长波红外测温仪或红外热像仪到底可以测量到多高的温度?

1、相关简述:

不论是销售红外测温仪还是销售红外热像仪,同样不论是销售便携式的还是固定式红外测温产品,我们可以总结出如下的现象:

长波红外测温仪的最高温度、精度、重复性

所有品牌的最高温度都≦1000°C !

精度:±1%,最好的在±0.6%

重复性:±0.5%,最好的在±0.3%

非制冷长波红外热像仪的最高温度、精度

欧洲的品牌,最高温度≦1200°C !

美国的品牌,最高温度可达2000°C !

中国的品牌,最高温度可达2000°C !

精度:全球都是±2%

说明:制冷型红外热像仪因为有制冷,所以温度范围和测温精度比非制冷红外热像仪的温度范围及精度要高,这些问题此文不另外讨论,请参见相关文章。后面,本文所指的红外热像仪都是指非制冷型红外热像仪。

从上所述,就可以看出有如下的问题:

为什么红外测温仪最高只能测量1000°C,而红外热像仪却能测量到1200°C,甚至2000°C?

红外测温仪测温的误差到底有多少°C呢?红外热像仪测温的误差到底有多少°C呢?

在实际应用中,到底怎么选择红外测温仪和红外热像仪?

2、相关的红外测温原理

很多人都看过和学过红外测温原理,但说实在的,真正理解红外测温原理的并不是很多,在实际红外测温设备选型时,能不自觉地应用红外测温原理的更不多。

先来看二张图:

长波红外测温仪或红外热像仪到底可以测量到多高的温度?

长波红外测温仪或红外热像仪到底可以测量到多高的温度?

这张图取自德国标准《VDI/VDE 3511 Blatt 4》,在Bernhard Frank:《Handbuch der-technischen Temperaturmessung》, Springer Verlag 2014 (《技术测温手册》https://www.springer.com/cn/book/9783642245053)中也可以找到。也就是每个点的值是按公式计算出来的。

说明:这张图是发射率变化1%时导致的红外测温设备的绝对误差。

下面做一些简单计算:

温度在1000°C时,发射率变化1%或10%:

用8-14μm红外测温仪或红外热像仪,测量温度的绝对误差是8°C(参见图片中最上面的那条曲线)。如果发射率变化10%呢?那么测温的绝对误差 = 10%发射率变化要乘以10 x 8°C = 80°C。

用1μm(0.78-1.06μm)红外测温仪或红外热像仪,测量温度的绝对误差是1.5°C(参见图片中红色曲线)。如果发射率变化10%呢?那么测温的绝对误差 = 10%发射率变化要乘以10 x 1.5°C = 12°C。

温度在1500°C时,发射率变化1%或10%:

再比如在温度1500°C时,发射率变化1%,用8-14μm红外测温仪或红外热像仪,测量温度的绝对误差是12°C(参见图片中最上面的那条曲线)。如果发射率变化10%呢?那么测温的绝对误差 = 10%发射率变化要乘以10 x 12°C = 120°C。

用1μm红外测温仪或红外热像仪,测量温度的绝对误差是2°C(参见图片中红色曲线)。如果发射率变化10%呢?那么测温的绝对误差 = 10%发射率变化要乘以10 x 2°C = 20°C。

长波红外测温仪或红外热像仪到底可以测量到多高的温度?

长波红外测温仪或红外热像仪到底可以测量到多高的温度?

这张图是国内红外测温原理PPT上常见的一张图。也就是在发射率变化10%时,温度测量的误差百分比。

比如在1000°C,使用8-14μm(参见最上面的一条黄色线)的红外测温仪或热像仪测温时,那么误差%=8%,所以:在1000°C时,误差测量的绝对误差 = 1000°C x 8% = 80°C。

同样的,我们也可以像第一张图一样算出1μm时的在1000°C的误差为12°C,在1500°C时的误差为近20°C。

也就是说,上面2个图是完全一样的;

上面2个图都说明,温度越高,红外测温设备误差越来越大;

高温时,尤其是超过1000°C时,尽量使用短波测量高温– 就是说,红外测温仪或红外热像仪使用的波长越短,其测量误差要比波长越长的要低得多。这就是为什么使用红外测温时,使用的波长越短越好!

3、短波和长波红外实际测量效果比较

这是德国DIAS红外公司做的测试,测量同一个电热塞或预热塞(Glow Plug)时做的热像仪测试,测试的红外热像仪如下:

长波红外热像仪PYROVIEW 640Lcompact+(-20~1200°C)

短波红外热像仪PYROVIEW 512Ncompact+(600~1500°C)

长波红外测温仪或红外热像仪到底可以测量到多高的温度?

长波红外测温仪或红外热像仪到底可以测量到多高的温度?

采用相同的发射率、透过率。

测量结果比较可见:

短波红外热像仪测量的最高温度是960°C,而长波红外热像仪测量的最高温度是460°C –最高温度的误差达到了500°C

右侧的长波红外热像仪的温度曲线波动很大,而左侧短波红外热像仪的温度曲线波动却很小

而我们知道,电热塞在启动之后,2~3秒钟就很快温度就升上去了:金属电热塞(850°C,运行温度约1000°C)、陶瓷电热塞(900°C,运行温度约1150°C),这一点大家可以去查一下度娘。

因此,要想非制冷长波红外热像仪测量电热塞的温度达到960°C,那么要怎么做呢?我们也知道,这必须要调整发射率!要调整透过率!但这500°C这么大误差,调发射率和透过率能调整过来吗?能调到960°C吗?

其实,这种电热塞价值比较小,如果不是去电热塞研发,只是去生产,用红外热像仪去测温,就无比奢侈了。这时最佳选择应该是红外测温仪,价格便宜且好用 –如果想测温精度高,那么选择短波红外测温仪;如果很穷,那么可以选择便携式红外测温仪。

用过红外测温仪或红外热像仪的人都知道,有很多材料,你真的知道这种材料确切的发射率吗?你设的发射率和实际发射率随随便便就超过了10%的误差,太正常了。那么在实际温度是1500°C,你用长波红外测温设备(包含红外测温仪或红外热像仪),那误差就是120°C,这叫测温吗?这不叫胡扯吗?尤其是金属、钢铁,其金相随温度变化很大,不同的金相几乎是不同的材料。钢材或金属早都变成合金了,你还以为只是钢呢!你还以为只是铜呢!

4、波长和发射率误差

我们先来看看这个摘抄来的某红外公司推荐发射率表。

典型发射率(金属)

材料

发射率

1μm

2.2μm

5μm

8-14μm

非氧化

0.1-0.2

0.02-0.2

0.02-0.2

0.02-0.1

氧化

0.4

0.2-0.4

0.2-0.4

0.2-0.4

黄铜

抛光

0.35

0.01-0.05

0.01-0.05

0.01-0.05

打磨

0.65

0.4

0.3

0.3

氧化

0.6

0.5

0.5

0.4

0.05-0.3

0.03-0.3

0.02-0.2

抛光

0.05

0.03

0.03

0.03

打毛

0.05-0.2

0.05-0.2

0.05-0.15

0.05-0.1

氧化

0.2-0.8

0.7-0.9

0.5-0.8

0.4-0.8

0.3

0.01-0.1

0.01-0.1

0.01-0.1

哈氏合金

0.5-0.9

0.6-0.9

0.3-0.8

0.3-0.8

铬镍铁合金

氧化

0.4-0.9

0.6-0.9

0.6-0.9

0.7-0.95

喷沙

0.3-0.4

0.3-0.6

0.3-0.6

0.3-0.6

电抛光

0.2-0.5

0.25

0.15

0.15

氧化

0.7-0.9

0.7-0.9

0.6-0.9

0.5-0.9

非氧化

0.35

0.1-0.3

0.05-0.25

0.05-0.2

生锈的

0.6-0.9

0.5-0.8

0.5-0.7

熔融的

0.35

0.4-0.6

铸铁

氧化

0.9

0.7-0.95

0.65-0.95

0.6-0.95

非氧化

0.35

0.3

0.25

0.2

熔融的

0.35

0.3-0.4

0.2-0.3

0.2-0.3

实际上,我们还可以列出钢材和其它金属的发射率表格。我们这里就不列出了,请参见有关发射率表。

从这个表中,能看到什么呢?

金属或钢铁行业,红外波长越小,发射率越大

对金属或钢铁来说,在同一个温度,测温的红外波长越大,发射率就越小,反之,测量的波长越小,发射率就越大。(注意,这个规律只是针对金属或钢铁来说的,不适合其它材料,其它材料有其它材料的发射率规律,比如玻璃则反之)。

发射率表提供的往往是一个发射率范围,你无法准确确认发射率的值,也就是发射率设置经常会有误差,而且有时误差还特别大

而且,最重要的一点就是:除了黑体以外,实际物体的发射率值往往在一个范围里,而不是一个固定的值,比如上图中的哈氏合金在1μm时,发射率值是0.5~0.9;同样,铁、钢材,也是如此,比如不锈钢在1μm时发射率为0.35,而在8-14μm时发射率是0.1~0.8。换言之,在这个范围里,提供的发射率表很多都是一个范围,而不是一个确定的值,在这个范围里,谁也弄不清到底具体发射率值是多少,所以你如何确切地设定发射率呢?又如何确保发射率没有误差呢?所以,发射率误差1%~10%是应用红外测温仪、红外热像仪中非常常见的、经常发生的。

5、一些结论

综上所述,我们可以获得如下一些结论:

在同一个温度,短波红外测温比长波红外测温精度要高得多;

使用者进行发射率设置,是经常有误差的,而且有时误差还特别大;

发射率设置错误,会导致长波红外测温设备误差极大,远不如短波红外测温设备的测温误差;

金属、钢铁行业以及高温材料行业,超过1000°C,如果使用长波红外设备来测温,是典型的技术误区。

工欲善其事,必先利其器。


(正文已结束)

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