Від чого залежить коефіцієнт емісії пірометра
Найбільша кількість суперечок і емоційних відгуків, як правило негативних, чому сприяє інтернет при активному поширенні і перепостах викликає такий параметр, як коефіцієнт емісії, без правильного завдання якого ІЧ пірометр покаже температурну нісенітницю.
Це не ртутний медичний градусник, яким може користуватися навіть дитина. Це вимірювальна техніка, яка вимагає не тільки суворого дотримання вимог експлуатації, але і розуміння процесів непрямого методу вимірювання температури і хоча б мінімального набору теоретичних знань.
Проблема в тому, що тіла по-різному відображають, поглинають і випромінюють інфрачервоний тепловий потік, і щоб випромінювання, що виходить від них враховувалось цілком і повністю, як раз і необхідно налаштовувати вказаний показник.
Що впливає на коефіцієнт емісії пірометра
Перший фактор – це матеріал. Але не тільки в фізичному сенсі: рулон блискучою нержавіючої сталі або керамічний горщик під квіти.
Впливає ступінь механічної обробки і агрегатний стан – твердий, рідкий.
Наведемо базовий перелік факторів впливу на коефіцієнт випромінювання:
- матеріал;
- довжина хвилі;
- температура.
Але він не повний. Як в математиці - є необхідний перелік, але не достатній.
Продовжуючи оперувати математичними термінами, функція точності має три аргументи, а екстремум буде досягнутий тільки в одній точці, коли кожна з тих, що входять в температурну функцію величин, буде оптимальною. Що чесно кажучи, значно ускладнює вирішення завдання.
Чому змінюється сам коефіцієнт випромінювання для різних матеріалів? Причому судячи з таблиць, в найширшому діапазоні від 0.01 до 0.99.
Пояснимо на прикладі. Візьмемо "крилатий" метал, популярний в авіабудуванні – алюміній. Це світлий матеріал з низьким коефіцієнтом випромінювання.
А ось якщо поверхня почне взаємодіяти з атмосферним киснем, наприклад при нагріванні і потемніє через утворення шару окислів, коефіцієнт збільшиться.
І якщо при одному і тому ж налаштуванні пірометра проводити вимірювання, але в одному випадку поверхню буде чистою, а в іншому – оксидованою, різниця в покритті дасть про себе знати похибкою в температурі.
На коефіцієнт випромінювання також впливає:
- Окислення.
- Забруднення.
- Механічна обробка – полірування, шліфування.
Але і це ще не все! ІЧ випромінювання – це коливальний процес зі своєю частотою, періодом і довжиною електромагнітної хвилі. І об'єкти можуть випромінювати як в широкому спектрі, так і на вузькій ділянці.
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 рази.
Але якщо настройку коефіцієнта емісії можна зробити, натиснувши одну-дві клавіші, то довжина хвилі, на якій проводиться безконтактне вимірювання температури, задається на заводі, вказана в технічних характеристиках і не може бути змінена. Діапазон зазвичай становить 8-14 мкм.
Для вимірювання температури металевих поверхонь, бажано пірометр купити з найбільш короткохвильовим діапазоном.
Ще одна важлива перевага короткохвильових моделей з'ясовується, якщо згадати процеси загасання і поглинання інфрачервоних променів в атмосфері від зважених частинок. Чим більше короткохвильовий діапазон обраний, тим менше впливають порошинки, і молекули газу.
І ще один аргумент, від чого залежить коефіцієнт теплового випромінювання – це температура.
Як же так ? Спочатку ми відзначили, що коефіцієнт незмінний і вказаний в довідкових таблицях. Потім з'ясувалося, що він залежить від довжини хвилі. А тепер відкривається, що є ще й залежність від температури.
Але ж ми розглянули на прикладах, що температура, виміряна безконтактно, навпаки визначається коефіцієнтом випромінювання. Так що від чого залежить? Пригадується приказка:” що первинно – курка або 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 значення, що доводить наступний графік залежності коефіцієнта від температури.
Температурний графік дозволяє зробити 2 висновки.
| 1 | З ростом температури, нелінійна функція залежності зростає по більшості матеріалів |
|---|---|
| 2 | В області низьких температур для металів, коефіцієнт випромінювання вкрай малий, налаштувати пірометр досить важко, а виміряне значення 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 знову потрібно підлаштовувати. Починає позначатися високий ступінь відображення ємності з розплавленим металом.
Остаточно заплутують недосвідченого працівника, шар окислів, шлаку, сторонніх включень, що плавають на поверхні рідкого металу.
Виходить, що функція набуває ще один аргумент, який визначається станом забруднення розплавленого металу або сплаву, який досить складно визначити емпіричним шляхом.
Шлаки не стоять на місці, переміщаючись в вируючій масі і свідчення постійно змінюються і коливається коефіцієнт випромінювання, через те, що в поле зору вхідної оптичної лінзи 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 починає впливати паразитне теплове випромінювання від навколишніх предметів, які деформують свідчення.
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 визначити по кольору. На цьому принципі до речі працюють високотемпературні оптичні пірометри, з так званою зникаючою ниткою.
Як розрахувати коефіцієнт емісії ?
Отже, коефіцієнт 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.
Входимо в режим налаштувань і встановлюємо зазначену величину, натискаючи на копку, оскільки за замовчуванням значення - 0,95.
Знадобиться наприклад термопара.
І порівнюємо 2 показника. Якщо контактний датчик показує більше значення температури, значить виставлений коефіцієнт занижений, і щоб щільність теплового потоку відповідала реальній температурі, збільшуємо показник, поки різниця не стане мінімальною.