От чего зависит коэффициент эмиссии пирометра
Наибольшее количество споров и эмоциональных отзывов, как правило негативных, чему способствует интернет при активном распространении и перепостах вызывает такой параметр, как коэффициент эмиссии, без правильного задания которого ИК пирометр покажет температурную чепуху.
Это не ртутный медицинский градусник, которым может пользоваться даже ребенок. Это измерительная техника, которая требует не только строго соблюдения требований эксплуатации, но и понимания процессов непрямого метода измерения температуры и хотя бы минимального набора теоретических знаний.
Проблема в том, что тела по-разному отражают, поглощают и излучают инфракрасный тепловой поток, и чтобы исходящее от них излучение учитывалось целиком и полностью, как раз и необходимо настраивать указанный показатель.
Что оказывает влияние на коэффициент эмиссии пирометра
Первый фактор – это материал. Но не только в физическом смысле: рулон блестящей нержавейки или керамический горшок под цветы.
Оказывает воздействие степень механической обработки и агрегатное состояние – твердый, жидкий.
Приведем базовый перечень факторов влияния на коэффициент излучения:
- материал;
- длина волны;
- температура.
Но он не полный. Как в математике - есть необходимый перечень, но не достаточный.
Продолжая оперировать математическими терминами, функция точности имеет три аргумента, а экстремум будет достигнут только в одной точке, когда каждая из входящих в температурную функцию величин, будет оптимальной. Что честно говоря, значительно усложняет решение задачи.
Почему меняется сам коэффициент излучения для разных материалов ? Причем судя по таблицам, в широчайшем диапазоне от 0.01 до 0.99.
Поясним на примере. Возьмем "крылатый" металл, популярный в авиастроении – алюминий. Это светлый материал с низким коэффициентом излучения.
А вот если поверхность начнет взаимодействовать с атмосферным кислородом, например при нагреве и потемнеет по причине образования слоя окислов, коэффициент увеличится.
И если при одной и той же настройке пирометра проводить измерения, но в одном случае поверхность будет чистой, а в другом – оксидированной, разница в покрытии даст о себе знать погрешностью в температуре.
На коэффициент излучения также оказывает влияние:
- Окисление.
- Загрязнение.
- Механическая обработка – полировка, шлифовка.
Но и это еще не все ! ИК излучение – это колебательный процесс со своей частотой, периодом и длиной электромагнитной волны. И объекты могут излучать как в широком спектре, так и на узком участке.
Как можно увидеть на рисунке, коэффициент теплового излучения в значительной степени зависит от длины волны, причем не линейно. Например, для чугуна на длине волны около 1 мкм, ниспадающая кривая падает резко вниз, а сам коэффициент излучения уменьшается в разы.
Но если настройку коэффициента эмиссии можно сделать, нажав одну-две клавиши, то длина волны, на которой проводится бесконтактное измерение температуры, задается на заводе, указана в технических характеристиках и не может быть изменена. Диапазон обычно составляет 8-14 мкм.
Для измерения температуры металлических поверхностей, желательно пирометр купить с наиболее коротковолновым диапазоном.
Еще одно важное преимущество коротковолновых моделей выясняется, если вспомнить процессы затухания и поглощения ИК лучей в атмосфере от взвешенных частиц. Чем более коротковолновый диапазон выбран, тем меньше влияют пылинки, и молекулы газа.
И еще один аргумент, от чего зависит коэффициент теплового излучения – это температура.
Как же так ? Сначала мы отметили, что коэффициент неизменный и указан в справочных таблицах. Потом выяснилось, что он зависит от длины волны. А теперь открывается, что присутствует еще и зависимость от температуры.
Но ведь мы рассмотрели на примерах, что температура, измеренная бесконтактно, наоборот определяется коэффициентом излучения. Так что от чего зависит ? Вспоминается поговорка:” что первично – курица или яйцо ?”.
Все это так. Но когда мы выше говорили о неизменном, уникальном коэффициенте теплового излучения, для конкретного типа материала, речь шла все-таки идет об усредненном значении, что доказывает следующий график зависимости коэффициента от температуры.
Температурный график позволяет сделать 2 вывода.
| 1 | С ростом температуры, нелинейная функция зависимости растет по большинству материалов |
|---|---|
| 2 | В области низких температур для металлов, коэффициент излучения крайне мал, настроить пирометр весьма затруднительно, а измеренное значение будет под серьезным сомнением |
Основная причина в том, что на определенном этапе, в области высоких температур начинает играть роль агрегатное состояние вещества. Это прежде всего касается металлов.
Как только материал начинает раскаляться – при нагреве до сотен градусов, коэффициент теплового излучения увеличивается, растет плотность теплового потока.
Но что любопытно – при плавлении коэффициент излучения опять резко падает (на графике не показано) и снова нужно подстраивать. Начинает сказываться высокая степень отражения емкости с расплавленным металлом.
Окончательно запутывают неопытного работника, слой окислов, шлака, посторонних включений, плавающие на поверхности жидкого металла.
Получается, что функция приобретает еще один аргумент, определяемый состоянием загрязнения расплавленного металла или сплава, который достаточно сложно определить эмпирическим путем.
Шлак не стоит на месте, перемещаясь в бурлящей массе и показания постоянно меняются и колеблется коэффициент излучения, из-за того, что в поле зрения входной оптической линзы загрязнения то попадают, то нет.
Следует обратить внимание на еще один важный момент. Малый коэффициент теплового излучения в области низких температур, как мы отметили, приводит опять же к пониженной плотности теплового потока, и начинают влиять паразитное тепловое излучение от окружающих предметов, искажающих показания.
Конечно “низкие температуры” понятие очень условное. Для металлов низкой температурой может быть и 100 градусов Цельсия, хотя вода уже начнет кипеть, а сталь или чугун даже не накалятся, что легко определить по цвету. На этом принципе кстати работают высокотемпературные оптические пирометры, с так называемой исчезающей нитью.
Как рассчитать коэффициент эмиссии ?
Итак, коэффициент является функцией нескольких параметров. Как его верно рассчитать ?
Таблицы это хорошо, а сравнительное измерение температуры лучше. Именно так. Допустим, в таблице указано, что для полированного алюминия коэффициент излучения составляет 0.35.
Входим в режим настроек и устанавливаем указанную величину, нажимая на копку, поскольку по умолчанию значение - 0,95.
Понадобится еще например термопара.
И сравниваем 2 показателя. Если контактный датчик показывает большее значение температуры, значит выставленный коэффициент занижен, и чтобы плотность теплового потока соответствовала реальной температуре, увеличиваем показатель, пока разница не станет минимальной.