红外测温技术的应用及介绍

《红外测温技术的应用及介绍》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

红外测温技术的应用及介绍       目前，红外测温技术的应用越来越广泛，尤其在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面发挥了重要作用。近二十年来,非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展,性能不断提高,适用范围也不断扩大,市场占有率逐年增长。比起接触式测温方法,红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。一、外测温仪工作原理       了解组外测温仪的工作原理、技术指标、环境工作条件及操作和中频电炉维修等是为了帮助用户正确地选择和使用红外测温仪。       一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性一辐射能量的大小及其按波长的分布一与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定它的表面温度,这就是红外辐射测温所依据的客观基础。       黑体辐射定律:       黑体是一种理想化的辐射体,它吸收所有波长的辐射能量,没有能量的反射和透过,其表面的发射率为1。应该指出,自然界中并不存在真正的黑体,但是为了弄清和获得红外辐射分布规律,在理论研究中必须选择合适的模型,这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。       物体发射率对辐射测温的影响：       自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率,就知道了任何物体的红外辐射特性。       影响发射率的主要因素在：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量,然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例:双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。       红外系统:红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量,视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路,并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。       选择红外测温仪可分为三个方面：性能指标方面,如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、响应时间等;环境和工作条件方面,如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等;其他选择方面,如使用方便、维修和校准性能以及价格等,也对测温仪的选择产生一定的影响。随着技术和不断发展,红外测温仪最佳设计和新进展为用户提供了各种功能和多用途的仪器,扩大了选择余地。       确定测温范围:测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。如宁波神光电炉产品覆盖范围为-50℃-+3000℃,但这不能由一种型号的红外测温仪来完成。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。因此,用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全,既不要过窄,也不要过宽。根据黑体辐射定律,在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化,因此,测温时应尽量选用短波较好。        确定目标尺寸：红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪(辐射比色测温仪)。对于单色测温仪,在进行测温时,被测目标面积应充满测温仪视场。建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场,背景辐射能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数,造成误差。相反,如果目标大于测温仪的视场,测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。       对于神光电炉双色测温仪,其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小,没有充满现场,测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时,都不会对测量结果产生影响。甚至在能量衰减了95%的情况下,仍能保证要求的测温精度。对于目标细小,又处于运动或振动之中的目标;有时在视场内运动,或可能部分移出视场的目标,在此条件下,使用双色测温仪是最佳选择。如果测温仪和目标之间不可能直接瞄准,测量通道弯曲、狭小、受阻等情况下,双色光纤测温仪是最佳选择。这是由于其直径小,有柔性,可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量,因此可以测量难以接近、条件恶劣或靠近电磁场的目标。       确定光学分辨率(距离及灵敏)       光学分辨率由D与S之比确定,是测温仪到目标之间的距离D与测量光斑直径S之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处,而又要测量小的目标,就应选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高,即增大D:S比值,测温仪的成本也越高。       确定波长范围：目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱响应或波长。对于高反射率合金材料,有低的或变化的发射率。在高温区,测量金属材料的最佳波长是近红外,可选用0.18-1.0μm波长。其他温区可选用1.6μm、2.2μm和3.9μm波长。由于有些材料在一定波长是透明的,红外能量会穿透这些材料,对这种材料应选择特殊的波长。如测量玻璃内部温度选用10μm、2.2μm和3.9μm(被测玻璃要很厚,否则会透过)波长;测量玻璃内部温度选用5.0μm波长;测低区区选用8-14μm波长为宜;再如测量聚乙烯塑料薄膜选用3.43μm波长,聚醋类选用4.3μm或7.9μm波长。厚度超过0.4mm选用8-14μm波长;又如测火焰中的C02用窄带4.24-4.3μm波长,测火焰中的C0用窄带4.64μm波长,测量火焰中的N02用4.47μm波长。       确定响应时间:响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度,定义为到达最后读数的95%能量所需要时间,它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。bytek(雷泰)新型红外测温仪响应时间可达1ms。这要比接触式测温方法,快得多。如果目标的运动速度很快或测量快速加热的目标时,要选用快速响应红外测温仪,否则达不到足够的信号响应,会降低测量精度。然而,并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪。对于静止的或目标热过程存在热惯性时,测温仪的响应时间就可以放宽要求了。因此,红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。        信号处理功能：测量离散过程(如零件生产)和连续过程不同,要求红外测温仪有信号处理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)。如测温传送带上的玻璃时,就要用峰值保持,其温度的输出信号传送至控制器内。环境条件考虑：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响,应加以考虑、并适当解决,否则会影响测温精度甚至引起测温仪的损坏。当环境温度过高、存在灰尘、烟雾和蒸汽的条件下,可选用厂商提供的保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫器等附件。这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪,实现准确测温。在确定附件时应尽可能要求标准化服务,以降低安装成本。当烟雾、灰尘或其他颗粒降低测量能量信号，双色测温仪是最佳选择。在噪声、电磁场、震动或难以接近环境条件下,或其他恶劣条件下,光纤双色测温仪是最佳选择。在密封的或危险的材料应用中(如容器或真空箱),测温仪通过窗口进行观测。材料必须有足够的强度并能通过所用测温仪的工作波长范围。还要确定操作工是否也需要通过窗口进行观察,因此要选择合适的安装位置和窗口材料,避免相互影响。在低温测量应用中,通常用Ge或Si材料作为窗口,不透可见光,人眼不能通过窗口观察目标。如操作员需要通过窗口目标,应采用既透红外辐射又透过可见光的光学材料,如应采用既透红外辐射又透过可见光的光学材料,如ZnSe或BaF2等作为窗口材料。       操作简单，使用方便：红外测温仪应该是直观的,操作简单,易于被操作人员使用,其中便携式红外测温仪是一种集测温和显示输出为一体的小型、轻便、由人携带进行测温的仪器,在显示面板上可显示温度和输出各种温度信息,有的可通过遥控或通过计算机软件程序操作。在环境条件恶劣复杂的情况下,可以选择测温头和显示器分开的系统,以便于安装和配置。可选择与现行控制设备相匹配的信号输出形式。红外辐射测温仪的标定：红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。如果所用的测温仪在使用中出现测温超差,则需退回厂家或维修中心重新标定。蓄热式均热处理炉的工作原理       蓄热式燃烧换热技术，准确地应称为蓄热式换热燃烧技术。这项技术是一项古老的换热方式，早在十九世纪中期就在平炉和高炉上采用延续至今。轧钢系统的初轧钢锭加热炉以蓄热式均热炉最为节能，并且采用的就是低热值的高炉煤气为燃料。终因其蓄热室占用宁波神光电炉车间面积大，换向时间长，操作复杂，逐渐被中心换热均热炉和上部单侧烧嘴均热炉所取代。此后，蓄热式换热技术远离了轧钢系统的加热炉。蓄热式换热技术，属不稳态传热，利用耐火材料作载体，交替地被废气热量加热。再将蓄热体蓄存的热量加热空气或煤气，使空气和煤气获得高温预热，达到废热回收的效能。由于蓄热体是周期性地加热、放热，神光电炉为了保证炉膛加热的连续性，蓄热体必须成对设置。同时，要有换向装置完成蓄热体交替加热、放热。到了二十世纪八十年代，宁波神光电炉解决了蓄热体的小型化和换向时间缩短到以分秒计，才使这项古老的换热技术得以在轧钢系统的连续式加热炉（含步进式加热炉）上重现废热回收的优势，即将空、煤气双预热到1000℃左右，排出废气温度在150℃以下，使废热回收率达到极限值。并且，出现研究高温空气燃烧理论与实践的新领域。锻造加热与热处理加热裂纹的正确鉴别       锻造裂纹一般在高温时形成，锻造变形时由于裂纹扩大并接触空气，故在100X或500X的显微镜下观察，可见到裂纹内充有氧化皮，且两侧是脱碳的，组织为铁素体，其形态特征是裂纹比较粗壮且一般经多条形式存在，无明细尖端，比较圆纯，无明细的方向性，除以上典型形态外，有时会出现有些锻造裂纹比较细。裂纹周围不是全脱碳而是半脱碳。       淬火加热过程中产生的裂纹与锻造加热过程形成的裂纹在性质和形态上有明显的差别。对结构钢而言，热处理温度一般较锻造温度要低得多，即使是高速钢、高合金钢其加热保温时间则远远小于锻造温度。由于热处理设备加热温度偏高，保温时间过长或快速加热，均会在加热过程中产生早期开裂。产生沿着较粗大晶粒边界分布的裂纹；裂纹两侧略有脱碳组织，零件加热速度过快，也会产生早期开裂，这种裂纹两侧无明显脱碳，但裂纹内及其尾部充有氧化皮。有时因高温仪器失灵，温度非常高，致使零件的组织极粗大，其裂纹沿粗大晶粒边界分布。结构钢常见的缺陷：1、锻造缺陷（1）折叠：冲孔、切料、刀板磨损、锻造粗糙等原因造成了表面缺陷，在后续锻造时，将表面氧化皮等缺陷卷入锻件本体内而形成折缝。在显微镜上观察时，可发现折叠周围有明显脱碳。（2）过热、过烧： 主要特征是晶粒粗大，有明显的魏氏组织。出现过烧缺陷说明加热温度高、断口晶粒粗大，凹凸不平，无金属光泽，晶界周围有氧化脱碳现象。（3）锻造裂纹：常产生于组织粗大，应力集中处或合金元素偏析处，裂纹内部常充满氧化皮。锻造温度高，或者终端温度低，都容易产生裂纹。还有一种裂纹是锻造后喷水冷却后形成的。 2、热处理缺陷（1）过热：显微组织粗大，如果是轻度过热，可采用二次淬火来挽救。（2）淬裂：其特点是刚健挺直，呈穿晶分布，起始点较宽，尾部细长曲折。此种裂纹多产生于马氏体转变之后，故裂纹周围的显微组织与其它区域无明显区别，也无脱碳现象。 （3）软点：显微组织有块状或网状屈氏体和未溶铁素体等。加热不足，保温时间不够，冷却不均匀都会产生软点。（4）过烧：除晶粒粗大外，部分晶粒已趋于熔化，晶界极粗。利用调质热处理工艺提高零部件的使用寿命       为了解决水泥企业设备零部件实用调质热处理的难题，根据调质热处理工艺，结合企业实际情况，采用氧气-乙炔火焰对零件加温到双液淬火和高温回火的方法，进行实践研究。加温过程及温度控制工艺根据调质热处理的工艺来完成，采用氧气-乙炔火焰升温，温度通过便携式红外线温度计、火焰颜色或用色谱图对照来控制。结果表明，采用氧气-乙炔火焰来对零件加温，也可达到调质热处理的目的，此调质热处理工艺简单实用。       调质热处理工艺可以使机械零部件具有良好的综合力学性能，即在保持较高强度的同时，具有良好的可塑性和韧性。调质热处理可用于处理各种重要的结构零件，如轴、齿轮等。水泥企业的斗式提升机、链板机、双轴搅拌机和胶带输送机等设备轴损坏后，往往自行加工或修复。没有经过调质热处理的轴使用一段时间后，轴的键槽容易受扭矩而变形，使联轴器、皮带轮等零件传递扭矩时打滑，严重时会发生斗式提升机上链轮滑链等设备事故。       有些水泥企业受机械加工条件和经费等方面限制，很少将设备的零部件进行专业的调质热处理。往往采取损坏后修复、改小或报废等方式。如果企业利用现有的机械维修工作条件，对设备重要的零部件做一般调质热处理，提高零部件的综合力学性能，可以延长其使用寿命，降低设备运行成本。在实际运用中，我们以45号钢的轴为例总结了一些实践经验供读者参考：       1.双液淬火：将精加工好的轴的键槽台阶用气割炬即氧气-乙炔火焰来加热到淬火温度820°C~840°C,然后保持大约10分钟，接着放入10%食盐水溶液冷却7~8秒，最后在空气中冷却到常温。       2.高温回火：经过双液淬火后冷却到常温的轴的键槽台阶再用氧气-乙炔火焰加热到高温回火温度500°C~540°C,保持10分钟，最后在空气中冷却到常温。       采用这种工艺方案加热温度可用便携式红外线温度计控制，也可用火焰颜色来控制，或用色谱图来对照。       其他轴台阶根据需要也可参考此方法进行调质热处理，为消除轴热应力，常采用敲击法。不同材料的设备零部件需要调质热处理时，它的淬火温度和回火温度可根据有关资料来确定。此调质热处理工艺简单、实用，技术含量低，容易操作。关于热处理质量前提的讨论        在生产实践过程中，有很多因素都会造成热处理工艺质量的下降，那么材料质量是否会影响热处理质量的下降呢？我认为这其中是有影响的，各个企业对原材料的质量要进行严格控制，因为总体来说，中国钢厂的冶炼质量还不是很高，而且近年来，许多小钢厂雨后春笋地发展起来，虽然也通过各种质量系统审核，但实际是质量却很差，许多企业，甚至一些大中型企业为追求低价格，也向这些小钢厂采购,这就造成了许多企业热处理出现异常情况，如：用多年的成熟工艺在某一批次材料处理时出现大批不合格的情况，而同时处理的其他炉号或其他钢厂的材料生产的同样产品却合格，这不仅给我们热处理技术人员造成很大困绕，而且企业也要蒙受损失，所以我认为应该加强入厂检验，除常规的低倍，成份检验，还要取样进行热处理试验，以最终热处理确定参数.如果发现不合格应及时退回。       此外，本人还要指出，中国钢材标准都是钢厂起草制订的，为便于钢厂控制，许多质量要求均很松。根本不能满足大多数最终用户的要求，实际在签定材料采购协议时，许多项目均要格外加严，一些钢企趁机加价；如果不格外要求加严，钢企就按国标干，就成份变化这一点就够我们这些企业热处理人员受的。相比而言，西方技术发达国家的材料相比要稳定的多，我们有一家客户，多年从国外进口某一关键锻件，经过多年材料检验数据分析，材料成份变化非常窄，均在标准的中间范围，而该产品进行国产化后，材料从国内钢企采购，质量却极不稳定，进行成份分析，材料在标准范围内，但充分利用了标准的上下限。