红外线热电偶原理

引言

Rt/c红外线热电偶 – 革命性的温度传感新技术

IRt/c产品系列是温度传感技术的重大 突破。IRt/c传感器不含电源、成本低、 且无需触碰材料即可测量材料的表面 温度。这些产品可直接安装在传统热 电偶控制器、PLC、变送器和其他读 数设备上

如何测量温度？

所有IRt/c产品均含有专有红外线检测 系统，由其接收来自传感器所指向物 体辐射的热量，并将热量被动地转化 为电势。之后，产生标定为预期热电 偶特性的毫伏信号。

所有IRt/c均为自供电设备，并仅依赖 传入的红外线辐射通过热电效应产生 信号，因此，信号将遵循热辐射物理 的规律并受过程中固有的非线性影响。

然而，IRt/c输出在一定的温度范围内 足以达到线性要求，可生成直接用于 传统t/c信号互换的信号。例如，指定 t/c线性2%匹配会产生一个温度范围， 在这个范围内IRt/c会生成处于传统t/c 操作2%范围的信号。指定5%匹配生 成的温度范围更广。

每个IRt/c机型都经过特别设计，可在最 适合传统t/c设备的线性区域内发挥最佳 性能，不过也可在区域外使用，只需恰 当校准读数设备。输出信号在整个额定 温度范围内平稳持续，且可在整个范围 内保持1%的可重复性。

“温度选用指南”（第81页）汇总了每 个IRt/c机型的线性范围性能。用户选择 IRt/c机型和类型以及适合应用的目标温 度范围。热电偶读数设备上的正常偏差 调整可用于校准安装，以避免发射率和 背景效应。

新设备的可靠性如何？

温度控制中最根本的因素是测量设备在 工作条件下长期保持校准的能力。IRt/c 的额定可重复性为（读数的）1%，且 没有可测量的长期校准变化，因此非常 适合用于可靠的温度控制。这些特性是 每个IRt/c设备的基本设计和结构内在的 特性。

可重复性是指测量设备在相同条件下再 现校准的能力。IRt/c系统坚实、密闭、 且完全密封，在工作中不会出现机械或 冶金方面的变化。系统中没有生成信号 的有源电子器件和 电源，热电偶信号的 生成完全依赖热电效应。1%等级是基于 测试条件下证实更小容差的实际困难而 提出的守恒值，不是设备的实际限制。

影响可重复性的因素同样也影响长期精 度：机械变化和冶金变化。众所周知，随着时间的推移，热电偶会因为这些效 应改变校准。出现机械变化的原因在 于：为了缩短响应时间，传统热电偶的 构成通常小而轻便，但容易出现热电偶 的属性的改变。更为重要的是，由于只测量自身温度，传统热电偶必须在高温 下使用。

影响热电属性的冶金变化是温度的重要 功能，这种变化在室温下可以忽略，而 在高温下必须引起足够重视。

IRt/c自身的设计和基本运行可解决这两 种问题。不锈钢外壳中采用完全封闭的 坚实结构设计，以及在近乎室温条件下 的运行，可从根本上解决传统热电偶常 见的漂移问题。每个IRt/c设备都在100˚C 以上的高温下进行双重退火， 可确保长期稳定性，并且经过了5次测 试才进行封装。IRt/c不仅出现故障的机 率小，还可以长 期保持校准精度。

快速安装指南

所有基于红外线的传感系统都必须针对 特定的材料表面属性进行校准（例如目标表面辐射的热量、环境热反射等）。 这种校准通过使用可靠的独立表面温 度探头测量目标表面温度来执行。使用 OMEGA OS91手持式红外线测温仪是 可摆脱这些影响的最轻松、最便捷的精 确校准方法，该测温仪采用自动发射率 补偿系统，在任何发射率下均可得出正 确读数。

推荐下列步骤：

1. 安装IRt/c并尽可能贴近，以查看要测量的目标材料。
2. 按照标准样式，用电线将IRt/c和控 制器、PLC变送器（包括护板）等相 连。正如传统t/c设备，红线总是处于(–)位置。
3. 将流程调至正常工作温度，使用 OS91系列红外线测温仪测量目标材料的实际温度。
4. 调节读数设备上的“输入偏移”、“零”、“低cal”，与OS91读数相匹配。

安装完成。

C内设自动温度调节控制器

在多种应用中，需要使用加热元件或 热空气喷射加热火炉、熔炉中的产品。 传统控制设备使用接触式热电偶测量和 控制火炉空气温度、IR加热元件温度或 空气喷射温度，以维持产品的温度和质 量；通常效果不太理想。

使用直接测量产品温度的非接触式IRt/c 替换接触式热电偶（例如测量火炉温 度），可保证产品温度恒定。由于传感 器响应时间（IRt/c响应更快）和加热产 品所需的时间（比原来的传感器慢）不 同，需要重新调整控制器的参数。安装 IRt/c并使用OS91 Infrared Scanner（见 上一页“快速安装指南”）校准控制器 读数后，启动控制器的自整定循环，查 看控制是否稳定、精确。如果控制器无 法正确自整定，请手动调整控制系数， 以实现稳定控制。产品温度改变温度的 速度可能比原来的传感器慢，因此请慢 慢增加PID系数的“D”。 ir34

IRt/c可连接长达1,000英尺 （300米）的热电偶延长线

利用热电偶屏蔽双绞线延长线，IRt/c可 安装在远离读数设备300米（1000英尺） 的位置，即使在电噪声干扰非常严重的 环境。我们执行了一个示范测试，使用 300米（1000英尺）的屏蔽双绞线延长 线圈将IRt/c连接至计算机的快速（响应 时间100毫秒）A/D转换模块，其中延长 线展开了30米（100英尺）。作为噪声 发生器，60 Hz 10,000伏的变压器和火 花发生器被设置为在延长线的15 cm （6英寸）长度范围内产生火花。

测试结果显示，在延长线、火花和变压 器的任何相对位置噪声都低于0.1˚C。 IRt/c设计非凡的噪声抑制特点使它可放 置在非常远的位置，无需使用变送器。 IRt/c外壳与信号导线实现电气隔离，并 连接至延长线的屏蔽接地。如果距离较 远，应使用屏蔽双绞线延长线，而且防 护屏应连接电气接地。

与挡片结合使用时IRt/c本质安全

“具有<1.2V、0.1A、25 mW或25 microJ 能量存储或生产特征的现场设备应被视 为简单设备（非能量存储）。这些通用 设备连入已认证安全电路时，无需进一 步认可即可在危险（分类）位置使用。” – 摘自R. Stahl, Inc. Comprehensive ir35 Product Manual On Intrinsic Safety Barrier and Repeater Relays（安全屏障 和中继器继电器综合产品手册） 非能量 存储本质安全设备示例：

• 热电偶 • RTD • LED
• 干簧开关触点
• NAMUR导电接近开关
• 非导电应变片设备和电阻

IRt/c属于热电偶，这是因为信号是通过 将辐射的热量经过塞贝克效应这一热电 偶的基本驱动力转化成电信号而来的。 和所有热电偶一样，它无需电源，并可 生成以毫伏电压、微安电流以及毫微瓦 功率衡量的信号。IRt/c电容小，不过位 于一个微法拉，能量存储以纳焦测量， 比25微焦标准低一千倍。

因此， IRt/c有资格作为简单设备，在危 险位置使用，与相应屏障连用后可作为 本质安全设备使用。

与挡片结合使用时IRt/c本质安全

IRt/c应用说明

IRt/c监测赛车性能的轮胎温度

轮胎温度对赛车至关重要有两个原因： 轮胎温度直接影响轮胎的粘附和耐磨损 特征，而且轮胎温度模式可提供悬浮设 置和性能的重要信息。例如，异常悬浮 引起的轮胎负荷过大，会导致轮胎温度 大大高于其他轮胎。

IRt/c是机载数据采集的理想测量设备， 原因在于其尺寸小、耐用性以及成本 低。它可以连接至标准热电偶读数系 统。在安装过程中，应将防护屏相应接 地，以避免来自赛车恶劣电气环境的干 扰。机械安装过程中还应注意气流模 式，尽可能减少镜头上的灰尘堆积。鉴 于其较窄的视场，我们推荐OS36-2或 OS36-5，可将其放置在更远的位置。

IRt/c相对湿度测量

IRt/c可在多种具有便利的水源和流动空 气的条件下测量实际的相对湿度，并可 得出精确可靠的读数。

对准多孔湿润表面（有充足的空气流 通）的IRt/c实际上可测量该周围区域所 谓的“湿球”温度。（更确切地讲，湿 球温度是指水膜蒸发后空气 /水交界处的 平衡温度。当空气在湿润表面流通时， 水分通过蒸发进行冷却直至达到湿球温 度，然后停止冷却，不论表面上流动了 多少空气。冷却停止时的温度便是湿球 温度。）

IRt/c直接在表面上测量空气/水交界处 的温度。水或吸收材料的质量不影响读 数，因为IRt/c可直接观察空气/水的交 界处，而杂质对湿球平衡温度的影响不 大。

最精确的方法是利用与传统热电偶差别 连接的IRt/c测量“湿球温降”的量。差 分对的安排可保证高精度，因为RH是 湿球温降的强大功能，却是干球温度的 弱功能。我们可结合数据使用标准温湿 表、图表以及软件算法，获得环境测量 的精确相对湿度。

控制WEB滚轮温度

IRt/c红外线热电偶很快成为检测和控制 Web和滚轮温度的理想传感器。精确测 量滚轮温度的小提示：

1. 无涂层金属或铬滚轮 – 任何红外线传 感器都很难感知有光泽、无涂层的金属 滚轮的实际温度（传感器会感知到过多 的环境反射）。此问题的解决方案是： 在滚 轮未使用的一端喷上黑色的小条 纹。将IRt/c传感器指向黑色的喷纹。这 样，不论滚轮其他部位表面状况如何变 化，传感器均可准确、可靠地测量出表 面温度。

   

   如果滚轮一端的未利用的空间非常少， 将传感器移近一些，喷涂一个很小的 黑条纹。将传感器拉近表面时，IRt/c 的最小光斑大小为8 mm（0.3英寸） 、OS36-2的为4 mm（0.16英寸）。

2. 无光泽的金属滚轮 – 无光泽的金属 滚轮信号稳定。测量表面了解可靠 性，因为通过灰尘、水分、清洁等表面 发射特性可能会变化。如有疑问，只需 喷上一个条文即可消除这些变化因子。
3. 表面非金属滚轮 – 这些材料可在IRt/c 测量的任何时间点提供可靠的IR信号。 无需喷涂条纹。

控制真空成型和热成型过程

对于塑料成型，辐射热量结合IRt/c控制 是最佳的加热方法和控制组合。这两者 相得益彰，因为加热和测量均在表面发 生，而这也是塑料放置的位置。IRt/c读 数不受加热器反射的影响，因为6-14微 米IRt/c镜头的光谱响应可过滤掉辐射加 热器能量较短的波长。

IRt/c可安装在陶瓷加热器之间、或辐 射加热器的护罩或反射体中，以便在两 种元件中看到IRt/c。选择IRt/c标准机 型、OS36-2或OS36-5机型，具体视查 看从元件到喷涂表面所需的视场而定。 安装IRt/c时必须谨慎，确保温度低于 93˚C (200˚F)、镜头干净。OS36-2是针 对此应用的机型，因为它体积小， 而且内置了空气净化系统。在使用空气 净化系统的情况下，可在温度高达121˚C(250˚F)环境中使用。它的视场较窄，在 放置时余地更多，因此安装也更灵活。 要获得更窄的视场，请使用FOV为5:1的 OS36-5。

IRt/c在波峰焊接中控制印刷电路板预热

IRt/c是解决PC板预热的加热器恰当控制 问题的理想方案。这两者结合使用效果 非常理想，因为加热和控制均在表面上 发生，这也是焊接必须经过的位置。 IRt/c读数不受加热器反射的影响，因为 6-14微米IRt/c镜头的光谱响应可过滤掉 辐射加热器能量任何较短的波长。

对于这种应用，IRt/c可安装至真空成型/热成型（上文）。

感应加热控制

感应加热流程可由部件的温度控制，而 测量由IRt/c非接触式红外线热电偶进 行。在安装中应注意几个问题。

1. 电场对IRt/c的影响：测量信号与外 壳电气隔离，IRt/c将在非常强的电场中 工作。防护屏电线应恰当连接到信号接 地。如果电场中过度加热，则考虑使用 可选的冷却护套，且水源与冷却线圈的 水源应相同
2. 视场：首选方法是在线圈匝数之间或 从线圈末端查看部件。选择最符合要求 的IRt/c机型。
3. 部件温度：OS36-2和OS36-5 机型均 可用来锁定1100˚C (2000˚F)的温度，而 且线性范围都达到260˚C (500˚F)。

沥青温度控制

沥青属性对温度特别敏感，而且在恰当的 温度下使用沥青非常重要，以便发挥其特 性。因此，通常需要执行温度监测，但因 为材料的磨蚀性原因常用的热电偶存在严 重的破损问题，而且必须不断更换，从而 抬高成本并导致生产中断。

IRt/c可直接解决此问题，因为无需接触 即可监测温度。可使用普通的热电偶控 制器，只需在必要时校准偏移即可。推 荐OS36-2和OS36-5机型，因为他们有 内置空气净化系统，可防止蒸汽凝结在 镜头上、确保镜头干净。OS36-2可安 装在斜槽内通过小孔查看沥青，OS36-5 由于其较窄的5:1视场可安装在较远的 位置。

经Exergen Corporation许可转载。