红外测温的发射率与视场误差

一个很确定的数字，可能差着一百多度 · 仪表典型失效模式 · 温度

一段新投用的不锈钢管线，外表还很亮。巡检用点温枪打了一下管壁：六十九度。数字很干脆，小数点后还有一位。记录本上写：正常。

这条线的工艺要求是介质温度不超过一百八十度，超过了下游的催化剂会失活。六十九度距离这个限值还很远，没有人多想。

管壁的真实温度是两百度。

没有人摸过它——两百度的管子谁也不会去摸，而带保温之前它看起来和常温管道没有区别。那个数字是当时唯一的判断依据。

红外测温有一个别的仪表都没有的特点：它从不拒绝回答。热电偶断了会上超量程，变送器坏了会跑到 4 mA 以下，而红外测温仪无论你对着什么、怎么设置，都会给出一个稳定的、有小数点的、看起来完全可信的数字。

它不会告诉你这个数字是怎么来的，

也不会告诉你它跟温度有没有关系。

· · ·

01

仪器测的不是温度，是辐射

红外测温仪的探测器接收到的能量，对于不透明的表面来说由两部分组成：目标自身发射的辐射，加上目标表面反射的环境辐射。

目标自身发射的那部分，正比于发射率 ε；反射的那部分，正比于 1 减去 ε。发射率高的表面，自己发得多、反射得少；发射率低的表面反过来——抛光金属的 ε 常在 0.1 到 0.2 之间，也就是说，仪器收到的能量里有八成以上根本不是这个表面发出来的，而是它像镜子一样反射的周围环境。

仪器把收到的总能量，按你设定的发射率反推成一个温度。所以设定值错了，答案就错了；而仪器没有任何办法知道你设错了。

按 8 到 14 微米波段算一组具体的数。目标是一块两百度的抛光不锈钢，真实发射率 0.15，环境二十五度：

图 1　同一个表面在三种设置下的读数。按普朗克定律在 8–14 μm 波段积分计算，设表面在该波段内为灰体、环境为 25 ℃ 的均匀漫射背景

第一根柱是最常见的情形：仪器出厂默认发射率 0.95，直接对着钢管打——读数六十九度，偏低一百三十一度。开头那个场景就是这么来的。

第二根柱值得多看一眼。这次把发射率正确设成了 0.15，但没有设定环境温度、没有做反射补偿。读数变成三百二十六度，偏高一百二十六度。

换句话说，只把发射率改对，误差只是换了个方向，绝对值几乎没变小。原因不难理解：低发射率意味着仪器收到的能量里大部分来自反射，你告诉它要除以 0.15，它就老老实实把那部分反射能量也放大了六倍多。

只有第三种做法是对的——发射率设对，同时把环境温度告诉仪器，让它先扣掉反射的那一份，再除以发射率。

▍这里要区分两类仪器

中间那根柱对应的是一类很具体的情形：仪器只有发射率一个可调参数，根本没有地方输入环境温度。多数低价位手持点温枪就是这样，它的算法就是把接收到的能量直接除以设定发射率。使用者知道要改发射率，改完之后误差反而更大，问题出在仪器能力上，不在使用者身上。

热像仪通常提供反射温度这个参数，默认值一般取常温。有意思的是，在发射率被错设成 0.95 的情况下，这两类仪器给出的结果几乎一样——按同样条件计算，一个是六十九度，一个是六十六度。因为发射率设成 0.95 时，反射补偿项本来就只占百分之五，补不补偿差别很小。

反射补偿真正起决定作用的时刻，恰恰是发射率被设成低值以后。这也解释了为什么发射率和环境温度必须成对处理：单独把发射率调低，等于放大了一个没有被扣除的反射项。

把发射率改对而不补偿反射，

误差只是换了个方向。

· · ·

02

常见表面落在这条曲线的什么位置

把发射率从低到高扫一遍，读数的变化不是线性的：越往低发射率一侧走，同样一点发射率偏差带来的温度误差越大。

图 2　仪器发射率固定在 0.95 时，读数随表面真实发射率的变化（目标 200 ℃，环境 25 ℃）。曲线为理论计算而非实测，前提见正文第 03 节

几个位置值得记住。氧化的碳钢管道，发射率通常在 0.8 上下，用默认设置测出来大约一百八十一度，偏差二十度左右——不算好，但至少还在能用的范围里。这也是很多人觉得点温枪挺准的原因：他们平时测的就是这类表面。

抛光不锈钢在 0.15 附近，读数六十九度。保温层外面的铝皮更极端，发射率可能只有 0.05 到 0.1，读数掉到五十度以下——对着保温管道打一枪，测到的基本上是周围环境，跟管内介质没什么关系。

还有几种情况会让事情更糟：

最后一条尤其重要。红外测温真正可靠的用法，是比较——同一批设备之间比、同一台设备的历史数据之间比、管道上下游之间比。这些比较里，发射率的影响在很大程度上被抵消了。

· · ·

03

这条曲线成立的前提

上面那条曲线是算出来的，不是测出来的。用的是普朗克定律在 8 到 14 微米波段内的积分，理论本身没有争议，但它带着三个假设，其中一个在现场经常不成立。

假设一：表面在该波段内是灰体。即发射率不随波长变化。金属其实不满足这一点，它的发射率随波长上升而下降。所以换一台工作在 3 到 5 微米的中波仪器，同样条件下读数会变成一百零七度，而不是六十九度。方向一致，数值不同。

假设二：发射率取值准确。这是最大的不确定来源。抛光不锈钢的文献值散布在 0.05 到 0.25 之间，取决于粗糙度、氧化程度和清洁度。按这个范围算，读数落在四十三度到九十一度之间——具体数字不确定，但严重偏低这个结论不受影响。

假设三：环境是均匀的、比目标冷的背景。这一条最容易被打破，而且一旦打破，结论会反过来。

光亮金属对红外是接近镜面的反射，不是漫反射。这意味着它反射进仪器的，不是周围环境的平均值，而是某个特定方向上的那个物体——可能是天花板，也可能是旁边的加热炉。

按同样条件算一组数：如果仪器视野里有百分之十的部分反射的是一面四百度的炉壁，读数从六十九度跳到一百二十度；百分之二十，跳到一百六十一度；百分之四十，读数变成二百二十九度，反而高过了真实的两百度。

所以在加热炉、火炬、蒸汽管道附近测光亮金属表面，误差方向是不确定的。移动一下站位，读数可能变化几十度——这本身就是一个有用的判断方法：如果换个角度读数明显变了，说明反射在起主导作用，这个数不能用。

读数随站位而变，

说明你测的是反射，不是温度。

· · ·

04

第二个坑：目标没填满测量斑

即使发射率完全设对，还有一个几何问题。

测温仪有一个距离系数，通常写成 D:S，比如 30:1，意思是在三十米处测量斑的直径是一米。距离越远，斑越大。如果目标比测量斑小，仪器读到的就是目标和背景按面积加权的混合结果。

图 3　目标充满度对读数的影响（目标 200 ℃、背景 25 ℃，发射率已正确设定）

右图的数字很说明问题。目标直径是测量斑的百分之七十时，读数已经掉到一百二十九度；只有一半时，读数是八十六度。而在现场，站在三米外用一台 12:1 的点温枪测一根 DN50 的管子，测量斑直径二百五十毫米，管子外径连保温才一百六十毫米——正好落在这个区间里。

经验做法是让目标至少占到测量斑直径的两倍以上，也就是走近一点、或者换一台距离系数更大的仪器。热像仪同理：单个像素对应的瞬时视场往往不足以做准确测温，通常需要目标覆盖三乘三个像素以上才可靠。

视场误差的性质是让读数偏向背景。当背景比目标冷时它与发射率误差方向一致，两者叠加不会互相抵消；而当视野里有更热的物体时，两个误差都会转为偏高。共同点是：它们都让读数偏离真值，而仪器对此没有任何提示。

· · ·

05

回到阀门内漏诊断

用热成像查阀门内漏，是一个很实用的手段：关闭状态下若有内漏，阀后管壁会因节流后的流体而出现温度梯度。但这个应用恰好把上面两个问题都占全了。

阀体和管道往往一段保温、一段裸露，材质有铸钢、不锈钢、堆焊层，氧化程度各不相同——同一个画面里发射率可能横跨 0.1 到 0.9。如果直接读绝对温度，得到的是一张关于表面状态的图，而不是关于温度的图。

正确的做法是把它当成对比工具用：看阀前阀后有没有出现本不该有的梯度，看同一排并联阀里有没有哪一台明显不同，看同一台阀在关闭前后的变化。这些判断依赖的是温度分布的形状，而不是某一点的绝对数值。

真的需要绝对温度时，就在关键位置贴一小块高发射率胶带，等它与表面温度平衡后再测那一小块。

· · ·

06

能做什么

把发射率和环境温度当成一对参数。只设其中一个，误差可能比什么都不设更大。ASTM E1862 给出了反射温度的测量与补偿方法，E1933 给出了发射率的现场确定方法，两者要配合使用。

在需要绝对数值的位置做永久标记。高发射率胶带或一小块黑色无光泽涂层，成本极低，把这个测点从不可测变成可测。对于长期跟踪的测点尤其值得。

记住距离系数，走近一点。测小目标、细管道、电气接头之前，先算一下这个距离上的测量斑有多大。多数情况下往前走两步，比调任何参数都管用。

换个站位再打一次。对光亮金属表面，这是判断反射是否主导的最快方法。两个角度读数接近，说明反射影响有限；差出几十度，说明这个数不能用，需要贴胶带或改用接触式测量。

把红外数据定位成筛查，不是计量。ISO 18434-1 对红外热像的检测程序有系统规定。它擅长的是快速找出异常位置和异常趋势；需要准确温度的地方，仍然应当用接触式测量确认。

红外测温从不拒绝回答。

所以判断答案有没有意义，是使用者的事。

· · ·

▽ 参考资料（5 项）

· ASTM E1862　用红外成像辐射计测量与补偿反射温度的标准试验方法

· ASTM E1933　用红外成像辐射计测量与补偿发射率的标准操作规程

· ASTM E1897　用红外成像辐射计测量与补偿衰减介质透过率的标准试验方法

· ISO 18434-1　机器状态监测与诊断 热成像 第1部分：通用程序

· GB/T 19870　工业检测型红外热像仪