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红外线热电偶原理

引言

Rt/c红外线热电偶 – 革命性的温度传感新技术

IRt/c产品系列是温度传感技术的重大 突破。IRt/c传感器不含电源、成本低、 且无需触碰材料即可测量材料的表面 温度。这些产品可直接安装在传统热 电偶控制器、PLC、变送器和其他读 数设备上

如何测量温度?

所有IRt/c产品均含有专有红外线检测 系统,由其接收来自传感器所指向物 体辐射的热量,并将热量被动地转化 为电势。之后,产生标定为预期热电 偶特性的毫伏信号。

所有IRt/c均为自供电设备,并仅依赖 传入的红外线辐射通过热电效应产生 信号,因此,信号将遵循热辐射物理 的规律并受过程中固有的非线性影响。

然而,IRt/c输出在一定的温度范围内 足以达到线性要求,可生成直接用于 传统t/c信号互换的信号。例如,指定 t/c线性2%匹配会产生一个温度范围, 在这个范围内IRt/c会生成处于传统t/c 操作2%范围的信号。指定5%匹配生 成的温度范围更广。

每个IRt/c机型都经过特别设计,可在最 适合传统t/c设备的线性区域内发挥最佳 性能,不过也可在区域外使用,只需恰 当校准读数设备。输出信号在整个额定 温度范围内平稳持续,且可在整个范围 内保持1%的可重复性。

“温度选用指南”(第81页)汇总了每 个IRt/c机型的线性范围性能。用户选择 IRt/c机型和类型以及适合应用的目标温 度范围。热电偶读数设备上的正常偏差 调整可用于校准安装,以避免发射率和 背景效应。

新设备的可靠性如何?

温度控制中最根本的因素是测量设备在 工作条件下长期保持校准的能力。IRt/c 的额定可重复性为(读数的)1%,且 没有可测量的长期校准变化,因此非常 适合用于可靠的温度控制。这些特性是 每个IRt/c设备的基本设计和结构内在的 特性。

可重复性是指测量设备在相同条件下再 现校准的能力。IRt/c系统坚实、密闭、 且完全密封,在工作中不会出现机械或 冶金方面的变化。系统中没有生成信号 的有源电子器件和 电源,热电偶信号的 生成完全依赖热电效应。1%等级是基于 测试条件下证实更小容差的实际困难而 提出的守恒值,不是设备的实际限制。

影响可重复性的因素同样也影响长期精 度:机械变化和冶金变化。众所周知,随着时间的推移,热电偶会因为这些效 应改变校准。出现机械变化的原因在 于:为了缩短响应时间,传统热电偶的 构成通常小而轻便,但容易出现热电偶 的属性的改变。更为重要的是,由于只测量自身温度,传统热电偶必须在高温 下使用

影响热电属性的冶金变化是温度的重要 功能,这种变化在室温下可以忽略,而 在高温下必须引起足够重视。

IRt/c自身的设计和基本运行可解决这两 种问题。不锈钢外壳中采用完全封闭的 坚实结构设计,以及在近乎室温条件下 的运行,可从根本上解决传统热电偶常 见的漂移问题。每个IRt/c设备都在100˚C 以上的高温下进行双重退火, 可确保长期稳定性,并且经过了5次测 试才进行封装。IRt/c不仅出现故障的机 率小,还可以长 期保持校准精度。

快速安装指南

所有基于红外线的传感系统都必须针对 特定的材料表面属性进行校准(例如目标表面辐射的热量、环境热反射等)。 这种校准通过使用可靠的独立表面温 度探头测量目标表面温度来执行。使用 OMEGA OS91手持式红外线测温仪是 可摆脱这些影响的最轻松、最便捷的精 确校准方法,该测温仪采用自动发射率 补偿系统,在任何发射率下均可得出正 确读数。

推荐下列步骤:
  1. 安装IRt/c并尽可能贴近,以查看要测量的目标材料。
  2. 按照标准样式,用电线将IRt/c和控 制器、PLC变送器(包括护板)等相 连。正如传统t/c设备,红线总是处于(–)位置。
  3. 将流程调至正常工作温度,使用 OS91系列红外线测温仪测量目标材料的实际温度。
  4. 调节读数设备上的“输入偏移”、“零”、“低cal”,与OS91读数相匹配。

安装完成。

C内设自动温度调节控制器

在多种应用中,需要使用加热元件或 热空气喷射加热火炉、熔炉中的产品。 传统控制设备使用接触式热电偶测量和 控制火炉空气温度、IR加热元件温度或 空气喷射温度,以维持产品的温度和质 量;通常效果不太理想。

使用直接测量产品温度的非接触式IRt/c 替换接触式热电偶(例如测量火炉温 度),可保证产品温度恒定。由于传感 器响应时间(IRt/c响应更快)和加热产 品所需的时间(比原来的传感器慢)不 同,需要重新调整控制器的参数。安装 IRt/c并使用OS91 Infrared Scanner(见 上一页“快速安装指南”)校准控制器 读数后,启动控制器的自整定循环,查 看控制是否稳定、精确。如果控制器无 法正确自整定,请手动调整控制系数, 以实现稳定控制。产品温度改变温度的 速度可能比原来的传感器慢,因此请慢 慢增加PID系数的“D”。 ir34

IRt/c可连接长达1,000英尺 (300米)的热电偶延长线

利用热电偶屏蔽双绞线延长线,IRt/c可 安装在远离读数设备300米(1000英尺) 的位置,即使在电噪声干扰非常严重的 环境。我们执行了一个示范测试,使用 300米(1000英尺)的屏蔽双绞线延长 线圈将IRt/c连接至计算机的快速(响应 时间100毫秒)A/D转换模块,其中延长 线展开了30米(100英尺)。作为噪声 发生器,60 Hz 10,000伏的变压器和火 花发生器被设置为在延长线的15 cm (6英寸)长度范围内产生火花。

测试结果显示,在延长线、火花和变压 器的任何相对位置噪声都低于0.1˚C。 IRt/c设计非凡的噪声抑制特点使它可放 置在非常远的位置,无需使用变送器。 IRt/c外壳与信号导线实现电气隔离,并 连接至延长线的屏蔽接地。如果距离较 远,应使用屏蔽双绞线延长线,而且防 护屏应连接电气接地。

与挡片结合使用时IRt/c本质安全

“具有<1.2V、0.1A、25 mW或25 microJ 能量存储或生产特征的现场设备应被视 为简单设备(非能量存储)。这些通用 设备连入已认证安全电路时,无需进一 步认可即可在危险(分类)位置使用。” – 摘自R. Stahl, Inc. Comprehensive ir35 Product Manual On Intrinsic Safety Barrier and Repeater Relays(安全屏障 和中继器继电器综合产品手册) 非能量 存储本质安全设备示例:

  • 热电偶 • RTD • LED
  • 干簧开关触点
  • NAMUR导电接近开关
  • 非导电应变片设备和电阻

IRt/c属于热电偶,这是因为信号是通过 将辐射的热量经过塞贝克效应这一热电 偶的基本驱动力转化成电信号而来的。 和所有热电偶一样,它无需电源,并可 生成以毫伏电压、微安电流以及毫微瓦 功率衡量的信号。IRt/c电容小,不过位 于一个微法拉,能量存储以纳焦测量, 比25微焦标准低一千倍。

因此, IRt/c有资格作为简单设备,在危 险位置使用,与相应屏障连用后可作为 本质安全设备使用。

与挡片结合使用时IRt/c本质安全

IRt/c应用说明

IRt/c监测赛车性能的轮胎温度

轮胎温度对赛车至关重要有两个原因: 轮胎温度直接影响轮胎的粘附和耐磨损 特征,而且轮胎温度模式可提供悬浮设 置和性能的重要信息。例如,异常悬浮 引起的轮胎负荷过大,会导致轮胎温度 大大高于其他轮胎。

IRt/c是机载数据采集的理想测量设备, 原因在于其尺寸小、耐用性以及成本 低。它可以连接至标准热电偶读数系 统。在安装过程中,应将防护屏相应接 地,以避免来自赛车恶劣电气环境的干 扰。机械安装过程中还应注意气流模 式,尽可能减少镜头上的灰尘堆积。鉴 于其较窄的视场,我们推荐OS36-2或 OS36-5,可将其放置在更远的位置。

IRt/c相对湿度测量

IRt/c可在多种具有便利的水源和流动空 气的条件下测量实际的相对湿度,并可 得出精确可靠的读数。

对准多孔湿润表面(有充足的空气流 通)的IRt/c实际上可测量该周围区域所 谓的“湿球”温度。(更确切地讲,湿 球温度是指水膜蒸发后空气 /水交界处的 平衡温度。当空气在湿润表面流通时, 水分通过蒸发进行冷却直至达到湿球温 度,然后停止冷却,不论表面上流动了 多少空气。冷却停止时的温度便是湿球 温度。)

IRt/c直接在表面上测量空气/水交界处 的温度。水或吸收材料的质量不影响读 数,因为IRt/c可直接观察空气/水的交 界处,而杂质对湿球平衡温度的影响不 大。

最精确的方法是利用与传统热电偶差别 连接的IRt/c测量“湿球温降”的量。差 分对的安排可保证高精度,因为RH是 湿球温降的强大功能,却是干球温度的 弱功能。我们可结合数据使用标准温湿 表、图表以及软件算法,获得环境测量 的精确相对湿度。

控制WEB滚轮温度

IRt/c红外线热电偶很快成为检测和控制 Web和滚轮温度的理想传感器。精确测 量滚轮温度的小提示:

  1. 无涂层金属或铬滚轮 – 任何红外线传 感器都很难感知有光泽、无涂层的金属 滚轮的实际温度(传感器会感知到过多 的环境反射)。此问题的解决方案是: 在滚 轮未使用的一端喷上黑色的小条 纹。将IRt/c传感器指向黑色的喷纹。这 样,不论滚轮其他部位表面状况如何变 化,传感器均可准确、可靠地测量出表 面温度。

    如果滚轮一端的未利用的空间非常少, 将传感器移近一些,喷涂一个很小的 黑条纹。将传感器拉近表面时,IRt/c 的最小光斑大小为8 mm(0.3英寸) 、OS36-2的为4 mm(0.16英寸)。

  2. 无光泽的金属滚轮 – 无光泽的金属 滚轮信号稳定。最好测量表面了解可靠 性,因为通过灰尘、水分、清洁等表面 发射特性可能会变化。如有疑问,只需 喷上一个条文即可消除这些变化因子。
  3. 表面非金属滚轮 – 这些材料可在IRt/c 测量的任何时间点提供可靠的IR信号。 无需喷涂条纹。

控制真空成型和热成型过程

对于塑料成型,辐射热量结合IRt/c控制 是最佳的加热方法和控制组合。这两者 相得益彰,因为加热和测量均在表面发 生,而这也是塑料放置的位置。IRt/c读 数不受加热器反射的影响,因为6-14微 米IRt/c镜头的光谱响应可过滤掉辐射加 热器能量较短的波长。

IRt/c可安装在陶瓷加热器之间、或辐 射加热器的护罩或反射体中,以便在两 种元件中看到IRt/c。选择IRt/c标准机 型、OS36-2或OS36-5机型,具体视查 看从元件到喷涂表面所需的视场而定。 安装IRt/c时必须谨慎,确保温度低于 93˚C (200˚F)、镜头干净。OS36-2是针 对此应用的首选机型,因为它体积小, 而且内置了空气净化系统。在使用空气 净化系统的情况下,可在温度高达121˚C(250˚F)环境中使用。它的视场较窄,在 放置时余地更多,因此安装也更灵活。 要获得更窄的视场,请使用FOV为5:1的 OS36-5。

IRt/c在波峰焊接中控制印刷电路板预热

IRt/c是解决PC板预热的加热器恰当控制 问题的理想方案。这两者结合使用效果 非常理想,因为加热和控制均在表面上 发生,这也是焊接必须经过的位置。 IRt/c读数不受加热器反射的影响,因为 6-14微米IRt/c镜头的光谱响应可过滤掉 辐射加热器能量任何较短的波长。

对于这种应用,IRt/c可安装至真空成型/热成型(上文)。

感应加热控制

感应加热流程可由部件的温度控制,而 测量由IRt/c非接触式红外线热电偶进 行。在安装中应注意几个问题。

  1. 电场对IRt/c的影响:测量信号与外 壳电气隔离,IRt/c将在非常强的电场中 工作。防护屏电线应恰当连接到信号接 地。如果电场中过度加热,则考虑使用 可选的冷却护套,且水源与冷却线圈的 水源应相同
  2. 视场:首选方法是在线圈匝数之间或 从线圈末端查看部件。选择最符合要求 的IRt/c机型。
  3. 部件温度:OS36-2和OS36-5 机型均 可用来锁定1100˚C (2000˚F)的温度,而 且线性范围都达到260˚C (500˚F)。
沥青温度控制

沥青属性对温度特别敏感,而且在恰当的 温度下使用沥青非常重要,以便发挥其特 性。因此,通常需要执行温度监测,但因 为材料的磨蚀性原因常用的热电偶存在严 重的破损问题,而且必须不断更换,从而 抬高成本并导致生产中断。

IRt/c可直接解决此问题,因为无需接触 即可监测温度。可使用普通的热电偶控 制器,只需在必要时校准偏移即可。推 荐OS36-2和OS36-5机型,因为他们有 内置空气净化系统,可防止蒸汽凝结在 镜头上、确保镜头干净。OS36-2可安 装在斜槽内通过小孔查看沥青,OS36-5 由于其较窄的5:1视场可安装在较远的 位置。

经Exergen Corporation许可转载。

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