Bộ Đo Nhiệt Bằng Tia: Cảm Biến Nhiệt Không Tiếp Xúc

Đồng hồ nhiệt bức xạ là thiết bị đo nhiệt độ của vật thể ở xa bằng cách phát hiện bức xạ nhiệt mà nó phát ra. Loại cảm biến nhiệt độ này không cần phải tiếp xúc với vật thể hoặc ở trong liên hệ nhiệt với nó, khác với các loại nhiệt kế khác như cặp nhiệt điện và cảm biến nhiệt độ kháng cự (RTDs). Đồng hồ nhiệt bức xạ chủ yếu được sử dụng để đo nhiệt độ cao trên 750°C, nơi mà việc tiếp xúc vật lý với vật thể nóng không khả thi hoặc không mong muốn.

Điều gì là một Đồng hồ nhiệt bức xạ?

Đồng hồ nhiệt bức xạ được định nghĩa là cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc, đo nhiệt độ của vật thể bằng cách phát hiện bức xạ nhiệt tự nhiên mà nó phát ra. Bức xạ nhiệt hoặc cường độ bức xạ của vật thể phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số phát xạ, đó là một thước đo về mức độ nó phát ra nhiệt so với một vật đen hoàn hảo. Theo định luật Stefan-Boltzmann, tổng bức xạ nhiệt phát ra bởi một vật thể có thể được tính bằng:

Trong đó,

• Q là bức xạ nhiệt trong W/m$^2$

• ϵ là hệ số phát xạ của vật thể (0 < ϵ < 1)

• σ là hằng số Stefan-Boltzmann trong W/m$2$K$4$

• T là nhiệt độ tuyệt đối trong Kelvin

Đồng hồ nhiệt bức xạ bao gồm ba thành phần chính:

• Một thấu kính hoặc gương thu thập và tập trung bức xạ nhiệt từ vật thể lên một phần tử nhận.

• Phần tử nhận chuyển đổi bức xạ nhiệt thành tín hiệu điện. Điều này có thể là đồng hồ nhiệt độ kháng cự, cặp nhiệt điện, hoặc cảm biến quang.

• Công cụ ghi hiển thị hoặc ghi lại kết quả đo nhiệt độ dựa trên tín hiệu điện. Điều này có thể là voltmeter mili, galvanometer, hoặc màn hình kỹ thuật số.

Các loại Đồng hồ nhiệt bức xạ

Có hai loại chính của đồng hồ nhiệt bức xạ: loại tiêu cự cố định và loại tiêu cự biến đổi.

Loại Đồng hồ nhiệt bức xạ tiêu cự cố định

Đồng hồ nhiệt bức xạ tiêu cự cố định có một ống dài với một lỗ hẹp ở đầu trước và một gương lõm ở đầu sau.

Một cặp nhiệt điện nhạy được đặt ở phía trước gương lõm ở khoảng cách phù hợp, sao cho bức xạ nhiệt từ vật thể được phản xạ bởi gương và tập trung vào nút nóng của cặp nhiệt điện. Điện áp sinh ra trong cặp nhiệt điện sau đó được đo bằng voltmeter mili hoặc galvanometer, có thể được hiệu chỉnh trực tiếp với nhiệt độ. Ưu điểm của loại đồng hồ nhiệt này là không cần điều chỉnh cho các khoảng cách khác nhau giữa vật thể và công cụ, vì gương luôn tập trung bức xạ lên cặp nhiệt điện. Tuy nhiên, loại đồng hồ nhiệt này có phạm vi đo hạn chế và có thể bị ảnh hưởng bởi bụi hoặc bẩn trên gương hoặc thấu kính.

Loại Đồng hồ nhiệt bức xạ tiêu cự biến đổi

Đồng hồ nhiệt bức xạ tiêu cự biến đổi có một gương lõm điều chỉnh được làm bằng thép bóng.

Bức xạ nhiệt từ vật thể được thu nhận đầu tiên bởi gương và sau đó được phản xạ lên một nút nhiệt màu đen bao gồm một đĩa đồng hoặc bạc nhỏ, nơi các dây tạo thành nút được hàn. Hình ảnh nhìn thấy của vật thể có thể được nhìn thấy trên đĩa thông qua một ống kính và một lỗ ở giữa gương chính. Vị trí của gương chính được điều chỉnh cho đến khi tiêu cự trùng với đĩa. Sự gia nhiệt của nút nhiệt do hình ảnh nhiệt trên đĩa tạo ra điện áp được đo bằng voltmeter mili hoặc galvanometer. Ưu điểm của loại đồng hồ nhiệt này là có thể đo nhiệt độ trong phạm vi rộng và cũng có thể đo tia vô hình từ bức xạ. Tuy nhiên, loại đồng hồ nhiệt này yêu cầu điều chỉnh và căn chỉnh cẩn thận để có kết quả chính xác.

Ưu điểm và Nhược điểm của Đồng hồ nhiệt bức xạ

Đồng hồ nhiệt bức xạ có một số ưu điểm và nhược điểm so với các loại cảm biến nhiệt độ khác.

Một số ưu điểm là:

• Chúng có thể đo nhiệt độ cao trên 600°C, nơi mà các cảm biến khác có thể tan chảy hoặc bị hỏng.

• Chúng không cần tiếp xúc vật lý với vật thể, điều này tránh được sự ô nhiễm, ăn mòn, hoặc can thiệp.

• Chúng có tốc độ phản hồi nhanh và đầu ra cao.

• Chúng ít bị ảnh hưởng bởi khí quyển ăn mòn hoặc trường điện từ.

Một số nhược điểm là:

• Chúng có thang đo phi tuyến và có thể có lỗi do biến đổi hệ số phát xạ, khí hoặc hơi nước can thiệp, thay đổi nhiệt độ môi trường, hoặc bụi trên các thành phần quang học.

• Chúng yêu cầu hiệu chuẩn và bảo dưỡng để có kết quả chính xác.

• Chúng có thể đắt tiền và phức tạp để vận hành.

Ứng dụng của Đồng hồ nhiệt bức xạ

Đồng hồ nhiệt bức xạ được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp nơi có nhiệt độ cao hoặc nơi mà việc tiếp xúc vật lý với vật thể không khả thi hoặc không mong muốn.

Một số ví dụ là:

• Đo nhiệt độ của lò, nồi hơi, lò nung, lò sưởi, v.v.

• Đo nhiệt độ của kim loại lỏng, thủy tinh, gốm, v.v.

• Đo nhiệt độ của ngọn lửa, plasma, laser, v.v.

• Đo nhiệt độ của các vật thể di chuyển như con lăn, băng tải, dây, v.v.

• Đo nhiệt độ trung bình của các bề mặt lớn như tường, mái nhà, ống, v.v.

Kết luận

Đồng hồ nhiệt bức xạ là thiết bị đo nhiệt độ của vật thể ở xa bằng cách phát hiện bức xạ nhiệt mà nó phát ra. Loại cảm biến nhiệt độ này không cần phải tiếp xúc với vật thể hoặc ở trong liên hệ nhiệt với nó, khác với các loại nhiệt kế khác như cặp nhiệt điện và cảm biến nhiệt độ kháng cự (RTDs). Đồng hồ nhiệt bức xạ chủ yếu được sử dụng để đo nhiệt độ cao trên 750°C, nơi mà việc tiếp xúc vật lý với vật thể nóng không khả thi hoặc không mong muốn.