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紅外測溫儀在熱連軋中的應用

熱連軋生產線所采用的紅外測溫儀的功能、結構及其特點。
濟鋼熱連軋是一條年產250萬噸的半連軋生產線，主要由：兩座步進式加熱爐，一臺帶前立輥的四輥可逆式粗軋機，一臺切頭飛剪，六機架精軋機組，一套帶鋼層流冷卻裝置，兩臺卷取機，一套鋼卷運輸系統等設備組成。為了測量鋼件的表面溫度，控制軋件質量，共在四個點設置了紅外高溫計，分別是粗軋出口、精軋入口、精軋出口、卷取機入口。

1. 基本原理：

一切溫度高于*零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量。物體的紅外輻射特性：輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。

紅外測溫亦稱紅外輻射測溫，是一種利用物體自身發射的紅外輻射測量物體溫度的技術。紅外輻射或稱紅外線是波長位于0. 76μm～1000μm 之間的電磁輻射，對于理想的黑體其單位表面積向半球空間發射的所有波長的總輻射功率(簡稱全輻射度或輻射強度) 與物體溫度的4 次方成正比：

Mb ( T) =σT4 (1)

這就是的斯蒂芬-玻爾茲曼定律。其中σ=5.6697×10-8W/m2K4 稱為斯蒂芬- 玻爾茲曼常數。

(1)式用于實際物體，需要乘以輻射率：

Mgb( T) =εσT4

可見任何物體的自發輻射強度Mgb ( T) 與物體的溫度和物體的輻射率有關。物體的輻射率ε與其材料的性質(組成成分、金屬非金屬、晶體非晶體等)、表面狀態(表面光滑粗糙、氧化程度、污染或表面涂層等)和物體的溫度直接相關。只要能夠正確選擇物體的輻射率，便可準確得出所測物體的實際溫度。

2. 組成結構：

紅外測溫儀的功能是收集目標的紅外輻射能量轉換成電信號、經過放大處理后，再利用溫度與輻射能量的關系，顯示出物體的溫度。其基本構成如圖1 所示。

紅外測溫儀是由光學系統、探測單元和信號處理三部分組成的。光學系統的主要作用是收集被測目標的輻射功率,并使其匯聚到紅外探測器上。紅外探測器的作用是將接收到的紅外輻射轉換為電信號輸出。

熱連軋廠采用了LAND公司的M1、M2兩個系列的紅外測溫計。技術參數如表1。

表1

型號 M1 600/1600C M2 300/1000C

測量范圍 600～1600℃ 300～1300℃

波長 1um 1.6um

響應時間 5ms 5ms

F:S 100:1 100:1

焦距 0.5m到無窮遠 0.5m到無窮遠

復現性 ≤1K ≤1K

準確度 0.4% 0.25%+1K

電信號處理部分的作用主要是對探測的微弱信號進行放大,以達到顯示或記錄被測溫度的目的。為了使紅外測溫儀有較高的輸出信噪比,必須要求儀器有較大的光學相對孔徑,高靈敏度的探測器,低噪聲的電信號處理系統。技術參數如表2。

表2

顯示 320×240像素

輸出 4～20mA，0～20mA可選

輸出更新周期 10ms

吸收率設置 0.05～1.0步長0.001

峰值保持功能 有

求平均值功能 有

曲線描繪功能 有

報警輸出功能 有

3. 系統特點：

(1) 非接觸測量：它不需要接觸到被測溫度場的內部或表面,因此,不會干擾被測溫度場的狀態,測溫儀本身也不受溫度場的損傷。

(2) 測量范圍廣：因其是非接觸測溫,所以測溫儀并不處在較高或較低的溫度場中,而是工作在正常的溫度或測溫儀允許的條件下。

(3) 響應時間快：只要接收到目標的紅外輻射即可在短時間內定溫。

(4) 準確度高:紅外測溫不會與接觸式測溫一樣破壞物體本身溫度分布,因此測量精度高。

(5) 靈敏度高：只要物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測出。可進行微小溫度場的溫度測量和溫度分布測量，非常適用于高速運動的帶鋼溫度的檢測。

(6) 結構簡單、使用安全及使用壽命長。

4. 注意事項

現場環境溫度宜穩定，避免紅外探測器和處理電路產生溫漂，因為測溫儀示值是在標準環境條件下標定的。因為所用測溫儀無內置標校裝置，應注意及時標校其讀值，以保證讀值準確。所以應注意保證冷卻護套的水和氣的供應，使探頭保持在正常工作范圍內。

在測溫儀的透鏡和被測物之間的傳播光路上，不可避免的有水滴、塵埃粒子、蒸汽和氧化鐵皮等，但由于其探頭的波長短，能夠很好的避免測量干擾，使溫度示值不至偏低或不穩定。即使如此，也應當通過用軸流風扇吹掃減少干擾雜質、改進工藝過程減少氧化鐵皮的殘留。

發射率是表征物體輻射紅外線的能力，它是相同溫度和波長下的實際物體與黑體的單色輻射出度之比，所以亦稱比輻射率。它是表征物體輻射本領的重要熱物性參數，發射率越大，物體表面的輻射能力越強。大部分有機物或金屬氧化表面的發射率都在0. 85～0. 98之間。光潔的金屬表面或拋光的物體發射率很低。帶鋼的種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度都是影響發射率的主要因素，所以為了準確測定溫度應正確設置不同測量點的發射率，這樣才能使測得的帶鋼表面溫度準確。從這點講，的測量點應是粗軋出口和精軋出口處。

避免強照明光源或太陽直射鏡頭。因為外來輻射會同樣進入測溫儀，帶來干擾。