這是一篇紅外測(cè)溫產(chǎn)品的科普文章，討論長(zhǎng)波紅外測(cè)溫儀或長(zhǎng)波紅外熱像儀，到底能測(cè)量多高的溫度及其精度的問(wèn)題。結(jié)論告訴我們，在高于1000°C時(shí)的高溫測(cè)量場(chǎng)合，要使用中波或短波紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀，否則會(huì)導(dǎo)致極大誤差。

1、相關(guān)簡(jiǎn)述：

不論是銷(xiāo)售紅外測(cè)溫儀還是銷(xiāo)售紅外熱像儀，同樣不論是銷(xiāo)售便攜式的還是固定式紅外測(cè)溫產(chǎn)品，我們可以總結(jié)出如下的現(xiàn)象：

長(zhǎng)波紅外測(cè)溫儀的最高溫度、精度、重復(fù)性

• 所有品牌的最高溫度都≦1000°C ！

• 精度：±1%，最好的在±0.6%

• 重復(fù)性：±0.5%，最好的在±0.3%

非制冷長(zhǎng)波紅外熱像儀的最高溫度、精度

• 歐洲的品牌，最高溫度≦1200°C ！

• 美國(guó)的品牌，最高溫度可達(dá)2000°C ！

• 中國(guó)的品牌，最高溫度可達(dá)2000°C ！

• 精度：全球都是 ±2% 

說(shuō)明：制冷型紅外熱像儀因?yàn)橛兄评洌詼囟确秶蜏y(cè)溫精度比非制冷紅外熱像儀的溫度范圍及精度要高，這些問(wèn)題此文不另外討論，請(qǐng)參見(jiàn)相關(guān)文章。后面，本文所指的紅外熱像儀都是指非制冷型紅外熱像儀。

從上所述，就可以看出有如下的問(wèn)題：

• 為什么紅外測(cè)溫儀最高只能測(cè)量1000°C，而紅外熱像儀卻能測(cè)量到1200°C，甚至2000°C？

• 紅外測(cè)溫儀測(cè)溫的誤差到底有多少°C呢？紅外熱像儀測(cè)溫的誤差到底有多少°C呢？

• 在實(shí)際應(yīng)用中，到底怎么選擇紅外測(cè)溫儀和紅外熱像儀？

2、相關(guān)的紅外測(cè)溫原理

很多人都看過(guò)和學(xué)過(guò)紅外測(cè)溫原理，但說(shuō)實(shí)在的，真正理解紅外測(cè)溫原理的并不是很多，在實(shí)際紅外測(cè)溫設(shè)備選型時(shí)，能不自覺(jué)地應(yīng)用紅外測(cè)溫原理的更不多。

先來(lái)看二張圖：

這張圖取自德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《VDI/VDE 3511 Blatt 4》，在Bernhard Frank：《Handbuch der-technischen Temperaturmessung》, Springer Verlag 2014 (《技術(shù)測(cè)溫手冊(cè)》，很貴的，313.81歐元，購(gòu)買(mǎi)請(qǐng)參見(jiàn)https://www.springer.com/cn/book/9783642245053）中也可以找到。也就是每個(gè)點(diǎn)的值是按公式計(jì)算出來(lái)的。

說(shuō)明：這張圖是發(fā)射率變化1%時(shí)導(dǎo)致的紅外測(cè)溫設(shè)備的絕對(duì)誤差。

下面做一些簡(jiǎn)單計(jì)算：

• 溫度在1000°C時(shí)，發(fā)射率變化1%或10%：

用8-14μm紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀，測(cè)量溫度的絕對(duì)誤差是8°C(參見(jiàn)圖片中最上面的那條曲線(xiàn))。如果發(fā)射率變化10%呢？那么測(cè)溫的絕對(duì)誤差 = 10%發(fā)射率變化要乘以10 x 8°C = 80°C。 

用1μm(0.78-1.06μm)紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀，測(cè)量溫度的絕對(duì)誤差是1.5°C(參見(jiàn)圖片中紅色曲線(xiàn))。如果發(fā)射率變化10%呢？那么測(cè)溫的絕對(duì)誤差 = 10%發(fā)射率變化要乘以10 x 1.5°C = 12°C。 

• 溫度在1500°C時(shí)，發(fā)射率變化1%或10%：

再比如在溫度1500°C時(shí)，發(fā)射率變化1%，用8-14μm紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀，測(cè)量溫度的絕對(duì)誤差是12°C(參見(jiàn)圖片中最上面的那條曲線(xiàn))。如果發(fā)射率變化10%呢？那么測(cè)溫的絕對(duì)誤差 = 10%發(fā)射率變化要乘以10 x 12°C = 120°C。 

用1μm紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀，測(cè)量溫度的絕對(duì)誤差是2°C(參見(jiàn)圖片中紅色曲線(xiàn))。如果發(fā)射率變化10%呢？那么測(cè)溫的絕對(duì)誤差 = 10%發(fā)射率變化要乘以10 x 2°C = 20°C。

這張圖是國(guó)內(nèi)紅外測(cè)溫原理PPT上常見(jiàn)的一張圖。也就是在發(fā)射率變化10%時(shí)，溫度測(cè)量的誤差百分比。

比如在1000°C，使用8-14μm(參見(jiàn)最上面的一條黃色線(xiàn))的紅外測(cè)溫儀或熱像儀測(cè)溫時(shí)，那么誤差%=8%，所以：在1000°C時(shí)，誤差測(cè)量的絕對(duì)誤差 = 1000°C x 8% = 80°C。

同樣的，我們也可以像第一張圖一樣算出1μm時(shí)的在1000°C的誤差為12°C，在1500°C時(shí)的誤差為近20°C。

• 也就是說(shuō)，上面2個(gè)圖是完全一樣的；

• 上面2個(gè)圖都說(shuō)明，溫度越高，紅外測(cè)溫設(shè)備誤差越來(lái)越大；

• 高溫時(shí)，尤其是超過(guò)1000°C時(shí)，盡量使用短波測(cè)量高溫 -- 就是說(shuō)，紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀使用的波長(zhǎng)越短，其測(cè)量誤差要比波長(zhǎng)越長(zhǎng)的要低得多。這就是為什么使用紅外測(cè)溫時(shí)，使用的波長(zhǎng)越短越好！
  

3、短波和長(zhǎng)波紅外實(shí)際測(cè)量效果比較

這是德國(guó)DIAS紅外公司做的測(cè)試，測(cè)量同一個(gè)電熱塞或預(yù)熱塞(Glow Plug)時(shí)做的熱像儀測(cè)試，測(cè)試的紅外熱像儀如下：

• 長(zhǎng)波紅外熱像儀PYROVIEW 640L compact+ (-20~1200°C)
  

• 短波紅外熱像儀PYROVIEW 512N compact+ (600~1500°C)
  

采用相同的發(fā)射率、透過(guò)率。

測(cè)量結(jié)果比較可見(jiàn)：

• 短波紅外熱像儀測(cè)量的最高溫度是960°C，而長(zhǎng)波紅外熱像儀測(cè)量的最高溫度是460°C -- 最高溫度的誤差達(dá)到了500°C

• 右側(cè)的長(zhǎng)波紅外熱像儀的溫度曲線(xiàn)波動(dòng)很大，而左側(cè)短波紅外熱像儀的溫度曲線(xiàn)波動(dòng)卻很小
  

而我們知道，電熱塞在啟動(dòng)之后，2~3秒鐘就很快溫度就升上去了：金屬電熱塞(850°C，運(yùn)行溫度約1000°C)、陶瓷電熱塞(900°C，運(yùn)行溫度約1150°C)，這一點(diǎn)大家可以去查一下度娘。

因此，要想非制冷長(zhǎng)波紅外熱像儀測(cè)量電熱塞的溫度達(dá)到960°C，那么要怎么做呢？我們也知道，這必須要調(diào)整發(fā)射率！要調(diào)整透過(guò)率！但這500°C這么大誤差，調(diào)發(fā)射率和透過(guò)率能調(diào)整過(guò)來(lái)嗎？能調(diào)到960°C嗎？

其實(shí)，這種電熱塞價(jià)值比較小，如果不是去電熱塞研發(fā)，只是去生產(chǎn)，用紅外熱像儀去測(cè)溫，就無(wú)比奢侈了。這時(shí)最佳選擇應(yīng)該是紅外測(cè)溫儀，價(jià)格便宜且好用 --如果想測(cè)溫精度高，那么選擇短波紅外測(cè)溫儀；如果很窮，那么可以選擇便攜式紅外測(cè)溫儀。

用過(guò)紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀的人都知道，有很多材料，你真的知道這種材料確切的發(fā)射率嗎？你設(shè)的發(fā)射率和實(shí)際發(fā)射率隨隨便便就超過(guò)了10%的誤差，太正常了。那么在實(shí)際溫度是1500°C，你用長(zhǎng)波紅外測(cè)溫設(shè)備(包含紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀)，那誤差就是120°C，這叫測(cè)溫嗎？這不叫胡扯嗎？尤其是金屬、鋼鐵，其金相隨溫度變化很大，不同的金相幾乎是不同的材料。鋼材或金屬早都變成合金了，你還以為只是鋼呢！你還以為只是銅呢！

4、波長(zhǎng)和發(fā)射率誤差

我們先來(lái)看看這個(gè)摘抄來(lái)的某紅外公司推薦發(fā)射率表。

實(shí)際上，我們還可以列出鋼材和其它金屬的發(fā)射率表格。我們這里就不列出了，請(qǐng)參見(jiàn)有關(guān)發(fā)射率表。

從這個(gè)表中，能看到什么呢？

金屬或鋼鐵行業(yè)，紅外波長(zhǎng)越小，發(fā)射率越大

對(duì)金屬或鋼鐵來(lái)說(shuō)，在同一個(gè)溫度，測(cè)溫的紅外波長(zhǎng)越大，發(fā)射率就越小，反之，測(cè)量的波長(zhǎng)越小，發(fā)射率就越大。(注意，這個(gè)規(guī)律只是針對(duì)金屬或鋼鐵來(lái)說(shuō)的，不適合其它材料，其它材料有其它材料的發(fā)射率規(guī)律，比如玻璃則反之)。

發(fā)射率表提供的往往是一個(gè)發(fā)射率范圍，你無(wú)法準(zhǔn)確確認(rèn)發(fā)射率的值，也就是發(fā)射率設(shè)置經(jīng)常會(huì)有誤差，而且有時(shí)誤差還特別大

而且，最重要的一點(diǎn)就是：除了黑體以外，實(shí)際物體的發(fā)射率值往往在一個(gè)范圍里，而不是一個(gè)固定的值，比如上圖中的哈氏合金在1μm時(shí)，發(fā)射率值是0.5~0.9；同樣，鐵、鋼材，也是如此，比如不銹鋼在1μm時(shí)發(fā)射率為0.35，而在8-14μm時(shí)發(fā)射率是0.1~0.8。換言之，在這個(gè)范圍里，提供的發(fā)射率表很多都是一個(gè)范圍，而不是一個(gè)確定的值，在這個(gè)范圍里，誰(shuí)也弄不清到底具體發(fā)射率值是多少，所以你如何確切地設(shè)定發(fā)射率呢？又如何確保發(fā)射率沒(méi)有誤差呢？所以，發(fā)射率誤差1%~10%是應(yīng)用紅外測(cè)溫儀、紅外熱像儀中非常常見(jiàn)的、經(jīng)常發(fā)生的。

5、除了發(fā)射率導(dǎo)致的誤差，還有哪些誤差呢？

我們?cè)谇懊嬗懻摰米疃嗟挠?種誤差：1) 波長(zhǎng)選擇導(dǎo)致的誤差 ; 2) 發(fā)射率設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致的誤差。然而實(shí)際上，有很多因素都會(huì)導(dǎo)致紅外測(cè)溫的誤差。比如：

• 某些鏡頭存在的問(wèn)題：長(zhǎng)波紅外的鏡頭材料Si(硅)、Ge(鍺)在被(輻射熱)加熱時(shí)會(huì)改變其性能(透過(guò)率)；

• 溫度漂移：像常用于8~14μm長(zhǎng)波的熱電堆熱探測(cè)器被輻射熱加熱之后，會(huì)有“熱沖擊”，這意味著，這種探測(cè)器溫度快速變化時(shí)會(huì)有小溫度漂移；

• 信噪比 — 這個(gè)特性對(duì)紅外熱像儀來(lái)說(shuō)更重要：動(dòng)態(tài)范圍也需要在電子范圍之內(nèi)切換—否則出來(lái)的熱圖像的電子噪聲比較大或者在低溫時(shí)沒(méi)有型號(hào)。

• 標(biāo)定情況和實(shí)際應(yīng)用情況不一致：所有紅外測(cè)溫設(shè)備的不確定性或誤差都是在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)黑體爐標(biāo)定的。然而在所有實(shí)際應(yīng)用中，物體并非是黑體，8-14μm 長(zhǎng)波紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀對(duì)溫度>1000°C時(shí)，即使發(fā)射率和透過(guò)率誤差小于2%，測(cè)溫誤差遠(yuǎn)高于2%。

• 電子元件的動(dòng)態(tài)范圍和穩(wěn)定性：通常紅外測(cè)溫儀的電子元件比非制冷紅外熱像儀都具有更高的動(dòng)態(tài)范圍和更高的穩(wěn)定性，比如微測(cè)熱輻射計(jì)的紅外熱像儀其誤差在±2%，而紅外測(cè)溫儀則只有±1%、甚至只有±0.5%
  

6、一些結(jié)論

綜上所述，我們可以獲得如下一些結(jié)論：

• 波長(zhǎng)越短，精度越高：在同一個(gè)溫度，短波紅外測(cè)溫比中波紅外測(cè)溫精度要高、比長(zhǎng)波紅外測(cè)溫精度更要高；

• 發(fā)射率設(shè)置總是有誤差：使用者進(jìn)行發(fā)射率設(shè)置，是經(jīng)常有誤差的，而且有時(shí)誤差還特別大；

• 發(fā)射率設(shè)置誤差，會(huì)導(dǎo)致波長(zhǎng)越大，測(cè)溫誤差更大：發(fā)射率設(shè)置錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)波紅外測(cè)溫設(shè)備誤差極大，遠(yuǎn)不如短波紅外測(cè)溫設(shè)備的測(cè)溫誤差；

• 溫度越高，采用的紅外測(cè)溫波長(zhǎng)應(yīng)該越來(lái)越小：這個(gè)符合維恩位移定律λmax*T=2897.7721。譬如，金屬、鋼鐵行業(yè)以及高溫材料行業(yè)，超過(guò)1000°C，如果使用長(zhǎng)波紅外設(shè)備來(lái)測(cè)溫，是典型的技術(shù)誤區(qū)。在鋼鐵行業(yè)，但溫度>1000°C時(shí)，不會(huì)有人采用8~14μm的長(zhǎng)波紅外測(cè)溫儀，這種物理規(guī)則同樣適合于紅外熱像儀。

工欲善其事，必先利其器。

在鋼鐵、金屬行業(yè)銷(xiāo)售紅外測(cè)溫儀、紅外熱像儀的，在高溫環(huán)境，比如加熱爐、高爐、煉鋼爐、高線(xiàn)、熱軋等等地方，采用達(dá)到2000°C的長(zhǎng)波紅外熱像儀測(cè)溫？瘋了吧？就不要忽悠不懂紅外的用戶(hù)了吧。

至于1中所說(shuō)的問(wèn)題，我想整個(gè)討論中都解決了。不再贅述。

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