温度传感器原理

2温度传感器

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。（这里接触式温度传感器只做简单的介绍）

2.2 非接触式温度传感器

2.2.1 工作原理

非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速度变化的温度。

最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数式中ε为材料表面发射率，ρ为反射镜的反射率。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。

非接触测温优点：测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温 温度传感器 逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。 2.2.2红外测温仪工作原理

红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

图5红外测温仪原理图

一切温度高于绝对零度的物体，都在不停地向外发出红外线，物体发出的红外线能量大小及其波长分布同它的表面温度有密切关系。因此我们通过测量物体辐射出的红外线能量的大小就能准确测定物体的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的理论基础。红外测温仪的工作原理如下：被测物体辐射出的红外能量通过空气传送到红外测温仪的物镜，物镜把红外线汇聚到红外探测器上，探测器将辐射能转换成电信号，又通过前置放大器、主放大器将信号放大、整形、滤波后，经过A/D转换电路处理，输入微处理器，与此同时，环境温度的补偿信号也送入微处理器。微处理器在内部经过线性化处理、温度补偿和发射率修正后，把温度值送到发光二极管（LED）或液晶显示器（LCD）上显示出来，或通过 D/A转换输出 4－20mA、1－5V等模拟信号，或通过 RS232、RS485接口输出数字信号，更便于供上位机或其他测量、记录设备共享红外测温仪的测量结果。

2.2 市场调研

网上一般有CEM华盛昌、FLUKE、HAKKO、优利德、Testo、TAITAN 泰坦、雷尔达等这几个品牌，价格波动范围很大

表2 红外测温仪价格

调研发现，红外测温仪一般进口的都要几千至几万元，国内的生产的大多数测量温度误差较大，价格比较便宜，而国外进口的价格一般都要几千元，大部分需要花费一万以上才能买到满意的红外测温仪。

例如：美国产的福录克FLUKE68IS 红外线测温仪性能比较好，其特点：

1）激光瞄准系统，能以1%的准确度进行瞄准

2）12个点的数据记录

3）先进的光学技术，能够以更远的距离测量更小的目标

4）发射率可调，更加精确地测量温度

5）可选的最大、最小、差分和平均功能，可以即时显示数值，并具有Hi/Lo报警

6）温度测量范围扩展至760℃

7）选配探针附件，用于双接触式或非接触式温度测量

图6福录克技术参数 CEM华盛昌 一般的价格100.00~4900.00

FLUKE 一般的价格原装进口的10000.00~50000.00

HAKKO 网上比较少，在6000元左右

优利德 价格在100.00~16000.00

Testo 价格在400.00~20000.00

TAITAN 泰坦 价格一般在100.00~3000.00

雷尔达 比较少见，价格100.00~2000.00 2..4案例分析

2.4.1红外测温仪在卷包设备上的应用

英国MOLINS 公司制造的 SUPER9、PASSIM 系列卷烟机曾是我国各家烟厂生产卷烟的主力设备。毋庸讳言，该系列卷烟机在电气、机械和质量控制方面存在诸多问题，除了MWC（平均重量控制器） 、CID6（烟支空头漏气检测器）存在工作性能不稳定、检测不准确、超调量过大等毛病外，水松纸鼓轮的温度测量及控制部分也有一定的缺陷，造成鼓线、热敏电阻或滑环时常损坏。该系统的电气控制原理图如下：

图6改进前的水松纸鼓温度控制原理图

该系统中的发热元件是功率很大的鼓线，温度传感器是具有正温度系数的热敏电阻，这两个元件本身都随着水松纸鼓高速旋转，并通过碳刷、滑环与外面的系统连接。由于转动、震动、摩擦、高温、灰尘等方面的原因，经常会发生热敏电阻两根线短路或断路的情况，短路会在鼓轮温度已经很高的情况下使温控板误以为温度过低而发出连续大功率加热的命令，把鼓线烧断或把鼓轮烧得发红、变形，同时造成大量次品废品，后果严重。断路则会在鼓轮温度很低的情况下使温控板以为温度太高而发出停止加热的错误指令，从而使鼓轮一直保持不加热的状态，这种情况也是不正常的，也会产生大批掉头、漏气的废烟。在这种情形下，我们正好可以利用红外测温仪擅长非接触测温的特点，来个“以静制动”——定点定距离瞄准测温。即：换一种思路，不通过碳刷、滑环等运动器件和热敏电阻来测量鼓轮温度，而是在搓板或某个固定位置上安装一个在线式红外温度传感器，固定好它与水松纸鼓的距离、方位，调整好它的发射率ε，将它的信号输出线连到温度控制板的输入端，代替原来的热敏电阻信号线，当然，红外温度传感器的输出信号必须同温度控制板相匹配。红外测温仪的输出信号通常是4—20mA或热电偶信号，为使两者匹配，就必须要么把原来的温控板换成能接收4—20mA或热电偶信号、具有PID调节功能的智能数显仪表，要么将红外测温仪输出的4—20mA 电流信号或热电偶信号通过一个转换器转换成温控板能接收的模拟信号。执行系统仍然沿用原来的那些部件——固态继电器+鼓线，用方框图来表示即：

图7改进后的水松纸鼓温度控制原理图

改进后的水松纸鼓加热系统，由于采用了非接触式的红外测温方式，温度传感器安放在一相对固定的位置上，信号输出线与控制仪表的连接十分牢固可靠，不再像以前那样通过碳刷和滑环与外界相连，随鼓轮一齐转动，从而从根本上杜绝了温度传感器两线短路导致控制板以为温度过低而持续加热，烧坏鼓线、鼓轮或滑环的不正常现象。也杜绝了两线断路使温控板误认为温度太高而停止加热导致鼓轮温度太低，造成大量没有搓接好的废品的问题。改进以后能达到以下目的：可以大幅度减少因鼓轮加热系统出故障导致的停机时间，降低设备维修费用；减轻电工的工作量（维修过MOLINS公司卷烟机的人都有切身体验，换水松纸鼓轮、穿鼓线是一件十分麻烦的事情，穿鼓线时附着在人身上的玻璃纤维会让你难受几天） ，提高维修效率；大量减少次品废品，降低原辅材料的消耗，提高卷烟机的卷接质量。

2.4.2红外测温仪在超市或食品加工企业应用

因 为冷藏食品的存储温度一般都在4.4℃以下，超过这个范围就可能会变质。所以就可以使用红外测温仪对其进行方便、快捷的检查其他的应用还包括：粮食加工、食品加工、水产品加工、酒精饮料生产企业、检验检疫部门等