Что измеряют пирометры - про инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение пронзает необъятные просторы вселенной, слабый тепловой поток, идущий из глубин загадочного космоса, предоставляет ученым ценнейшую информацию о далеких древних галактиках, а на земле цифровой ИК пирометр дарит нам уникальную возможность измерить температуру дистанционно, с помощью этих невидимых лучей. Но несмотря на то, что нашли глаза не наделены возможностью видеть тепло, знаем мы про температуру довольно много.

Что же измеряют пирометры - поговорим об инфракрасном излучении

Тепловое излучение в виде инфракрасных лучей испускает любой объект, с температурой выше абсолютного нуля T=-273°C за счет переходов атомов на другие энергетические уровни, что сопровождается испусканием квантов в ИК-спектре.

Любопытно, что само понятие “температура” для нас, привыкших в зависимости от государства проживания, измерять температуру в градусах Цельсия или Фаренгейта, вынуждает использовать противоположные характеристики – “отрицательная-положительная”, “холодно-горячо”.

1. Например, если брать шкалу Цельсия, то наше понимание на уровне подсознания со школьной скамьи и жизненного опыта наблюдений за окружающей средой, привязывает температуру к точке замерзания воды: снег или дождь, скользкий лед или лужи.
2. Мы мыслим дуалистическими категориями или бинарными с точки зрения математической логики.
3. Ученые же оперируют шкалой Кельвина. В ней нет отрицательной температуры. Есть абсолютный нуль и есть температура вообще. Нет отрицательного значения.

Только ноль и все что выше - температура. Не положительная, не отрицательная, а просто “температура”.
Всю условность понятия отрицательных и положительных температур в нашем подсознании легко развенчать при помощи бесконтактного пирометра. Он “не знает” о том, что есть холод и жар, и безмолвно сканирует нагретый предмет, улавливая исходящую от него тепловую энергию.

Переводя на наш обыденный язык, чем больше излучается энергии, тем выше температура. Энергия может передаваться в оптическом, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском диапазоне - вся линейка электромагнитных колебаний.

Соотношение между видами энергий в излучающих объектах различается на порядки. И не каждый объект генерирует электромагнитные колебания во всем спектре.
Например галактические скопления излучают помимо оптического, также в инфракрасном и рентгеновском диапазоне, для чего на орбиту выводятся радиотелескопы, а сами скопления звезд часто так и называют радиогалактиками. Точнее так их называют, что по причине значительного удаления из-за межзвездной пыли видимый свет “теряется в пути”, а до нас доходит только излучение в радио диапазоне и инфракрасное тепло.
А вот если взять “прожорливую” с точки зрения потребления энергии лампу накаливания, в свет превращается всего 5-10 %, а остальная энергетическая составляющая представляет собой инфракрасные лучи. Это основная причина перехода на светодиодное освещение.

Тепловое излучение и его характеристики

Как мы отметили, температура определяется интенсивностью или плотностью теплового потока, но также спектром излучаемой электромагнитной энергии.
Инфракрасные волны различаются по длине и условно делятся на 3 области:

Как видим, самая широкая – длинноволновая часть спектра. Интересно, что в зависимости от производственных задач - металлургия или строительство, необходимо пирометр купить с той или иной длиной волны. Иначе не избежать увеличенной погрешности.

Наши глазные "палочки и колбочки", преобразующиеся видимый свет в электрические импульсы, передаваемые по зрительному нерву в мозг, воспринимают электромагнитные колебания в диапазоне с еще более короткой длиной волны, чем коротковолновые инфракрасные лучи, так что видеть как “Хищник” в одноименном фильме или Терминатор у нас не выйдет.
Может и хорошо, что наш диапазон восприятия ограничен. Иначе мы не смогли бы насладиться бессмертными творениями художников, или дарить улыбку любимому человеку. И в первом и во втором случае, все что мы бы увидели - тепловое излучение в виде смазанного пятна с градациями цветности. Никакой романтики…

С ростом температуры, частота колебаний атомов увеличивается, а значит уменьшается длина волны.


Источники ИК-лучей излучают:

• на одной длине волны;
• в виде полос с пиками;
• в непрерывном спектре.

Мы рассмотрели из чего складывается полная энергия излучения.

При повышении температуры до нескольких сотен градусов увеличивается как общая энергия, так и излучение в видимом диапазоне. На чем основано действие оптических высокотемпературных пирометров: сравниваются две яркости – эталонной нити накаливания и исследуемого предмета. Зная температуру нити при заданной яркости, легко измеряется искомая температура. Кстати для таких рекордсменов и 6000°С не предел, но и цена правда на них соответствующая.
При меньшей температуре – например 50 или 100 градусов, тело остается “темным”, но только в оптическом диапазоне, инфракрасное тепло оно продолжает испускать.

Отметим, что понятия "теплый" или "холодный" различаются на земле и в космосе.

В безвоздушном космическом пространстве планета, удаленная от солнца считается более теплой с температурой поверхности минус 150 °С, чем планета с показателем минус 200 °С.

В земных условиях, кроме специализированных криогенных лабораторий, в каждом из приведенных примеров мы всегда скажем – “холодно”. Даже очень. Это субъективные человеческие оценки в условиях нашей земной реальности.
 

Низкие температуры

Интересно, что достичь температуры абсолютного нуля не так просто. Для этого должен быть объект, охлажденный ниже этой важной отметки, от которой стартует температурная шкала Кельвина, чтобы отбирать тепло и охлаждать на основании второго закона термодинамики.

Во втором десятилетии XX-го века удалось достигнуть удивительного показателя – ученые охладили соединение из атомов калия и натрия до супер низкой температуры – всего 5×10^-9 K выше абсолютного нуля.

В домашних условиях и на производстве со столь низкими, рекордными значениями столкнуться не придется возможно никогда, но ради интереса возникает вопрос. А что же покажет прибор, например с диапазоном -30°С~+500°С, если навести лазерный луч на предмет, охлажденный почти до абсолютного нуля ?

1. Да ничего толком не покажет – как при выходе за верхнюю, горячую границу, так и при заходе в область нереального мороза, а по-другому и не назовешь “температурные окрестности” абсолютного нуля, пирометры "понимают" это как выход за границы температурного диапазона (покажется значок переполнения). Это первая, банальная причина, связанная с несоответствием паспортных данных.
2. А о второй мы уже говорили выше – при абсолютном нуле, тепловое или инфракрасное излучение тоже обнуляется – атомы не колеблются, не переходят на энергетические уровни. Абсолютный покой. То есть энергия не поступает в приемную оптику.

Хотя квантовая теория не совсем разделяет эту точку зрения, вводя понятия так называемых нулевых вибраций, но нас больше интересует факт наличия или отсутствия инфракрасных лучей причем в диапазоне, более близком к реальным производственным или бытовым задачам.

Берегите от температуры

В паспорте всегда указывается предельная температура эксплуатации. Обычно это +50 или максимум +70 градусов. Этот показатель никак не связан с верхней температурной границей, а относится к благоприятным показателям микроклимата. И это совсем разные вещи.

Предположим, что мы решили провести измерение температуры дистанционно объектов на поверхности Венеры.

Интересно, что теоретически с этим без труда справятся даже самые простые недорогие модели пирометров, а не дорогие профессиональные. Верхнего предела в 500 градусов будет вполне достаточно.

Да вот только окружающая обстановка на Венере для измерения температуры не лояльна, не комфорта и губительная для прибора…

Практически из-за нарушения условий эксплуатации, устройство расплавится за минуту, ну может быть Вы успеете разглядеть на дисплее температуру ближайшего раскаленного камня.
Что делать - жарко на Венере. Вот и получается, что температурного диапазона достаточно, но сам корпус чрезмерного нагрева не выдержит.

В земных условиях при контроле металлургических процессов, так и происходит.

Завершая интересную гипотетическую тему измерения температуры на поверхности другой планеты, отметим, что в первый день весны 1982 года межпланетная станция Венера-13 после успешного приземления на поверхность, раскаленную до +470 градусов, смогла проработать почти два часа (!), пробурив поверхность, взяла пробы, провела спектральный анализ и отправила результаты по радиоканалу на землю.

Все это стало возможным только благодаря охлаждению приборного отсека до минус 10 градусов.