CN105716723B - 提高工业现场热像仪测温精度的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高工业现场热像仪测温精度的装置与方法。分为顶层和底层两层，底层是主要由嵌有铂电阻的导热铝片制成的贴片式温度传感器，顶层是在底层上均匀喷涂涂层；导热铝片为圆环形，导热铝片上沿外圆周间隔均布地开有四个通槽，每个通槽均安装有铂电阻，四个铂电阻两端引出连接线外接温度仪表；现场使用时，装置作为辐射校准源，调节为涂层发射率误差校准；利用铂电阻和已校准热像仪测量被测物体表面温度计算得到被测物体表面发射率；调节为被测物体表面发射率进行测量。本发明能为工业现场提供便携式热像仪示值误差校准装置，通过测量不同温度范围内被测物体表面发射率，实现现场物体表面红外温度的测量，从而提高工业现场热像仪测温的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及了一种提高热像仪测温精度的装置与方法，具体是涉及了一种提高工业现场热像仪测温精度的装置与方法。
背景技术
根据工业检测型热像仪使用规范中规定热像仪每次使用前需对其进行示值校准。热像仪校准规范(JJF1187-2008)中，通常采用铂电阻温度计、热电偶或辐射温度计作为标准器测量黑体辐射源温度。由于在工业现场校准热像仪需携带多种设备，如标准器、黑体辐射源等，不易操作且对设备性能有损害。
热像仪可以将物体表面热辐射转换成可见图像，并通过对发射率、反射率和透射率等因素进行修正，准确测量物体表面温度和表面温度分布。一般工业检测型热像仪具有修正功能，其中包括物体材料的发射率。由于物体材料的发射率与材料性质及表面状态，尤其是表面温度等因素有关，实际现场测量难度大且金属材料的发射率很低。目前，王则瑶等提出的适用于测量现场物体表面发射率方法(一种物体表面发射率现场校准方法,中国发明专利公开号104006887A，公开日期2014年8月27日)便于携带，但是该方法使用校准标靶表面温度代替被测物体表面真实温度，进而得到被测物体表面发射率；由于热传导中存在热量损耗，两种温度存在误差，所以测得的表面发射率和红外温度并不准确。
发明内容
为了提高工业现场红外测温的精确度，并解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种提高工业现场热像仪测温精度的装置与方法。具体是根据热像仪校准规范(JJF1187-2008)，装置作为辐射校准源，分别利用铂电阻和热像仪获得装置涂层表面接触温度和示值温度，计算出示值误差实现热像仪现场校准；基于红外测温技术原理，装置中的铂电阻作为标准件测量物体表面接触温度，同时配合已校准的热像仪获得被测物体表面的红外辐射温度，通过计算得到不同表面温度下被测物体表面的发射率，调节热像仪发射率为被测物体表面发射率进行物体表面温度测量，从而提高红外测温法在不同工业环境下温度测量的准确性。
为解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一、一种提高工业现场热像仪测温精度的装置：
分为顶层和底层两层，底层是主要由嵌有铂电阻的导热铝片制成的贴片式温度传感器，顶层是在底层上均匀喷涂一层厚度小于50μm的涂层，涂层涂覆在导热铝片和部分铂电阻的表面，从而制作成热像仪校准与发射率装置。
接触式测温元件是A级薄膜铂电阻，其精度是±(0.15+0.002|T|)。
使用的涂料发射率已知且大于0.95，涂料发射率随温度变化幅度在±5％。
所述的导热铝片为圆环形，圆环形中间为圆形中心孔，导热铝片边缘沿圆周间隔均布地开有四个用于放置铂电阻的通槽，每个通槽均安装有铂电阻，每个铂电阻的两端引出通过连接线外接温度仪表。
所述的铂电阻分两面，薄膜表面和陶瓷表面，薄膜表面为测量面，四个铂电阻以其中对称的两个为一组分为两组，两组铂电阻的安装面方向相反，其中相对称的两个铂电阻的薄膜表面与现场待测物体表面接触，另外相对称的两个铂电阻的薄膜表面朝向导热铝片的一侧并涂覆有涂层。
所述的涂层喷涂于贴片式温度传感器的一侧，贴片式温度传感器的另一侧通过耐热硅胶紧贴于工业现场被测物体表面。
还包括温度仪表和朝向工业现场被测物体表面的热像仪，铂电阻连接到温度仪表进行温度显示。
所述的导热铝片与铂电阻的厚度相同。
装置的整个厚度是铝片的厚度加上涂层的厚度，总厚度不超过0.45mm。
二、一种提高工业现场热像仪测温精度的方法，其步骤如下：
Step1：以所述装置作为辐射校准源，对热像仪进行现场示值误差校准；
Step1.1：现场校准热像仪时，将所述装置用耐热硅胶紧贴于现场被测物体表面，将所述装置的连接线与温度仪表连接，其中相对称的两个铂电阻测量获得涂层表面的接触温度测量值，通过温度仪表进行温度显示；
Step1.2：将被校热像仪的发射率调为已知涂层发射率，被校热像仪对准装置涂层，获得装置表面上涂层的示值温度；
Step1.3：在热像仪的量程中选取3-4个校准温度点，在每个校准温度点，重复上述步骤Step1.1和Step1.2进行不少于四次测量，同时记录每次测量的涂层表面的接触温度测量值tci,j、被校热像仪示值温度tri,j，再分别采用以下公式计算涂层表面接触温度平均值tci和被校热像仪示值平均值tri：
式中：tci,j——在第i个校准温度点，涂层表面的第j个接触温度测量值；
mi——在第i个校准温度点的测量次数，mi≥4。
式中：tri,j——在第i个校准温度点，被校准热像仪的第j个示值；
Step1.4：再计算获得第i个校准温度点被校准热像仪示值误差Δti：
Δtri＝tri-tci(i＝1,2,...,n)
Step1.5：根据被校准热像仪示值误差Δti对热像仪进行校准。
Step2：现场测量物体表面发射率，将校准后的热像仪镜头对准装置的圆形中心孔，获得被测物体表面的红外辐射温度，同时通过其中相对称的两个铂电阻测量获得物体表面接触温度；
Step3：在待测物体表面进行多次测量，测量时，记录物体表面接触温度toi、被测物体表面的红外辐射温度t′ri和现场环境温度tu，采用以下公式计算得到被测物体表面发射率ε′：
式中：n为红外探测器系数，n的取值根据热像仪探测器的不同取值不同，w表示测量的总次数。
Step4：调节热像仪发射率为被测物体表面发射率，对被测物体表面温度进行温度测量。
本发明具有的有益效果是：
本发明能够对工业现场对热像仪进行示值误差校准，通过获取现场被测物体表面发射率提高被测物体表面红外测温的精度，具有携带方便、操作简单、精度较高等优点，且装置的设计实现了两种测温方法在时域和空间域上的统一，具有一定的普适性。
本发明所述装置使现场的被测物体表面与装置在同一背景同一平面，使得环境因素和系统噪声对测温物体表面和装置的影响相同。
本发明能够在工业现场通过校准热像仪，测量在不同温度范围内物体表面发射率，修正热像仪发射率参数，得到相对准确的红外温度，从而提高红外测温精度。
附图说明
图1是本发明装置的底层结构正视图；
图2是本发明装置的正面示意图；
图3是本发明装置完整的使用示意图。
图中：1、导热铝片；2、通槽；3、圆形中心孔；7、铂电阻；8、连接线；9、涂层；10、装置；11、热像仪；12、被测物体表面；14、温度二次仪表。
具体实施方式
下面结合附图和实施例子对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明装置10分为顶层和底层两层，主要由嵌有薄膜铂电阻7的导热铝片1制成的贴片式温度传感器作为底层，导热铝片1与铂电阻7的厚度相同，在底层上均匀喷涂一层厚度小于50μm的涂层9作为顶层，如图2所示，涂层不覆盖I号和III号两个铂电阻7，从而制作成热像仪校准与发射率装置。
本发明还包括温度仪表14和朝向工业现场被测物体表面12的热像仪11，铂电阻7连接到温度仪表进行温度显示。
导热铝片1为圆环形，导热铝片1上沿外圆周间隔均布地开有四个用于放置铂电阻7的通槽2，每个通槽2均安装有铂电阻7，通槽尺寸与铂电阻7的尺寸相同，四个铂电阻7两端引出连接线8外接温度仪表用于显示接触式测量温度。铂电阻7分两面，薄膜表面和陶瓷表面，薄膜表面是测量面。安装铂电阻7时，II号和IV号铂电阻薄膜表面与涂层接触，如图2所示，测量涂层表面温度；I号和III号铂电阻与现场待测物体表面接触，测量待测物体表面温度。
如图1所示，涂层9喷涂于贴片式温度传感器的一侧，贴片式温度传感器的另一侧通过耐热硅胶紧贴于工业现场被测物体表面。使用的涂料发射率已知且大于0.95，涂料发射率随温度变化幅度在±5％。
本发明装置的整个厚度是铝片的厚度加上涂层的厚度，总厚度不超过0.45mm。
本发明的具体实施例及其实施工作过程如下：
首先，采用激光切割技术，按照设计图纸完成贴片式温度传感器的制作，外观是直径2cm，内径是1cm的圆环形铝片，在铝片上沿外圆周开4个2.2mm×2.7mm的通槽用于放置薄膜铂电阻，薄膜铂电阻的厚度与导热铝片的厚度相同，薄膜铂电阻的长2.5mm和宽2.0mm，实施中铂电阻的测温范围在-50℃～400℃，测温误差为±(0.15+0.002|T|)。
将四个铂电阻两端的连接线外接温度仪表，待完成后在基底表面均匀喷涂一层厚度小于50μm的涂料，制作成热像仪校准与发射率装置，装置整个厚度小于0.45mm。
在使用所述装置10时，将装置10的连接线8两端与温度仪表14连接并打开。然后将耐热硅胶涂抹于装置10未喷涂涂料一侧，并将其紧密贴于现场被测物体表面12。
工业现场校准热像仪11时，装置10作为辐射校准源，将热像仪11的发射率调为已知涂层9涂料发射率并对准装置涂层9，获得装置10表面涂层9上的示值温度，同时装置10上覆盖涂层的铂电阻7，I号和IV号测量涂,9表面接触温度。根据热像仪校准规范(JJF1187-2008)，计算出示值误差；
使用已校准的热像仪11，将热像仪11的发射率调为1，镜头对准装置的圆形中心孔内3，获得被测物体表面11红外辐射温度；同时，I号和III号铂电阻测量获得物体表面接触温度；使用室内温度计对环境温度进行测量，获得环境温度。利用上述步骤获得的环境温度、物体表面辐射温度及物体表面接触温度计算得到被测物体表面发射率。
通过获取现场被测物体表面的发射率，调节热像仪11发射率可得到相对准确的红外温度，在后续的温度测量中可直接使用已校准的热像仪得到表面温度。
实施例如下：
本发明使用Fluke Ti25热像仪和数显恒温加热平台作为试验对象，对间隔一段时间未使用的Fluke Ti25热像仪进行示值误差校准，并测量恒温加热平台表面在不同温度范围内的发射率。本发明使用的涂层涂料是保赐利耐高温自动喷漆，型号是B-1939，发射率为0.97，颜色黑色，耐温550℃,具有速干性和良好密实性。
Fluke Ti25热像仪，测温范围-20℃-350℃，准确度±2％，有发射率修正功能，热灵敏度小于0.1℃。
数显恒温加热平台温度能在0℃-400℃内自动调节温度，其控制方式是智能温控表加快速反应固态系统，使用环境温度在-15℃-60℃内，使用环境湿度在50-85％RH内，控温精度±0.8℃，平台尺寸400mm*300mm*20mm，设备功率800W；恒温加热平台表面是抛光光滑铝制材料，其发射率极低，小于0.2。
现场校准Fluke Ti25热像仪11，将热像仪置于点温度测量模式，发射率调为0.97，热像仪当前量程在30℃-150℃，选择校准温度点为30℃、75℃和150℃。将装置10紧贴恒温加热平台表面12，并与温度仪表14连接。在每个校准温度点，进行不少于4次测量。测量时，记录铂电阻7测量涂层表面接触温度值和被校热像仪示值。接触温度值tc5为：30.1℃、30.0℃、30.1℃、30.2℃、30.1℃；75.1℃、75.2℃、75.0℃、74.9℃、74.9℃；150.2℃、150.0℃、149.9℃、149.9℃、150.1℃；被校热像仪示值tr5为：31.4℃、31.2℃、31.2℃、31.3℃、31.3℃；76.5℃、76.4℃、76.5℃、76.4℃、76.3℃；149.6℃、149.7℃、149.6℃、149.6℃、149.7℃；各计算出平均值为：tc＝30.1℃、75.02℃、150.02℃；tr＝31.28℃、76.42℃、149.64℃；因此，在三个被校温度点，热像仪的示值误差分别为1.18℃、1.4℃、-0.38℃。
现场测量恒温加热平台表面在不同温度范围内的发射率，在30℃-90℃、90℃-150℃两个温度区间选取2个温度点60℃和120℃作为发射率测量点。将装置10紧贴恒温加热平台表面12，并与温度仪表14连接，设定恒温加热平台温度先后分别为60℃和120℃。使用已校准的FLUKE Ti25热像仪11对准测量装置圆形中心孔3内恒温加热平台表面，获得恒温加热平台表面红外辐射温度t′r5为48.8℃、49.1℃，48.9℃、49.1℃、49.0℃；87.3℃、87.4℃、87.2℃、87.1℃、87.3℃；以及获得铂电阻7测量恒温加热平台表面接触温度to5为61.5℃、61.4℃、61.6℃、61.4℃、61.3℃；118.6℃、118.7℃、118.5℃、118.8℃、118.6℃；各计算出平均值为t′r＝48.98℃、87.26℃；to＝61.44℃、118.64℃。使用室内温度计测得环境温度tu为14.3℃，利用环境温度、恒温加热平台表面接触温度及红外辐射温度计算得到恒温加热平台表面在不同温度范围内的发射率。
对FLUKE Ti25热像仪，n值为5.33。
当t′r＝48.98℃、to＝61.44℃，ε′＝0.2984；
当t′r＝87.26℃、to＝118.64℃，ε′＝0.1945。
调节热像仪的发射率分别为0.2984和0.1945，测量恒温加热平台表面温度分别为58.37和114.23，由此提高了红外测温精度。
由此，本发明实现了在工业现场对热像仪的初始校准和现场被测物体表面发射率的测量，具有携带方便、操作简单、精度较高等优点，且装置的设计实现了两种测温方法在时域和空间域上的统一，具有一定的普适性。
本发明能够在工业现场通过校准热像仪，测量在不同温度范围内物体表面发射率，修正热像仪发射率参数，得到相对准确的红外温度，从而提高红外测温精度。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种提高工业现场热像仪测温精度的装置，其特征在于：分为顶层和底层两层，底层是主要由嵌有铂电阻(7)的导热铝片(1)制成的贴片式温度传感器，顶层是在底层上均匀喷涂一层厚度小于50μm的涂层(9)，涂层(9)涂覆在导热铝片(1)和部分铂电阻(7)的表面；
所述的导热铝片(1)为圆环形，导热铝片(1)边缘沿圆周间隔均布地开有四个用于放置铂电阻(7)的通槽(2)，每个通槽(2)均安装有铂电阻(7)，每个铂电阻(7)的两端引出通过连接线(8)外接温度仪表。
2.根据权利要求1所述的一种提高工业现场热像仪测温精度的装置，其特征在于：
所述的铂电阻(7)其中相对称的两个铂电阻(7)的薄膜表面与现场待测物体表面接触，另外相对称的两个铂电阻(7)的薄膜表面朝向导热铝片(1)的一侧并涂覆有涂层(9)。
3.根据权利要求1所述的一种提高工业现场热像仪测温精度的装置，其特征在于：所述的涂层(9)涂料发射率已知且随温度变化幅度在±5％，将其喷涂于贴片式温度传感器的一侧，贴片式温度传感器的另一侧通过耐热硅胶紧贴于工业现场被测物体表面(12)。
4.根据权利要求3所述的一种提高工业现场热像仪测温精度的装置，其特征在于：还包括温度仪表(14)和朝向工业现场被测物体表面(12)的热像仪(11)，四个铂电阻(7)两端分别连接到温度仪表(14)进行温度显示。
5.根据权利要求1所述的一种提高工业现场热像仪测温精度的装置，其特征在于：所述的导热铝片(1)与铂电阻(7)的厚度相同。
6.一种提高工业现场热像仪测温精度的方法，采用权利要求1-5任一所述装置，其步骤如下：
步骤Step1：以所述装置作为辐射校准源，对热像仪进行现场示值误差校准；
步骤Step2：现场测量物体表面发射率，将示值误差校准后的热像仪镜头对准装置的圆形中心孔(3)，获得被测物体表面的红外辐射温度，同时通过其中相对称的两个铂电阻(7)测量获得物体表面接触温度；
步骤Step3：在待测物体表面进行多次测量，测量时，记录物体表面接触温度toi、被测物体表面的红外辐射温度tr′i和现场环境温度tu，采用以下公式计算得到被测物体表面发射率ε′：
式中：n为红外探测器系数，n的取值根据热像仪探测器的不同取值不同，w表示测量的总次数；
步骤Step4：调节热像仪发射率为被测物体表面发射率，对被测物体表面温度进行温度测量。
7.根据权利要求6所述的一种提高工业现场热像仪测温精度的方法，其特征在于：所述步骤Step1具体为：
步骤Step1.1：现场校准热像仪示值误差时，将所述装置用耐热硅胶紧贴于现场被测物体表面，将所述装置的连接线(8)与温度仪表连接，其中相对称的两个铂电阻(7)测量获得涂层表面的接触温度测量值，通过温度仪表进行温度显示；
步骤Step1.2：将被校热像仪的发射率调为已知涂层发射率，被校热像仪对准装置涂层(9)，获得装置表面上涂层(9)的示值温度；
步骤Step1.3：在热像仪的量程中选取3-4个校准温度点，在每个校准温度点，重复上述步骤Step1.1和Step1.2进行不少于四次测量，同时记录每次测量的涂层表面的接触温度测量值tci,j、被校热像仪示值温度tri,j，再分别采用以下公式计算涂层表面接触温度平均值tci和被校热像仪示值平均值tri：
式中：tci,j——在第i个校准温度点，涂层表面的第j个接触温度测量值；
mi——在第i个校准温度点的测量次数，mi≥4；
式中：tri,j——在第i个校准温度点，被校准热像仪的第j个示值；
步骤Step1.4：再计算获得第i个校准温度点被校准热像仪示值误差△ti：
△tri＝tri-tci(i＝1,2,...,n)
步骤Step1.5：根据被校准热像仪示值误差△ti对热像仪进行校准。
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