敏感，而且在恰當(dāng)?shù)?溫度下使用瀝青非常重要，以便發(fā)揮其特 性。因此，通常需要執(zhí)行溫度監(jiān)測，但因 為材料的磨蝕性原因常用的熱電偶存在嚴(yán) 重的破損問題，而且必須不斷更換，從而 抬高成本并導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。
IRt/c可直接解決此問題，因為無需接觸 即可監(jiān)測溫度?？墒褂闷胀ǖ臒犭娕伎?制器，只需在必要時校準(zhǔn)偏移即可。推 薦OS36-2和OS36-5機型，因為他們有 內(nèi)置空氣凈化系統(tǒng)，可防止蒸汽凝結(jié)在 鏡頭上、確保鏡頭干凈。OS36-2可安 裝在斜槽內(nèi)通過小孔查看瀝青，OS36-5 由于其較窄的5:1視場可安裝在較遠(yuǎn)的 位置。