红外测温仪技术在生产过程中,在产品质量控制和检测,设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方方面发挥了巨大的作用。近些年来,尤其是非接触式红外测温仪在技术上得到迅速发展并且性能不断完善,使用范围不断扩大,具有很大的市场占有率。红外温度传感器,可对人体体温进行测温。
众所周知,在自然界中任何温度高于绝对零度的物体都会发射红外线。所发射的红外线波长随温度而变,温度越高,波长越短。红外线温度计接收并测量物体所发出红外线的波长,就能得到对应的温度。
当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断的向四周辐射电磁波,其中波段位于0.75µm~100µm的红外线在给定的温度和波长下,物体发射的辐射能有一个最大值,这种物质成为黑体,其他的布道最大值的成为灰体。事实上,自然界中并不存在黑体,只是为了获得红外线的分布规律才提出的,从而导出了普朗克黑体辐射定律。
普朗克黑体辐射定律(Planck's law, Blackbody radiation law)是用于描述在任意温度下从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。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。< DIV>
用公式可表达为: E=δε(T4-T4o)
E是辐射出射度.单位是W/m3;
δ是斯蒂芬一波尔兹曼常数,5.67x10-8W/(m2·K4);
δ是物体的辐射率:
T是物体的温度(K);
To是物体周围的环境温度(K)。
人体主要辐射波长在9~10 μm的红外线,通过对人体自身辐射红外能量的测量,便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收,因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度,便能准确地测定人体表面温度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快,1秒钟以内可测试完毕。由于它只接收人体对外发射的红外辐射,没有任何其它物理和化学因素作用于人体,所以对人体无任何害处。
2 工作原理
红外温度传感器利用热电偶原理,测量目标物与传感器或者物体与环境温度之间的差值。热电偶的原理是二种不同的导体或半导体A和B两端相接组成一个闭合回路。
如图
当二个接触端温度不同时(T>To),回路中产生热电势Eab,形成回路电流。其中T称为热端、工作端或测量端,To称为冷端、自由端或参比端。A和B称为热电极。热电势的大小由接触电势(也叫伯尔贴电势)和温差电势(也叫汤姆逊电势)决定。这种现象叫赛贝克效应,即热电效应。
热电偶回路产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。
(1) 接触电势
不同的导体由于材料不同,电子密度不同,设NA>NB 当两种导体相接触时,从A扩散到B的电子数比从B扩散到A的电子数多,在A,B接触面上形成从A到B方向的静电场ES 如图
这个电场又阻碍扩散运动,最后达到动态平衡,则此时接点处形成电势差EAB(T)或EAB(TO)。接触电势的大小与接点处温度高低和导体电子密度有关系。温度越高,接触电势越大;两种导体电子密度的比值越大,接触电势也越大。
(2) 温差电势
同一根导体两端处于T和TO不同温度,导体中会产生温差电动势。导体A两端温度分别为T和TO,温度不同,从而从高温端跑到低温端电子数比低温端跑到高温端的多,遇事在高,低温端之间形成静电场。形成温差电势EA(T,TO)如图:
温差电势与导体材料的电子密度和温度及其分布有关,且呈积分关系。若导体为均质体,其电子密度只与温度有关,与其长度和粗细无关,在同样温度下电子密度相同。温差电势的大小与中间温度分布无关,只与导体材料和两端温度有关。
热电偶原理图如下:
使用热电偶测温,应用一下两条定律;
(1) 中间温度定律
(2) 中间导体定律
热电偶温度传感器的敏感元件是热电偶。热电偶由两根不同的导体或半导体一端焊接或铰接而成,如图
焊接的一端称为热电偶的热端,与导体连接的一端称为热电偶的冷端。热端一般要插入需要测温的生产设备中,冷端置于成产设备外,如果两端所处温度不同,则测温回路中会产生热电势Eo在冷端温度To保持不变的情况下,用显示仪表测得E的书之后,便可知被测温度的大小。
3 型号 描述
(1)PTK 手持式红外温度校核器。
PTK是校核红外温度传感器的理想方式,而且并不存在各种连接问题。
(2)MTK 手持式红外温度校核器。
从一般的环境温度到350度的范围,MTK提供了快速核简单的校核方法。
(3)CS 系列
CS系列校核工具可以提供黑体源来校核红外温度传感器,同时也可以校核接触式的传感器。
CS171 温度范围:+30.0到+200.0度;分辨率0.1度;精度(和精确温度计相比)±0.1度;发射率:>0.95;工作电压:220VAC 。
CS172 温度范围:低于环境温度40度到+75度;分辨率0.1度;精度(和精确温度计相比)±0.1度;发射率:>0.95;工作电压:221VAC。
(4)RT 系列
RT161是精确的参考温度计,探头和携带盒一并提供。
RT161 温度范围:-35.00到+199.99度;分辨率0.01度;精度(和精确温度计相比)±0.02度±0.01%;探头:±0.03度±0.07%;9VDC供电。
(5)EL系列
EL21A 温度范围:0到+250度;光学镜头:2:1;发射率:0.95;输出:4-20mA 。
EL21AWJ 温度范围:0到+250度;光学镜头:2:1;发射率:0.95;输出:4-20mA;水冷套和空气吹净管 。
EL101AHT 温度范围:0到500度;光学镜头:10:1;发射率:0.95;输出:4-20mA 。
EL101AWJ 温度范围:0到+250度;光学镜头:10:1;发射率:0.95;输出:4-20mA;水冷套和空气吹净管 。
EL101AHTWJ 温度范围:0到500度;光学镜头:10:1;发射率:0.95;输出:4-20mA;水冷套和空气吹净管 。
EL301A 温度范围:0到+250度;光学镜头:30:1;发射率:0.95;输出:4-20mA 。
EL301AHT 温度范围:0到500度;光学镜头:30:1;发射率:0.95;输出:4-20mA 。
EL301AWJ 温度范围:0到+250度;光学镜头:30:1;发射率:0.95;输出:4-20mA;水冷套和空气吹净管 。
(6)MLE系列
MLE21A是一个2:1光学镜头的微型红外温度传感器,在0-250度的范围内,单独的电路板可以提供4-20mA的输出。MLE101A和MLE21A有点类似,但光学镜头有10:1和30:1的。这些型号也有0-500度可供定购。
(7)IL系列
IL系列是两线制红外温度传感器,光学镜头是10:1,在-20度到500度范围内提供4-20mA输出。IL301类似于IL101,但光学镜头是30:1。所有型号得到发射率、范围、均值/峰值/谷值保持都可以调整。
(8)C PYROPEN系列
该系列是笔式的手持非接触红外温度传感器,专门用于手持式应用场合,光学镜头8;1,反应频段为8到14μm,LCD显示,温度范围-20度到+500度。最小读数0.1度,有最大,最小,平均和当前值等功能。
(9)C PYROPEN系列
该系列是笔式的手持非接触红外温度传感器,专门用于手持式应用场合,光学镜头8;1,反应频段为8到14μm,LCD显示,温度范围-20度到+500度。最小读数0.1度,有最大,最小,平均和当前值等功能。
4 红外测温仪的性能
由于红外温度传感器实现了无接触测温、远距离测量高温等功能,进而将大部分操作人员从较恶劣的环境中解放出来了,原来必须要穿防高温工作服才能工作的操作工人,现在不用再穿上那些不方便的工作装,而且可以在一个更加原来安全、舒适的环境中工作。
影响测温的几个因素:材料辐射率,距离系数。
测量目标大小与测温距离的关系如图示:
现在专门讲一下人体红外测温仪:
用于测试人体温度的红外测温仪称为人体红外测温仪。但是必须澄清一点,不存在专门的医用或者工业用的红外测温仪之分,因为红外测温仪的制造原理都是一致的。只存在高精度,高距离系数比,高性能的红外测温仪和低精度,低距离系数比和低性能的红外测温仪之分。只要将红外测温仪的发射率设置在0.95(人的皮肤发射率一般都是这个值,就算有差异,影响也只在0.3度之内),就是符合人体测温的要求。
红外测温仪测人体温度的优点
① 非接触性,在测量人体温度时不用接触到对方,免除传染危险,保障安全。
② 快速测温,准确读数,适用于快速排查大量人群。
③ 测量体温时不用进入对方耳道,不须耳套更换,干净卫生。
④ 激光定位,准确测量目标部位的温度,可测额头、腋下、体表等各处体温。
⑤ 可设定温度限制,超过限制温度时发出声音警报,准确排查人群中体温异常者。
⑥ 红外测温,对人体毫无伤害性。
红外测温仪不能测量人的体温,只能测量人体表的温度,应该说人体表的温度是有个体差异的,而且同一个人在不同状态下体表的温度也是有差别的,比如:运动过后体表温度明显增高,用冷水洗过脸后脸部温度明显下降等等。但目前对于大客流的场合,还没有一款即经济又实用的仪器能够快速测量人的体温的,所以国内在机场、客运站点、学校、企业单位等还是使用了红外测温仪对人群进行粗略筛查,发现异常的,再用耳温枪或其他体温计个别进行检查确认是否发热;这个也是比较有效的方法。
【参考文献】
[1] 传感器原理与应用 北京师范大学出版集团 第七章 热电式传感器与应用。
[2] 雷泰中国红外测温仪网(http://www.raytek.net.cn)。
[3] 百度搜索。