Азбука пирометров - про излучение, поглощение и отражение

Дистанционное получение информации о температуре с помощью пирометра это не есть магия, а таинственный другой канал передачи данных в отличие от контактного. Канал выгодный тем, что более быстрый, но имеет нюансы по настройке, иначе попадем "пальцем в потолок".
Пирометры не единственные в том, что приходится использовать другой канал, за счет чего решается радикально одна проблем, но чуть ухудшается ситуация в чем-то другом. Это как ? Приведем еще один пример. К локальной сети дома можно подключиться от интернет провайдера как по кабелю (физическое подключение разъема, но можно "по воздуху", то есть через радиосигнал Wifi). Wifi это свобода - к одной точке доступа коммутируются десятки устройств, но есть "дыра" c безопасностью, слабость сигнала и помехи.

В пирометрах канал "транспортировки" данных это поток инфракрасного излучения, которое исходит от ВСЕХ окружающих нас тел.

Но к сожалению просто "нажать на курок и увидеть результат" не получится. Никто не поручится за достоверность. Мы уже упомянули, что требуется процедура настройки. Можно настраивать по шагам согласно инструкции или многочисленным видео или статьям. То есть не морочить голову вопрасами "что" и "как". А действовать строго по предписаниям. Или второй путь - вникать в физику распространения инфракрасных лучей и выполнять указанные процедуры уже осознанно. Оба пути хороши, если ведут к позитивному результату. Но нынешняя статья для тех, кто хочет "нырнуть" глубже. А не просто слепо нажимать на кнопки.

Начала инфракрасного излучения

Любой реальный объект, окружающий нас, включая нас самих, характеризуется трио параметров теплового излучения:

• ε (emissivity) — коэффициент излучения (излучающая способность) : доля энергии, которую поверхность излучает по сравнению с идеальным чёрным телом при той же температуре. Диапазон 0…1. Это основное и искомое.
• α (absorptivity) — коэффициент поглощения : доля падающего излучения, которую поверхность поглощает.
• ρ (reflectivity) — коэффициент отражения : доля падающего излучения, которую поверхность отражает.

* Справочно. Чёрное тело — это идеализированная физическая модель объекта, который полностью поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение (коэффициент поглощения α = 1, отражения нет ρ = 0), и при этом само излучает энергию только за счёт своей температуры — и делает это максимально эффективно (коэффициент излучения ε = 1). Настоящая "мечта" !

Однако в реальности "не идеализированная" модель максимально осложняет измерение температуры пирометрами и приходится буквально плясать с бубном, чтобы помирить излучение, поглощение и отражение. На что-то повлиять мы можем, на что-то нет. Если бы все окружающие нас предметы были бы идеально черными телами, то как в мире измерительной техники, так и в конструкторских бюро, так в маркетинге и в продажах пирометров, мы бы наблюдали непривычные картины.

1. Для абсолютно черных тел (мы говорим о гипотетическом, выдуманном мире) достаточно купить пирометр с предустановленным коэффициентом излучения (ε) равным единице или около того. И результат будет точным !
2. Не нужны таблицы с десятками строк для разных видом материалов, гуляющие в интернете или прилагаемые к инструкции.
3. Не нужно настраивать коэффициент эмиссии по данным эталона (например термопары), пытаясь минимизировать погрешность.

Соответственно ИК-термометры были бы проще и дешевле. Линейка бы их разнообразия укоротилась. В интернет-магазинах пришлось бы убрать фильтр для пользователя "с настройкой коэффициента эмиссии или нет". А сама процедура кропотливой настройки канула бы в лету.
Кстати и сейчас у бюджетных пирометров по умолчанию стоит коэффициент 0,95. Тепер понятно, почему его программируют именно таким. Производители не считают, что мир идеальный. Местами может он такой и есть. А местами ошибка просто зашкаливает. Но в первом приближении достаточно и 0,95. Сойдет, если нет очень гладких, полированных поверхностей. То есть для быта норм.
Но в целом, нарисованная нами картина является утопией. Мы живем в мире случайностей и хаоса. Звук тонет в мире шума. Ультразвук теряется в мягких предметах и отражается от твердых. И инфракрасное излучение от объекта, температуру которого мы измеряем, никогда не будет "чистым", а всегда смешанным с потоками тепла (или холода) от окружающих тел. А результат будет "смазанным".

Поэтому мы обречены покупать пирометры с настройкой коэффициента излучения и настраивать их.

При этом желательно понимать, что именно мы делаем.

Мы же движемся далее в мире инфракрасного хаоса. Выясняем, что и как мешает дойти в первозданом виде инфракрасному излучению от предмета до бесконтактного термометра.

Когда тело поглощает тепло (α близко к 1)

Тело активно поглощает тепловое излучение, когда:

• Поверхность шероховатая / матовая / пористая → лучи многократно отражаются внутри неровностей и почти всё поглощается.
• Материал имеет высокий коэффициент поглощения в данном диапазоне длин волн.
• При этом температура тела не имеет прямого значения для того, поглощает ли оно или нет — поглощение зависит от свойств поверхности и длины волны излучения, а не от того, холоднее оно или горячее источника.

Даже если тело горячее источника, оно всё равно будет поглощать часть падающего излучения (и одновременно излучать своё). Но чистый нагрев происходит только когда поглощённая энергия > излучённой (т.е. когда тело холоднее источника или источник мощнее). Вот это головоломка !

Примеры поверхностей с высоким ИК-поглощением (α ≈ 0.9–0.98):

* При высоком коэффициенте поглощения, близком к 1, пирометр покажет наиболее точную цифру температуры. Причем реалистичную картину обеспечат даже самые не дорогие пирометры без функции настройки коэффициента излучения (как мы уже выше предположили в нашем воображаемом мире только черных тел).

То есть мы имеем собственное излучение тела ε≈1. И если это тело поглощает все тепло от окружающих предметов α ≈1 и почти ничего не отражает, то в "дуло" пирометра попадает именно то, что мы хотим ! Эх, температурные грезы... Такого никогда не будет. Ну разве что в лабораторных условиях при поверке и калибровке пирометров с помощью специального устрйоства, которое имитирует черное тело.
А вот на практике - на производстве, "убийцей точности пирометров" является высокая степень отражения.

Когда тело отражает тепло (ρ близко к 1)

Отражение происходит, когда:

• Поверхность гладкая, полированная, металлическая → лучи отражаются зеркально (как свет от зеркала).
• Материал имеет низкий коэффициент поглощения в ИК-диапазоне (металлы, особенно чистые и отшлифованные, плохо поглощают ИК → хорошо отражают).
• Отражение тоже не зависит от температуры поверхности — полированный алюминий будет отражать тепловое излучение и если он холодный, и если горячий.

Примеры поверхностей с высоким отражением (ρ ≈ 0.8–0.96, ε ≈ 0.04–0.2):

И пару "холодных" примеров по поводу отражения.
Краткий исторической экскурс. За долгую историю существования Земли, было 3 периода полного обледенения, когла вся планета была покрыта толстым слоем льда (несколько километров !). Из-за того, что лед обладает высоким альбедо (это еще один синоним отражательной  способности), он отрадает почти все падающее на него космическое тепло, тем самым еще больше охлаждаясь. Это явление в истории планеты получило название Земля - снежок. Звучит по детски, а по факту - миллионы лет под ледяным покровом...

А теперь к нашим обыденным, кулинарно-кондитерским примерам. Внутренняя поверхность упаковки мороженного блестящая и гладкая. Ответ уже понятен почему. Чтобы отражать тепло. А соответственно меньше поглощать. А значит, мороженное будет дольше оставаться холодным. По этой же причине курочку гриль заворачивают в блестящую обертку при запекании.

Слушайте ! Восклинет вдумчивый читатель. Если у меня есть полированная металлическая пластина с высоким отражением, как вы сказали, а значит пирометр покажет чепуху (еслти не подстроен или модель с постоянным коэффициентом), то если поверхность сделать шершавой, покрасить в темный цвет или оставить открытой всем ветрам, чтобы покралась окислами, то точность возрастет ?

Да ! Так и будет.

ОК. Значит уже вникаю. Тогда второй вопрос. Если рядом будут лежать одного размера и одной температуры стальные полоски, но одна из них отполированная, а другая шершавая и окисленная, и каждую из низ измерить пирометром, мы получим разные результаты ?

Да ! И это тоже верно. Вот так. Понимание растет. А точность не постоянна. Как же это сложно, с пирометрами-то ! Так и есть. Но скоорость ! Результат - за секунду. Ради этого стоит потратить время на настройку. Но поскольку разумение процесса теперь есть, точность можно поправить. Кстати, а какой результат будет истинным ? С первой пластиной или со сторой ? А может, ни с какой ?

Ответ на этот вопрос - для каждого типа поверхности использовать свой, "персональный" коэффициент эмиииси.

Или если постоянно перестраивать это неудобно, то использовать пару пирометров, каждый из которых настроен на свой коэффицент. Но данный совет особенно не масштабируется. Если разных поверхностей не две, а десятки.

Проблема окружающих предметов

Вот мы играем понятиями отражением и поглощения и бессильно констатируем, что отраженная энергия искажжает показания пирометров, внося хаос и делая сложным определение истинного собственного излучения объекта.
А откуда вообще берется это "дополнительное излучение" ? Кто портит инфракрасный пейзаж ? Ведь мы направляем пирометр строго на нашу деталь. И знаем абсолютно точно, что в поле зрения (или удивить заумным термином - пятно визирования) не попадает никакое другое излучение, постороннее и совсем не желательное. Святая наивность...

Как бы не так ! На нашу деталь влияют также: окружающие предметы - стены, проходящие рабочие, горячие станки, или холодные болванки, притрушенные снегом, завезенные на электрокаре с улицы, если воздух снаружи морозный.
И вся эта хаотичная, слабо предсказуемая совокупность и достигает пирометра, который "видит":

• собственное излучение интересующего объекта;
• отражённое от него излучение, которое в свою очередь получено от окружающих предметов.

Выскажем два важных тезиса, напрямую влияющих на точность. Один пусть сложно, но практически реализуемый. Второй - в большей степени гипотетический.
Стационарные условия для измерения. С паразитным отраженным излучением можно смириться как с неизбежностью, если оно не менеятся по мощности с течением времени. То есть если : расположение предметов остается неизменным, как и температура каждого из них. По крайней мере в течение периода настройки коэффициента эмиссии + последующего измерения. А дальше - хоть трава не рости не имеет значения. Если бы знать абсолютно точно, что ни расположение предметов, ни их температура не меняются при каждом измерении, то коэффициент эмиссии можно было бы настроить 1 раз и будем получать неизменно точный результат ! Поскольку отраженное излучение не меняется. Оно предсказуемо. И его влияние легко учесть при настройке. Фактически мы корректируем показания на эту ошибку.
Можно сказать и другими словами. Настройка коэффициента ε в пирометре нужна именно для того, чтобы прибор правильно интерпретировал собственное излучение объекта и не путал его с отражённым фоном. Чтобы мы могли наконец-то вздохнуть с облегчением максимально точно вычленить именно полезный сигнал, очистив его от инфракрасного мусора.