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1.1 热辐射概念

对于红外辐射温度计, 这里不得不了解热辐射的基本概念。辐射就是物体表面连续向外放射能量,此种能量称为辐射能, 是和光波、X 射线相同本性的电磁波, 其差别仅在于波长不同。也就是说物体只要是有温度存在, 就会有热辐射产生。辐射电磁波谱如图 1。

电磁波谱是由波长相差很大的 r 射线、x 射线、可见光、紫外线、红外线、和无线电波组成。它们的波长范围是 10~3 m 到 10~8 m, 可见光谱仅是其中的很小一部分, 约 0.38μm 到 0.78μm, 而比可见光更长的的一段波长辐射是红外辐射 0.7μm 到 15μm。铁路专用红外测温仪的应用波长为 8～14μm, 主要是用在远红外区域内。由此可知低温时辐射能量较小, 而且主要是发射较长波长的红外线, 随着温度的升高, 辐射能量急剧增加, 同时辐射光谱也会逐渐的向短波方向移动。

1.2 发射率

理想的黑体发射率等于 1, 即说明射到黑体的辐射能量全部被吸收, 即无反射也无透射。也称作绝对黑体或黑体, 具有最良好的吸收表面, 同时也是最良好的发射体。但在实际工作中, 这种绝对黑体是不存在的。我们计量技术部门用来检定红外测温仪的检定装置, 就是黑体辐射源, 其发射率在 0.98～0.995之间, 几乎接近于黑体。除了黑体模型外, 任何的实际物体都是非黑体, 其表面吸收率或发射率在 0～1之间, 即实际物体的发射率是在相同的温度和波长下, 实际物体与绝对黑体的单色辐射出度的比值, 来表示实际物体发射率的一种物理特性。因此光谱发射率不仅与温度和波长有关, 而且还受物体的材料特性和表面情况等因素影响较大, 在温度和波长相同的条件下, 不同的材料就有不同的发射率, 即使用同一种材料制成, 但具有不同表面的状况的物体, 它们的光谱发射率数值也相差很大。铁路专用红外测温仪主要用来测量车辆运行中车轴的温度, 车轴及轴瓦的表面表现形式是以铸铁、氧化铁、油漆等组成的表面, 一般在 0.85～0.95 发射率之间。

1.3 辐射光谱分布特性(普朗克定律)

根据辐射能量与波长关系曲线, 当被测表面温度上升时表现为两个特点: 第一、辐射的总能量( 及曲线下的总面积)急剧增加, 实际上等于温度的 4次方关系; 第二、曲线的峰值点逐渐移向短波长。不但总能量随温度升高而增大, 而且辐射能量更集中于短波的方向(趋向于可见光和紫外区), 温度愈低时,物体辐射的能量愈趋向于红外区, 能量波长也移向红外。铁路运行中的轴温主要在低温段, 因此发射的能量也较微弱, 当用来测量表面温度时, 必须有高灵敏的检测元件, 而且通过采用部分辐射, 即它通过的波长范围可从 8～14μm, 其能量也是为 8～14 um 波长之间函数曲线范围内的积分, 当温度升高时带宽增大, 能量就增多。红外测温仪的基础就是利用了红外辐射能量与被测表面温度之间有一个固定的关系式()制成的。

L———实际物体的辐射出度。

ε(T)———实际物体包括所有波长在内的总发射率, 介于 0~1 之间。

———斯忒藩-玻耳兹曼常数 5.669 6×10-8W/m2·K。

T4———表面温度的四次方。

1.4 红外测温仪的基本原理见图 3

这种温度计在结构原理上具有以下特点: (1)从被测目标得到的红外辐射光通过聚光透镜, 再采用漫反射透镜光学系统, 照射到光电元件上得到电流信号, 克服了散射光遮断引起的误差; (2) 检测元件为硅光元件其光谱灵敏度波长较窄, 能有效避开二氧化碳及水汽对光谱吸收区的干扰, 提高了精度;(3) 在测量和显示部分, 借 CPU 以软件处理方式进行温度补偿, 而不用在线路中加热敏电阻补偿的方法; (4) 电路增设了瞄准激光点, 可以很容易找到测温目标。另外有些测温仪还具备发射率(ε)可调节功能, 可以根据不同被测物体的表面, 判断物体表面的发射率, 调节测温仪的发射率按钮与其匹配, 消除了因发射率不同引起的误差。

通过对辐射概述的分析使我们认识到, (1)采用辐射测量法与电阻或热电偶测温方法不同, 他利用普朗克定律、位恩位移公式、和斯忒藩- 波耳兹曼定律的原理, 将被测物体的温度与热力学温度联系起来。(2)测温是非接触式测温, 不会破坏被测对象的温度分布。(3)灵敏度高、反应时间快。铁路专用红外测温仪的反应灵敏度一般都小于≤500 mS。(4) 受物体的表面发射率影响, 有时必须对测温仪的发射率进行修正, 才能得到真实温度。

2 红外测温仪在铁路企业的应用与计量管理

2.1 现状与分布

手持式红外测温仪一般分布在车辆运输部门,主要用来测量车辆运行中车轴、轴瓦的表面温度。也叫铁路专用轻便型红外测温仪。济南铁路局共有 6个车辆段, 每个段大约有 200 把左右, 总计 1 000 把上下。该仪器的状态好与坏, 直接影响到铁路运输按全。

2.2 检定情况

我所在 1998 年根据本局实际需要和铁道部的要求, 最早建立铁路专用轻便型红外测温仪标准, 并通过部标准所考核合格后, 依据 JJG ( 铁道)149-2005 铁路专用轻便型红外测温仪检定规程, 开始开展检定工作。在这几年的计量检定量传工作中, 确保了本局的在用轻便型红外测温仪的受检合格率达到98%以上, 为铁路行车安全起到了重要的技术保障。在做到科学、准确、高效的同时, 也获得一些宝贵的经验, 并发现目前存在的一些问题, 现供大家一块探讨。

2.3 存在的问题

2.3.1 质量参差不起。手持式红外测温仪虽然发展了很多年, 但是由于国内外生产厂家众多, 而真正取得计量产品生产许可证的企业仅有几家, 所以流入市场上的测温仪在质量上面就存在着较大的差别。

如: 有些测温仪外壳设计上不合理, 使用起来很不方便; 按键开关、电池弹簧片质量差, 使用寿命过短; 聚光透镜的位置过于靠前, 很容易造成人为地损坏和摔坏; 测温准确度低, 产品说明书给出的准确度等级往往低于实际产品的准确度等级, 达不到规定技术要求。所以对这些质量差的产品必须设一道防线, 就是要经过计量部门检定合格后再进行使用。

2.3.2 要正确选择合适的温度范围。红外测温仪的测温范围各有不同, 根据不同的使用场合和工况选用不同的适用温度范围。依据依据 JJG( 铁道)149-2005 检定规程, 铁路专用轻便型测温仪的温度范围在 25～150 ℃, 也就是说选择- 18～400 ℃的测温仪就能满足测量轴温的需要, 定在这个温度段的测温仪经黑体辐射源检定, 一般误差小于允许误差。如果测温仪的温度范围越宽, 不但价格昂贵, 而且用来测量轴温也会产生较大的误差。

2.3.3 使用方法要正确。测温仪除了发射率以外, 还有一项技术指标是光学分辨率(D:S)。即测温仪探头到目标之间的距离与被测目标直径之比。如果测温仪远离目标, 而目标有小, 应选择高分辨率的测温仪。在测温时, 根据光学分辨率和被测目标, 视场应小于或等于被测目标, 否则测量就有误差。一般测温仪的视场小于被测目标的 50%为最好。

2.4.4 注意事项。(1)测温仪在长期不用时, 应把电池取出, 并放在干燥阴凉处; (2) 不能用测温仪测量超出温度范围的物体, 以免损坏测温传感器; (3)仪器要轻拿轻放, 不得随意触摸聚光透镜, 以免损坏或能脏透镜, 造成人为地测温误差; (4) 不能用激光束照射人的眼睛, 造成眼球损伤。

2.5 计量管理

《计量法》中规定计量检定分为首次检定、后续检定、和使用中校验。首次检定是指新购置的仪器第一次送到计量部门检定, 称为首次检定。有些单位和个人对计量法认识不足, 认为新买得的产品, 有出厂合格证就够了, 不需要检定也可以, 这种思想观念是错误的。假如你买的产品是某家企业生产的, 而该家企业的黑体辐射源不每年送国家计量技术部门进行检定, 没有溯源到国家计量基准, 可想而知, 这家企业生产的产品也绝对不合格。对这种新买的产品, 我们还敢用吗?就是说新买的产品, 一定也要进行计量检定。后续检定是指计量器具首次检定后的任何一种检定, 包括强制性周期性检定和修理后检定。计量器具按时间间隔和规定程序, 规定一个周期检定一次。由于计量器具在整个周期使用范围内, 仪器受自身电子元器件老化和一些不明原因地损坏, 造成仪器的的技术参数发生变化, 影响到测温准确度, 因此必须进行周期检定。使用中校验是根据客户的要求在使用周期范围内发现该仪器由于使用较频繁, 对该仪器的测温准确度产生怀疑, 不能确定是否合格,决定送到计量部门进行检定, 称使用中校验。总之,站段计量管理人员, 应根据本单位的实际状况, 建立台帐、制定和合理安排各项计量器具的检定周期, 确保本单位的计量器具都在受控状态下, 按照各种管理办法, 始终保持计量器具处于良好的技术状态。