+38 (044) 599-10-11 +38 (097) 559-01-01 +38 (095) 559-01-01
Пн–Пт: 09:00–19:00,
Сб, Вс: 11:00–18:00
Офіс: Пн–Пт: 09:30–16:30
На сайті цілодобово
Популярні пости
Як виміряти кислотність грунту - ph землі
Про те як виміряти кислотність грунту, про водневий показник пш, про переваги і недоліки методів визначення PH землі, читайте в нашій статті...
29 Лютого 2016 3348
Застосування і принцип роботи рефрактометра
Розрахувати миттєво концентрацію розчиненої речовини в розчині за допомогою світла, без лабораторного аналізу ? Фантастика !  Розглянемо принцип ...
07 Лютого 2016 1347
Ультразвуковий відлякувач гризунів - беззвучна артилерія проти мишей і крис
Як позбутися від спритних мишей, агресивних щурів, якщо полчища гризунів атакують? Допоможе невидимий, нечутний, але ефективний ультразвук - електронн...
04 Липня 2016 1293

Інфрачервоне випромінювання - пірометри в космосі і на землі

Інфрачервоне випромінювання пронизує неосяжні простори всесвіту, теплове випромінювання, що йде з глибин загадкового космосу, надає вченим найціннішу інформацію про далекі стародавні галактики, а на землі інфрачервоний пірометр дарує нам унікальну можливість виміряти температуру на відстані.

Що таке інфрачервоне випромінювання

Теплове випромінювання у вигляді інфрачервоних променів випускає будь-який об'єкт, з температурою вище абсолютного нуля T=-273°C за рахунок переходів атомів на інші енергетичні рівні, що супроводжується випусканням квантів в ІЧ-діапазоні.
Шкала Кельвина

Цікаво, що саме поняття “температура” для нас, звиклих залежно від держави проживання, вимірювати температуру в градусах Цельсія або Фаренгейта, змушує використовувати протилежні характеристики – “негативна-позитивна”, “холодно-гаряче”.

Наприклад, якщо брати шкалу Цельсія, то наше розуміння на рівні підсвідомості зі шкільної лави і життєвого досвіду спостережень за навколишнім середовищем, прив'язує температуру до точки замерзання води: сніг або дощ, слизький лід або калюжі.

Ми мислимо дуалістичними категоріями або бінарними з точки зору цифрової логіки.

Вчені ж оперують шкалою Кельвіна. У ній немає негативної температури. Є абсолютний нуль і є температура взагалі. Немає від'ємного значення.

Тільки нуль і все що вище - температура.

Не позитивна, не негативна, а просто “температура”.

Всю умовність поняття негативних і позитивних температур в нашій підсвідомості і свідомості розвінчує такий вимірювач температури як пірометр інфрачервоний. Він “не знає” про те, що є холод і жар, і безмовно сканує нагрітий предмет, вловлюючи похідні від нього інфрачервоні промені.

Сам термін “температура” можна визначити як інтенсивність випромінювання теплової енергії. Перекладаючи на наш повсякденний мову, чим більше випромінюється енергії, тим вище температура.

Енергія може передаватися в оптичному, інфрачервоному, ультрафіолетовому, рентгенівському діапазоні - вся лінійка електромагнітних коливань.

Спектр електромагнітного випромінювання

Співвідношення між видами енергій в випромінюючих об'єктах різниться на порядки. І не кожен об'єкт генерує електромагнітні коливання в усьому спектрі.

Наприклад галактичні скупчення випромінюють крім оптичного, також в інфрачервоному і рентгенівському діапазоні, для чого на орбіту виводяться радіотелескопи, а самі скупчення зірок часто так і називають радіогалактиками. Точніше так їх називають, що через значне віддалення через міжзоряного пилу видиме світло “втрачається в дорозі”, а до нас доходить тільки випромінювання в радіо діапазоні і інфрачервоне тепло.

А ось якщо взяти “ненажерливу” з точки зору споживання енергії лампу розжарювання, в світло перетворюється всього 5-10%, а решта енергетична складова є інфрачервоні промені. Це основна причина переходу на світлодіодне освітлення.

Але нас більше цікавить теплове випромінювання і його характеристики.

Як ми відзначили, температура визначається інтенсивністю або щільністю теплового потоку, але також спектром випромінюваної електромагнітної енергії.
Інфрачервоні хвилі розрізняються по довжині і умовно діляться на 3 області:

  • короткохвильові інфрачервоні промені (0,7-1,4 мкм);
  • середньохвильові інфрачервоні хвилі (1,4-3,0 мкм);
  • далеке інфрачервоне випромінювання (3,0мкм-1,0 мм).

Як бачимо, найширша – довгохвильова частина спектра інфрачервоного випромінювання.

Наші "палички і колбочки", перетворюючи видиме світло в електричні імпульси, які передаються по зоровому нерву в мозок, сприймають електромагнітні коливання в діапазоні з ще більш короткою довжиною хвилі, ніж короткохвильові інфрачервоні промені, так що бачити як “Хижак” в однойменному фільмі або Термінатор з нас не вийде.

Може і добре. Інакше ми не змогли б насолодитися безсмертними творіннями художників, або дарувати посмішку коханої людини.

І в першому і в другому випадку, все що ми б побачили - теплове випромінювання в вигляді змащеної плями з градаціями кольоровості. Ніякої романтики…

Властивості інфрачервоного випромінювання

Довжина хвилі розраховується як частка від ділення швидкості світла на частоту коливань атомів речовини.
З ростом температури, частота коливань атомів збільшується, а значить зменшується довжина хвилі інфрачервоного променя.



Джерела інфрачервоного випромінювання випромінюють на одній довжині хвилі, у вигляді смуг з піками або в безперервному спектрі.

Ми розглянули з чого складається повна енергія випромінювання.

При підвищенні температури до декількох сотень градусів збільшується як загальна енергія, так і випромінювання в оптичному або видимому діапазоні. На чому заснована дія яркісного пірометра: порівнюються дві яскравості – еталонної нитки розжарювання і досліджуваного предмета. Знаючи температуру нитки при заданої яскравості, легко вимірюється шукана температура.

При меншій температурі – наприклад 50 або 100 градусів, тіло залишається “темним”, але тільки в оптичному діапазоні, інфрачервоне тепло воно продовжує випускати.

Плутон

Відзначимо, що поняття "теплий" або "холодний" розрізняються на землі і в космосі, про що ми розповімо трохи нижче.

У безповітряному космічному просторі планета, віддалена від сонця вважається більш теплою з температурою поверхні мінус 150°С, ніж планета з показником мінус 200°C.

У земних умовах, крім спеціалізованих кріогенних лабораторій, в кожному з наведених прикладів ми завжди скажемо – “холодно”.

Повернемося знову в земні умови. При температурі в діапазоні орієнтовно вище плюс 500 градусів, можна зробити цікавий експеримент – виміряти температуру двома безконтактними термометрами: радіаційним і яскісним. Перший з пірометрів досліджує теплове випромінювання, вловлюючи інфрачервоні промені на заданій довжині хвилі, а другий – в оптичній, видимій частині спектру.

Тепер перейдемо в область низьких температур.

Цікаво, що досягти температури абсолютного нуля не так просто. Для цього повинен бути об'єкт, охолоджений нижче цієї важливої позначки, від якої стартує температурна шкала Кельвіна, щоб відбирати тепло і охолоджувати на підставі другого закону термодинаміки.

У другому десятилітті 21 століття вдалося досягти дивного показника – вчені охолодили з'єднання з атомів калію і натрію до супер низької температури – всього 5×10-9 K вище абсолютного нуля.

У домашніх умовах і на виробництві з настільки низькими, рекордними значеннями зіткнутися не доведеться можливо ніколи, але заради інтересу виникає питання.

А що ж покаже інфрачервоний термометр, якщо навести лазерний промінь на предмет, охолоджений майже до абсолютного нуля?

інфрачервоний пірометр
Нічого вимірювальний пристрій не покаже – якщо пірометр купити з діапазоном -30°С~+500°С, то як при виході за верхню межу, так і під час заходу в область нереального морозу, а по-іншому і не назвеш “температурні околиці” абсолютного нуля, інфрачервоні термометри "розуміють" це як вихід за межі температурного діапазону.

В принципі, безконтактний термометр з нижньою межею -30 градусів абсолютно "байдужий”, куди спрямований його інфрачервоний погляд – на морозилку з м'ясом глибокої заморозки в -50 градусів або на тіло, охолоджене до абсолютного нуля. Вихід за межі і крапка.

Це перша, банальна причина, пов'язана з невідповідністю паспортних даних.

А про другe ми вже говорили вище – при абсолютному нулі, теплове або інфрачервоне випромінювання теж обнуляється – атоми не вагаються, не переходять на енергетичні рівні. Абсолютний спокій.

Хоча квантова теорія не зовсім поділяє цю точку зору, вводячи поняття так званих нульових вібрацій, але нас більше цікавить факт наявності або відсутності інфрачервоних променів причому в діапазоні, ближчому до реальних виробничих або побутових завданням.

А вони в значній мірі пов'язані з вимірюванням температури в теплих або гарячих областях.

Верхня межа орієнтована на кілька тисяч градусів – більшість високотемпературних пірометрів розробляються заводом-виробником під межу 3000°С.

Якщо потрібно вище, допоможе яркісний дистанційний термометр, для якого теоретично не існує меж. У всякому разі, точно виміряти температуру в 6000°С, як на поверхні сонця, він здатний.

Такий безконтактний термометр з самого початку орієнтований на вимір високих температур.

Що стосується негативних, за шкалою Цельсія, температур, більшість інфрачервоних термометрів обмежені межею -50°С.
Звичайно, є Антарктида, де температура в 1983 році опустилася до найнижчої точки на Землі -89 градусів, але це швидше виняток і пірометр там навряд чи знадобиться.

Інфрачервоні промені в космосі – космічні пірометри

З оптичним телескопом і підзорної трубою знайомі всі, а от про факт, що інфрачервоні хвилі, що йдуть із глибин всесвіту, давно і успішно використовується для дослідження космічного простору , знають лише шанувальники астрономії.

Перші досліди в цьому напрямку провів ще в середині 18-го століття Чарльс Пиации Сміт, який зареєстрував інфрачервоне тепло нашого супутника – Місяця.

Інфрачервоний телескоп - космічний пірометр

Оптичні телескопи з працею здатні дотягнутися до найвіддаленішої планети сонячної системи – Плутона, перш за все через поглинання міжзоряним воднем і тільки інфрачервоне випромінювання дає рідкісну можливість розшукати в глибинах космосу чорні діри, ядра галактик, екзопланети, зірки, інфрачервоне тепло від деяких з них проходить шлях в мільярди світлових років зі швидкістю світла.

Для виявлення найдавніших галактик, сформованих після Великого вибуху, оптика не допоможе.

Необхідний інфрачервоний телескоп, здатний збирати слабке теплове випромінювання з віддалених куточків простору.

Але провести точне вимірювання температури в астрономічних масштабах не так просто. Витягнути руку, затиснувши інфрачервоний пірометр, не вийде. Потрібна “космічна пірометрія”.

Перш за все, чому інфрачервоний телескоп поміщається на орбіті?

інфрачервоний телескоп


Втім, є і земні інфрачервоні телескопи, але розташовані в гірських масивах на висоті кілька кілометрів над рівнем море з прозорою атмосферою.

Інші телескопи встановлюються на літаках, що піднімаються ще вище.

Всі хитрощі, технологічно реалізовані вельми не просто, підпорядковані єдиній меті – “обійти” вплив атмосфери.

Повітряний океан, блакитним серпанком обволікає нашу рідну планету, створює складний повітряний бар'єр на шляху, не пропускаючи інфрачервоні промені, точніше значно послаблюючи їх.

На землі, інфрачервоний телескоп отримає спотворену змащену картинку через поглинання земною атмосферою частини спектра електромагнітного ІЧ випромінювання і доводиться виводити "космічний пірометр" на орбіту, причому навіть не на навколоземну, а на околосоняшну, розташовуючи в особливих точках, де сонячна радіація не заважає спостереженню.

Інфрачервоний датчик телескопа спільно з системою обробки даних це і є своєрідний “міжгалактичний ІЧ термометр”.

Датчик температури перших моделей телескопів був напрочуд простий і складався з смужки фольги, через яку пропускався електричний струм. Закон Ома працює і тут.

Теплове випромінювання з обраної ділянки, потрапляючи на датчик, нагріває сенсор, змінює опір, а значить змінюються характеристики електричного струму.

Направляючи інфрачервоний датчик на ділянки неба, можна поступово побудувати теплову карту розподілу температури, аналізуючи теплове випромінювання, що йде з космічного простору  віддалених астрономічних об'єктів.

тепловізор для енергоаудиту



В деякій мірі можна сказати, що інфрачервоний телескоп діє як тепловізор для енергоаудиту, формуючи барвисту карту розподілу температур.

Але за уявною простотою, своєрідний космічний інфрачервоний термометр вимагає радикальних і досить складно реалізованих технологічних рішень.

Проблема в тому, що інфрачервоне тепло, що йде через безкрає космічний простір може бути з такою мізерною енергією, що здатне нагріти датчик інфрачервоного випромінювання всього лише до кількох кельвінів! Земні портативні пірометри відпочивають …

І якщо інфрачервоний безконтактний термометр телескопа не остудиnи, то такий потрібний астрономам сигнал буквально потоне в теплових шумах планет, сусідніх галактик і самого телескопа.

Інфрачервоний телескоп Spitzer
Як вирішується це завдання, розглянемо на прикладі інфрачервоного телескопа Spitzer.

Щоб уникнути паразитного теплового випромінювання, і досліджувати електромагнітний спектр в ІЧ діапазоні, інфрачервоний датчик температури охолоджується рідким гелієм майже до мінус 273 (всього +2~+3 градуси за шкалою Кельвіна!).

Без такого “морозу”, інфрачервоний телескоп не виправдає покладених на нього надій і сотень мільйонів доларів платників податків.

До речі на момент запуску, вважалося, що датчик інфрачервоного випромінювання телескопа Spitzer був найхолоднішим об'єктом у Всесвіті! Ось як. Такий колосальний всесвіт, а рекордсмен цілком земний, нехай і високотехнологічний телескоп на орбіті.

Втім, незважаючи на позаземне застосування, характеристики ІЧ телескопа можна зустріти і в паспорті на самий звичайний недорогий інфрачервоний термометр - пірометр.

Перш за все, це діапазон довжин хвиль 3-180 мкм. Як ми бачимо, телескоп – космічний безконтактний термометр проводить вимірювання температури в довгохвильовій частині спектра ІЧ діапазону, вловлюючи далеке інфрачервоне випромінювання.

Чому саме довгохвильові інфрачервоні промені цікавлять астрономів?

Згадаймо ще раз, що чим вище температура, тим більше частота коливань атомів і менше довжина хвилі.

Дальнє інфрачервоне випромінювання в ІЧ телескопі

Для холодних космічних об'єктів, довжини хвиль збільшуються, далеке інфрачервоне випромінювання холодне, і інфрачервоний датчик повинен бути налаштований на довгохвильову частину спектру.

Понад охолоджений датчик інфрачервоного випромінювання надав унікальну можливість відобразити барвисті, гідні пера художника, теплові карти ділянок неба, недоступні астрономам з наземними оптичними телескопами.

Ось одна з картин, отриманих інфрачервоним телескопом Spitzer.

  1. Блакитний колір – спектральна лінія 3,6 мкм.
  2. Зелений колір – 4,5 мкм.
  3. Помаранчевий – 5,8 мкм.

Назва кольорів досить умовні. Астрономічні джерела інфрачервоного випромінювання не мають кольору, а візуальне сприйняття забезпечує цифрова електроніка телескопа, і програми для обробки результатів.

Ми привели це творіння космічного мистецтва, щоб звернути увагу ще на одну важливу характеристику земних ІЧ термометрів – спектральні лінії теплового випромінювання, точніше довжини хвиль, на яких проводить вимірювання температури інфрачервоний пірометр ІЧ телескопа.

Гершель

Цікаво, що один з інфрачервоних телескопів носить ім'я вченого, який знайшов ще два століття тому, при дослідженні властивості спектра електромагнітного випромінювання, що інфрачервоні хвилі здатні нагрівати тіла.

Мова йде про інфрачервоний телескоп Herschel Space Observatory, названий по імені астронома Вільяма Гершеля.

Ми не дарма так багато часу посвітили вивченню космічного інфрачервоних променів.

По-перше, щоб зрозуміти як працює земний термометр інфрачервоний.

По-друге, щоб віддати данину Гершелю, оскільки саме він, астроном, а не фізик, вважається першовідкривачем інфрачервоного випромінювання.

Вчений “розклав” спектр сонячного світла на складові - полички, в залежності від частоти, за допомогою світлофільтрів, що і дозволило йому відкрити інфрачервоні промені.
Біля кожного фільтра був встановлений термометр і виявлено, що поблизу червоної частини спектра, термометр нагрівається найсильніше.

Це і було невидиме інфрачервоне тепло, навколо якого і виросла ціла наука – пірометрія, а з кожним роком інфрачервоні термометри досягають все більше вражаючих характеристик.

З висоти сьогоднішнього науки експеримент здається простим, і при загальному доступі до покупок через інтернет світлофільтрів, термометрів, так практично всього, його цілком можна повторити.

Але для свого часу, відкриття було революційним, хоча до тих пір, поки з'явився перший пірометр, повинні були пройти століття …
Щоб відстежити інфрачервоне тепло, що йде від віддалених космічних об'єктів, інфрачервоний датчик телескопа, повинен розрізняти градації температури в мільйонні частки градуса.
Критично важливо не втратити жоден квант енергії інфрачервоних променів.

Телескоп Джеймс Вебб

За збір теплового випромінювання в телескопі відповідає фокусуюче дзеркало, як лінза у пірометра, з кожним наступним поколінням, все більше збільшуючись в розмірах.

Новітній інфрачервоний телескоп Джеймс Вебб, оснащений дзеркалом розміром в 6 метрів, що збирає інфрачервоне тепло, що йшло до датчика через мільярди світлових років.

Доки не з'явився чутливий інфрачервоний датчик температури, встановлений у фокусі дзеркала телескопа, ІК астрономія була “бідним родичем” оптичної.

Поштовх до розвитку датчиків, як і в багатьох інших галузях, дали військові розробки, і з часом інфрачервоне випромінювання знайшло цілком мирне застосування.

Датчик інфрачервоного випромінювання на боєголовці ракет “повітря-повітря”, що встановлюються на винищувачах, як не можна до речі виявився затребуваним в інфрачервоних телескопах.

Бережіть інфрачервоний пірометр!

Датчик інфрачервоного телескопа, як ми відзначили, охолоджується рідким гелієм для підвищення чутливості.

Але перенесемося спочатку в наші земні умови, а потім вирушимо на одну з планет сонячної системи.

У паспорті на кожний безконтактний термометр вказується гранична температура експлуатації. Зазвичай це +50 або максимум +70 градусів.
Цей показник ніяк не пов'язаний з верхньою температурною межею.

Висока температура на планеті Венера

Припустимо, що ми вирішили провести пірометром вимір температури об'єктів на поверхні Венери.

Цікаво, що теоретично з цим без праці впораються навіть самі бюджетні пірометри. Верхньої межі в 500 градусів буде цілком достатньо.

Та ось тільки навколишнє оточення на Венері для вимірювань температури не лояльне, не комфорте і згубне для приладу …

Практично через порушення умов експлуатації, пірометр інфрачервоний розплавиться за хвилину, ну може бути Ви встигнете розгледіти на дисплеї температуру найближчого розпеченого каменю.

Жарко на Венері. Ось і виходить парадокс, що температурного діапазону досить, але самі ІК термометри надмірного нагрівання не витримають.

Щоб провести вимірювання високих температур, необхідно сам безконтактний термометр “ховати” в морозильну камеру. Втім, як ми покажемо нижче, в земних умовах при контролі металургійних процесів, так і відбувається.

Венера-13

Завершуючи цікаву гіпотетичну тему вимірювання пірометром температури на поверхні іншої планети, відзначимо, що в перший день весни 1982 року міжпланетна станція Венера-13 після успішного приземлення на поверхню, розпечену до 470 градусів, змогла пропрацювати майже дві години (!), пробуривши поверхню, взяла проби, провела спектральний аналіз і відправила результати по радіоканалу на землю.
Все це стало можливим тільки завдяки охолодженню приладового відсіку до мінус 10 градусів.

Інфрачервоне випромінювання і поглинене тепло

Який зв'язок між загибеллю динозаврів, точністю інфрачервоного пірометра і тепловим випромінюванням? На перший погляд здається дивним таке запитання, гідне клубу знавців “Що Де Коли”.

Достовірно судити про те, що сталося 65 мільйонів років тому, коли загинули динозаври, не може ніхто. Але факт, що чільну роль в цьому зіграли інфрачервоні промені, точніше їх відсутність, вчені сумніваються все менше.

Більш того, причина зникнення динозаврів дозволить нам встановити одну зі складових точності безконтактного інфрачервоного термометра.

При зіткненні Чиксулубського астероїда із земною поверхнею в повітря були підняті мільярди тонн пилу.

Розглянемо катастрофічний розвиток в спектральному відношенні. У видимому, оптичному діапазоні настала ніч або вечір.

Інфрачервоне випромінювання затримується пилом в атмосфері

Зважені частинки стали перепоною для сонячних променів, включаючи теплове випромінювання. Що бачили динозаври насправді, вже ніхто не розповість.
Може нічого не бачили, якщо була тьма.
Інфрачервоні спектри дають не найкращу картину.
Інфрачервоні хвилі перестали проникати до поверхні, активно поглинаючись частками в повітрі.
Розпочалося поступове охолодження, зменшення температури, буквально на десятки градусів, що призвело до загибелі динозаврів від холоду – безпосередньо і від зменшеної кількості корму – непрямим чином.
Але залишимо це дослідження палеонтологам. Нас більше цікавить факт, що до землі перестало доходити інфрачервоне випромінювання. Позначився ефект поглинання теплового потоку пилом, сажею, і метеоритною речовиною.

Звернемося ще раз до довжини хвилі і частоті коливань інфрачервоного променя.

  • бліжньохвильове теплове випромінювання (0.7-1.4 мікрона);
  • середньохвильові інфрачервоні промені (1.4-3.0 мікрона);
  • далеке інфрачервоне випромінювання (3.0 мікрона-1.0 мм).

Проаналізуємо розмір часток, які теоретично могли піднятися в повітря 65 мільйонів років тому при зіткненні нашої рідної планети з метеоритом, через що живильне інфрачервоне тепло “загальмувалося”, не діставшись до землі, залишивши на голодному, точніше холодному пайку все живе.

Ну точніше не все, якщо бути справедливим.

Дрібні тварини і комахи вціліли, давши життя нового витку розвитку на Землі. Але зараз не про це.

Земна атмосфера прозора і пропускає інфрачервоне випромінювання в діапазоні від 0,7 до 5 мікрон, що включає інфрачервоні спектри: короткохвильова, середньохвильова частина і частково захоплюється далеке інфрачервоне випромінювання.

Зіставивши довжини хвиль інфрачервоного проміння з розміром зважених часток після катастрофічного зіткнення, отримуємо, що величина кожної частинки порівнянна з довжиною інфрачервоних хвиль у всіх трьох спектрах ІЧ випромінювання, а значить атмосфера стає не прозорою не лише в видимому діапазоні.

Інфрачервоне тепло, що йде від сонця, нагріває пилову суміш з наслідків вибуху, що парить у атмосфері, віддаючи енергію, не доходить у вигляді випромінювання до земної тверді.

Пил впливає на інфрачервоне випромінювання

Швидкість осадження зважених часток в повітрі безпосередньо залежить від:

  • їх розміру;
  • руху повітряних мас;
  • сили земного тяжіння.

Частки розміром:

  1. Великі більше 0,1 мм прагнуть вниз зі швидкістю 50 см/с.
  2. від 1 до 100 мкм осідають зі швидкістю 20 см/с.
  3. Частинки менше 1 мкм можуть взагалі ніколи не осідати, якщо є обурення в атмосфері!

А вони будуть, враховуючи землетруси і урагани.

А пірометри то тут при чому?

На виробництві інфрачервоний термометр, особливо вбудований в конвеєр для безперервного вимірювання температури, знаходиться не в найкращих умовах.

На поширення теплового випромінювання і точність вимірювання температур впливають пил, пар, газоподібні хімічні сполуки, можливо тютюновий дим, якщо робочі звикли більше курити, а не працювати.

Підводячи риску під космічною та палеонтологічною темою, сформулюємо тези для переходу до "земної пірометрії".

  1. Інфрачервоне випромінювання поглинається зваженими частинками.
  2. Втрата енергії теплового випромінювання відбувається в залежності від фракційного складу забруднень в повітрі.
  3. Поглинання інфрачервоного тепла відбувається на різних довжинах хвиль. Чим більше короткохвильове лікування приймається ІЧ датчиком, тим менше перешкоди.
  4. Необхідно виключити паразитний вплив інфрачервоних променів від “сусідніх” джерел ІЧ випромінювання.
  5. В не залежності від температурного діапазону, на який розрахований безконтактний пірометр, слід забезпечити функціонування ІЧ термометра в межах температур експлуатації, передбачених технічними характеристиками.

Інфрачервоне випромінювання на землі і точність пірометра

Інфрачервоні промені за своєю фізичною хвильовою природу в космосі і на землі практично ідентичні, різні тільки джерела ІЧ випромінювання.

У космосі – планети, галактики і комети, на землі – заготовки, напівфабрикати і готові вироби на виробництві або предмети побуту.

Безконтактне вимірювання температури в земних умовах не така просте, як пишуть в статтях: “всі, що Вам потрібно - купити пірометр, направити на ціль, натиснути на курок і отримаєте результат”. Тільки наскільки достовірний?

Якщо провести перевірку контактним термометром, наприклад з термопарою, різниця може бути не допустимо великою.

Облік чинників, що впливають на точність дистанційного вимірювання температури! Ось ключ до достовірності.

Пояснимо на прикладі, навіть поки не переходячи до пірометрії.
Припустимо ми розмістили за вікном на вулиці звичайний вуличний ртутний термометр, призначений для точного вимірювання температури навколишнього повітря. Здавалося б чого простіше?

Навіть в цьому випадку на вимірювальний процес впливають як мінімум три чинники:

  • інфрачервоне тепло від сонячних променів;
  • інфрачервоне випромінювання від скла, якщо термометр розташований недалеко від вікна і перепад температур між повітрям в кімнаті і на вулиці досить великий;
  • пориви вітру, охолоджуючі або такі, що нагрівають термометр.

В ідеалі достовірне значення температури вийде тільки в безвітряну, похмуру погоду і далеко від вікна.

З пірометрами - інфрачервоними термометрами все значно складніше!

Потужність інфрачервоного випромінювання, що виходить від нагрітих тіл, визначається матеріалом виготовлення, методом механічної обробки, і станом поверхні. Як мінімум.

Насправді факторів впливу значно більше.

Цікаво, що температура навколишнього повітря, як не дивно на перший погляд, практично не позначається на результатах вимірювання температури.

Інфрачервоні хвилі безперешкодно проходять через конвекційні природні або штучні теплові потоки, не збільшуючи і не зменшуючи потужність ІК випромінювання. Візьміть собі на замітку!

Але почнемо з коефіцієнта випромінювання.

Для кожного виду матеріалу характерна найважливіша величина, навколо якої зламані тисячі копій, написані сотні оглядів, відгуків і обурення з формулюваннями – “інфрачервоний термометр показує нісенітницю, що Ви мені продали за пірометр?” – коефіцієнт випромінювання.

Інфрачервоні хвилі “примхливі” і вимагають ретельного підходу, як в шахах – чим більше враховувати варіантів розташування фігур противника на дошці, тим вищі шанси на перемогу, а у випадку з безконтактним пірометром – на точне вимірювання температури.

Коефіцієнт теплового випромінювання або ступінь чорноти.

Так зване ідеальне, гіпотетичне чорне тіло має коефіцієнт випромінювання, що дорівнює одиниці.

Всі інші об'єкти матеріального світу відносяться до так званим сірих тіл з коефіцієнтом теплового випромінювання, завжди меншим одиниці.

Візьмемо новий кухонний ніж з полірованим лезом. Коефіцієнт випромінювання леза дуже малий на рівні 0,2-0,3. Про що говорить ця відносна величина?

Це частка від ділення потужності інфрачервоного випромінювання реального об'єкта на аналогічний показник чорного випромінювача.

Спочатку розберемося з поняттям “чорноти”. Відразу відзначимо, що чорний випромінювач або ідеальне чорне тіло не є таким в оптичному діапазоні.

Більш того, будь-які кольорові характеристики об'єкта, яким ми оперуємо в реальному житті, взагалі не мають ніякого відношення до теплового випромінювання, що легко довести на прикладі.

Припустимо, що ми спостерігаємо в галереї барвисту, насичену яскравими тонами картину авангардиста. Червоний колір поруч з чорним, жовтий з зеленим.

Візьмемо в руки пірометр інфрачервоний, направимо на твір мистецтва і будемо повільно переміщати між ділянками з різними кольорами.

Різниці в температурі не буде ніякої!

Вся причина в другому законі термодинаміки – тепло завжди передається від більш теплого тіла до більш холодного.

Якщо б одну ділянку картини нагрівся більше іншої, температура за рахунок теплопровідності рано чи пізно перерозподілиться і настане стаціонарна теплова рівновагу.

Інфрачервоне випромінювання чорної діри

Назва “чорне тіло” мабуть придумано за аналогією з таємничими космічними об'єктами, передбаченими ще Ейнштейном – чорними дірами.

Тільки останні на відміну від чорного тіла, стосовно пірометрів, навпаки нічого не випромінюють, а поглинають все в окружності, як двигун авіалайнера, що працює на повну потужність, втягуючи повітря і все в радіусі десятків метрів.

Якщо ми вже знову повернулися в космос, відзначимо, ще одна користь - яку інформацію які несуть на тепловій хвилі інфрачервоні промені і чим унікальна астрономічна пірометрія.

Чорна діра поглинає все, навіть світло, як би парадоксально це не звучало, нічого не випромінюючи, ні в якому з діапазонів. Тобто як мінімум в оптичному діапазоні ми її не побачимо.

Але потоки міжзоряного газу, що захоплюються тяжінням чорної діри, розжарюються до величезних температур.

Ось це інфрачервоне тепло і є бажане випромінювання – “фарба“, щоб ”художник” - космічний пірометр в телескопі намалював для вчених дивовижні інфрачервоні картини.

За непрямими ознаками інфрачервоний телескоп, вловлюючи теплові промені, виявить чорну діру, її розміри, і вагу. Інфрачервоне випромінювання нікуди не діти. Ні на землі, ні в космосі.

Чорне тіло для повірки пірометра

До речі, в земних умовах можливо виготовити штучне чорне тіло - прецизійний вимірювальний прилад, який використовується, коли проводиться повірка пірометрів.

Отже, повернемося до коефіцієнта випромінювання.

Коефіцієнт випромінювання і відображення

Ми відзначили, що предмети, температура яких вимірюється інфрачервоними термометрами, відносяться до сірих випромінювачів тепла. Яким чином коефіцієнт випромінювання впливає на достовірність показань безконтактного термометра?

Пояснимо на двох прикладах.
Візьмемо два інфрачервоних пірометра. Один прилад для вимірювання температури з постійним коефіцієнтом емісії, інший – з налаштованим.

Вихідні дані: матеріал з коефіцієнтом теплового випромінювання 0.8.

Це означає 80% енергії випромінюється і може бути зареєстрована вимірювачем температури, а 20% - відбивається.

  1. Інфрачервоний термометр з постійним коефіцієнтом емісії – 0.95.

    недорогий пірометр Перш ніж провести експеримент, зауважимо, що на ІЧ пірометр йде тепловий потік, а на дисплеї ми бачимо шукане значення температури, що отримується після оцифровки.

    Але самі теплові потоки можна вимірювати безпосередньо в Вт або ккал/ч, без перекладу в значення температури. Для цього використовується спеціальний прилад - вимірник щільності теплового потоку.

    Ми припустили, що коефіцієнт випромінювання становить 0.8 - показник взято з таблиці, для вимірювання температури ми взяли простенький недорогий пірометр з постійним коефіцієнтом теплового випромінювання 0.95, а тепловий потік при температурі об'єкта 25 градусів склав – 100 Ватт.

    Якщо ж коефіцієнт випромінювання ІЧ термометра і вимірюваного об'єкта збігався, то інфрачервоний датчик безконтактного термометра "зловив" б тепловий потік 100 Ватт, а на дисплеї зафіксувалося значення 25°С.

    Але інфрачервоний пірометр “думає”, що об'єкт теж має коефіцієнт теплового випромінювання 0.95, а значить очікування ІЧ термометра дещо завищені - дистанційний вимірювач температури “передбачає”, що тепловий потік завищений і складає наприклад 105 Вт, хоча справжній, натуральний тепловий потік менше.

    Але інфрачервоний термометр в цьому не винен. Немає у нього налаштувань або у господаря не вистачило коштів купити пірометр більш "продвінутний ", з настройками - мабуть порахував, що ціна завищена. В результаті на дисплеї замість істинного значення – 25°С, висвітиться 27°С.
    А тепер другий варіант.

  2. Інфрачервоний термометр з налаштованим коефіцієнтом емісії.
    На такий пірометр ціна трохи вища, але і можливості ширше, якщо знову ж таки вірно налаштований коефіцієнт емісії.

    Встановимо коефіцієнт теплового випромінювання на рівні 0.7. Припустимо в разі, якщо дійсний показник для об'єкта - 0.8 не відомий.

    Тепер ІЧ термометр “вважає”, що тепловий потік занижений, і припустимо становить 90 Вт, а насправді він залишився незмінним і з тією ж інтенсивністю і енергією впливає на інфрачервоний датчик температури, але оскільки “очікування” дистанційного термометра занижені, на дисплеї висвітиться припустимо 23°С.

Пірометр купити

Так що який би Ви не вирішили купити пірометр – недорогий інфрачервоний термометр для побуту, або “наворочений” з масою додаткових функцій логер - реєстратор температури, без знання особливостей налаштування коефіцієнта випромінювання “далеко не заїдеш”.

Зробимо висновок.
Якщо коефіцієнт випромінювання занижений, температура буде завищена і навпаки.

Насправді, рішення задачі з коефіцієнтом теплового випромінювання – це тільки перший крок до точності.

В інтернеті викладені таблиці з коефіцієнтами випромінювань з сотнями рядків для буквально всіх видів матеріалів. Але цього замало. Навіть якщо виставити потрібний коефіцієнт, значення температури все одно може бути помилковим!

Що впливає на коефіцієнт випромінювання?
Частково на це питання ми відповіли. Перший фактор – це матеріал. Але не тільки в фізичному сенсі – камінь, цегла або дерево. Впливає ступінь механічної обробки і агрегатний стан – твердий, рідкий.
Наведемо базовий перелік факторів впливу на коефіцієнт випромінювання.

  • матеріал;
  • довжина хвилі;
  • температура.

Отже, термометр інфрачервоний забезпечує точне вимірювання температури тільки при повному врахуванні зазначеного набору факторів.

Якщо говорити мовою математики, функція точності пірометра має три аргументи, а екстремум буде досягнутий тільки в одній точці, коли кожна з вхідних в температурну функцію величин, буде оптимальною. Що чесно кажучи, значно ускладнює вирішення завдання.

Повернемося ще раз до матеріалів. Ми встановили, як впливає коефіцієнт теплового випромінювання на вимірювання температури.
Але чому змінюється сам коефіцієнт випромінювання для різних матеріалів? Причому судячи з таблицями, в найширшому діапазоні від 0.02 до 0.99.

Пояснимо на прикладі. Візьмемо "крилатий" метал, популярний в авіабудуванні – алюміній. Це світлий метал з низьким коефіцієнтом випромінювання.

А ось якщо поверхня почне взаємодіяти з атмосферним киснем і потемніє, коефіцієнт теплового випромінювання збільшиться.

І якщо при одному і тому ж налаштування проводити вимірювання температури одним і тим же інфрачервоним пірометром, але в одному випадку поверхня буде чистою, а в іншому – окисленої, різниця в покритті дасть про себе знати похибкою в температурі.

На коефіцієнт випромінювання впливає:

  • окислення;
  • забруднення;
  • механічна обробка – полірування, шліфування.

Але і це ще не все! Як ми зазначали вище, інфрачервоне випромінювання – це коливальний процес зі своєю частотою, періодом і довжиною хвилі. І матеріали можуть випромінювати як в широкому інфрачервоному спектрі, так і на вузькій ділянці.

Коефіцієнт випромінювання пірометра і довжина інфрачервоної хвилі

Як можна побачити на малюнку, коефіцієнт теплового випромінювання в значній мірі залежить від довжини хвилі, причому не лінійно. Наприклад, для чавуну на довжині хвилі близько 1 мкм, спадаюча крива падає різко вниз, а сам коефіцієнт випромінювання зменшується в десятки разів.

Але якщо настройку коефіцієнта емісії можна зробити, натиснувши на інфрачервоному термометрі одну-дві клавіші, то довжина хвилі, на якій проводиться безконтактне вимірювання температури, задається на заводі, вказана в технічних характеристиках і не може бути змінена. Для портативних пірометрів діапазон хвиль зазвичай становить 8-14 мкм.

Для дистанційного вимірювання температури металевих поверхонь, бажано пірометр купити з найбільш короткохвильовим діапазоном.

Ще одна важлива перевага короткохвильових ІЧ термометрів з'ясовується, якщо згадати процеси загасання і поглинання інфрачервоних променів в атмосфері від зважених часток, що ми розглядали вище, коли говорили про загибель динозаврів. Чим більше короткохвильовий обраний безконтактний термометр, тим менше впливають порошинки, і молекули газу на точне вимірювання температури.

І третє, від чого залежить коефіцієнт теплового випромінювання – це температура.

Як же так? Спочатку ми відзначили, що коефіцієнт випромінювання незмінний і вказано в довідкових таблицях.

Потім з'ясувалося, що коефіцієнт залежить від довжини хвилі.

А тепер відкривається, що коефіцієнт випромінювання залежить від температури.

Але ж ми розглянули на прикладах, що температура навпаки визначається коефіцієнтом випромінювання. Так що від чого залежить? Пригадується приказка: ”що первинно – курка чи яйце?”.

Все це так. Але коли ми вище говорили про незмінний, унікальний коефіцієнт теплового випромінювання, для конкретного типу матеріалу, йшлося все-таки йде про усереднене значенні, що доводить наступний графік залежності коефіцієнта випромінювання від температури.

Коефіцієнт випромінювання і температура

Температурний графік дозволяє зробити 2 висновки.

  1. З ростом температури, нелінійна функція залежності коефіцієнта випромінювання зростає по більшості матеріалів.
  2. В області низьких температур для металів, коефіцієнт випромінювання вкрай малий, налаштувати інфрачервоний термометр досить важко, а значення температури буде під серйозним сумнівом.

Основна причина в тому, що на певному етапі, в області високих температур починає грати роль агрегатний стан речовини. Це перш за все стосується металів.

Як тільки матеріал починає розжарюватися – при нагріванні до сотень градусів, коефіцієнт теплового випромінювання збільшується, зростає щільність теплового потоку.

Але що цікаво – при плавленні коефіцієнт випромінювання знову різко падає (на графіку не показано) і пірометр інфрачервоний знову потрібно підлаштовувати. Починає позначатися високий ступінь відображення ємності з розплавленим металом.

Остаточно заплутують недосвідченого працівника, відповідального за вимір високих температур, шар окислів, шлаку, сторонніх включень, плаваючих на поверхні рідкого металу.

Виходить, що в діапазоні температури плавлення металів, функція залежності коефіцієнта випромінювання набуває ще один аргумент, який визначається станом забруднення розплавленої ванни з металом, який досить складно визначити емпіричним шляхом.

Шлаки не стоять на місці, переміщаючись в вируючій масці і показання пірометра постійно змінюються і коливається коефіцієнт випромінювання, через те, що в поле зору інфрачервоного датчика забруднення то потрапляють, то ні.

Слід звернути увагу на ще один важливий момент. Малий коефіцієнт теплового випромінювання в області низьких температур, як ми відзначили, призводить знову ж до зниженої щільності теплового потоку, і на вимірювані інфрачервоні промені починає впливати паразитное теплове випромінювання від навколишніх предметів, які деформують свідчення інфрачервоного термометра і не дозволяють провести точне вимірювання температури.

Звичайно “низькі температури” поняття дуже умовне. Для металів низькою температурою може бути і 100 градусів Цельсія, хоча вода вже почне кипіти, а сталь або чавун навіть не розжаряться, що легко визначитися з кольором. На цьому принципі до речі працюють високотемпературні оптичні пірометри.

Як розрахувати коефіцієнт емісії пірометра?

Отже, коефіцієнт випромінювання є функцією декількох параметрів. Як його правильно розрахувати?

Таблиці це добре, а порівняльний вимір температури краще. Саме так. Припустимо, в таблиці вказано, що для полірованого алюмінію коефіцієнт випромінювання становить 0.35.

Беремо інфрачервоний термометр - пірометр, входимо в режим налаштувань, встановлюємо зазначену величину.

Але не так швидко. Нам же потрібно точне вимірювання температури.

Знадобиться ще контактний термометр, наприклад з термопарою. Проводимо безпосереднє, контактне, фактично дублююче дистанційне вимірювання температури.

І порівнюємо 2 показника. Якщо контактний цифровий термометр з термопарою показує більше значення температури, ніж безконтактний пірометр, значить виставлений коефіцієнт теплового випромінювання занижений, і щоб щільність теплового потоку відповідала реальній температурі рівній виміряної контактним термометром, збільшуємо коефіцієнт випромінювання, поки різниця між двома температурами не стане мінімальною.

Ще раз повернемося до ідеального чорного тіла, для якого коефіцієнт теплового випромінювання E дорівнює одиниці, а коефіцієнт відбиття R = 0. Для реальних предметів сума коефіцієнтів дорівнює одиниці, а ось співвідношення між ними змінюється: E + R = 1.
Тепер досліджуємо кілька випадків з практики вимірювання температури інфрачервоним термометром.

  1. Температура об'єкта і навколишнього середовища - сусідніх предметів і повітря, рівні.

    У цьому випадку встановлений коефіцієнт теплового випромінювання, як не дивно, не грає ролі. Безконтактному інфрачервоному пірометру без різниці, де корисні промені від аналізованого предмета, а де паразитное інфрачервоне тепло від навколишнього середовища.

  2. Дистанційне вимірювання температури на виробництві деталей з низьким коефіцієнтом випромінювання.

Подібне завдання актуальне в металургійних цехах, при працюючих машинах по безперервного розливання заготовок в охолоджувані форми.

Метали, особливо в рідкому вигляді, характеризуються низьким коефіцієнтом теплового випромінювання, що компенсується налаштуванням пірометра.

При цьому, виходячи з рівняння (сума коефіцієнтів відбиття і випромінювання дорівнює одиниці), при слабкому випромінюванні – низькій щільності теплового потоку, в показання ІЧ термометра підмішуються “паразитні” інфрачервоні промені від навколишніх предметів.

Щоб знизити вплив паразитного інфрачервоного тепла і забезпечити точне вимірювання температури, пропонується наступна схема.

пірометри на виробництві

Попадання зважених хімічних речовин, часто агресивних на інфрачервону оптику промислового пірометра запобігає за допомогою прозорої шайби з кварцового скла.

Додатковий захист чутливого інфрачервоного датчика температури організований за допомогою штуцера, на якому встановлюється дистанційний термометр.

Повітряний шар в штуцері служить захисною прошарком.

Для охолодження системи вимірювання високих температур може приєднуватися водяне охолодження.

Інфрачервоний зір – термінаторами нам не стати!

Як шкода, що наш зір не дає нам можливості бачити безпосередньо в інфрачервоному діапазоні!
Які безмірні можливості відкрилися б перед нами.

енергоаудит Стало б можливими без пірометрів і тепловізорів прямо зараз на власні очі вказувати комунальникам на місця витоку тепла в будинках.

Так їм би і вказувати нічого не треба було, вони б самі це бачили.

Хоча якщо вони зараз нічого не роблять, якщо їм прямо пред'явити кольорову картинку на дисплеї тепловізора для енергоаудиту, то навряд чи стануть проявляти активність, якщо особисто візуально виявлять холодні сині або зелені тони.

Якщо б наші органи зору дозволили б спостерігати інфрачервоне випромінювання, можливо змінився б характер спеціальних військових операцій і навіть війн.
Не потрібно витрачатися на бойові тепловізори. Не знадобляться інфрачервоні приціли.
Жоден диверсант не підкрався б до місця розташування військових. Найменше переміщення не залишилося б непоміченим – інфрачервоне тепло тіла не так просто заховати.
Термінатор - інфрачервоний зір

Але поки це лише мрії, дають ґрунт для сценаріїв блокбастерів.

Будемо жити, і спостерігати знайомий світ в оптичному діапазоні, а не в інфрачервоному.

Наш розум дозволяє розробити пірометри для землі і космосу, щоб виявити інфрачервоні промені, навіть якщо органи зору не досконалі, зареєструвати, проаналізувати теплове випромінювання не тільки від зірки на ім'я Сонце, завдяки якому і можливо саме існування життя на землі …



Автор - ЧП Бром

22 Грудня 2016 580 0
Оставить отзыв
Поставьте оценку
Код защиты:
captcha
Ваш ответ
Код защиты:
captcha
Ваш комментарий будет опубликован после модерации администратором
Схожі пости
Фільтр
Знайдено 5 
Підтвердіть
Для того, щоб додати товар у список бажань, вам потрібно