+38 (044) 599-10-11 +38 (097) 559-01-01 +38 (095) 559-01-01
Пн–Пт: 09:00–17:00,
Заказ товаров:
По телефону ежедневно
с 9:00 до 19:00
На сайте круглосуточно
Популярные посты
Инфракрасный градусник - скоростной пирометр для измерения температуры тела
Градусник инфракрасный для взрослых и особенно детей, сокращает время на измерение температуры тела в десятки раз при точности, соизмеримой с ртутным ...
05 Января 2016 3362
Как измерить кислотность почвы - ph земли
О том как измерить кислотность почвы, о водородном показателе пш, о преимуществах и недостатках методов определения PH земли, читайте в нашей статье...
29 Февраля 2016 3345
Какой термометр бесконтактный выбрать для Ваших нужд
Температурный показатель – один из тех параметров, которые встречаются практически на каждом производстве. Это могут быть пищевая и легкая промы...
24 Декабря 2015 3296

Инфракрасное излучение – пирометры в космосе и на земле

Инфракрасное излучение пронзает необъятные просторы вселенной, тепловое излучение, идущее из глубин загадочного космоса, предоставляет ученым ценнейшую информацию о далеких древних галактиках, а на земле инфракрасный пирометр дарит нам уникальную возможность измерить температуру на расстоянии.

Что такое инфракрасное излучение

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.
Шкала Кельвина

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”.

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.

Мы мыслим дуалистическими категориями или бинарными с точки зрения цифровой логики.

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 и сознании развенчивает такой измеритель температуры как пирометр инфракрасный. Он “не знает” о том, что есть холод и жар, и безмолвно сканирует нагретый предмет, улавливая исходящие от него инфракрасные лучи.

Сам термин “температура” можно определить как интенсивность излучения тепловой энергии. 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.

Спектр электромагнитного излучения

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.

Но нас больше интересует 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:

  • коротковолновые инфракрасные лучи (0,7-1,4 мкм);
  • средневолновые инфракрасные волны (1,4-3,0 мкм);
  • дальнее инфракрасное излучение (3,0мкм-1,0 мм).

Как видим, самая широкая – длинноволновая часть спектра инфракрасного излучения.

Наши "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. 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…

Свойства инфракрасного излучения

Длина волны рассчитывается как частное от деления скорости света на частоту колебаний атомов вещества.
С ростом температуры, частота колебаний атомов увеличивается, а значит уменьшается длина волны инфракрасного луча.



Источники инфракрасного излучения излучают на одной длине волны, в виде полос с пиками или 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 оптическом или видимом диапазоне. На чем основано действие яркостного пирометра: сравниваются две яркости – эталонной нити накаливания и исследуемого предмета. Зная температуру нити при заданной яркости, легко измеряется искомая температура.

При меньшей температуре – например 50 или 100 градусов, тело остается “темным”, но только в оптическом диапазоне, инфракрасное тепло оно продолжает испускать.

Плутон

Отметим, что понятия "теплый" или "холодный" различаются на земле и в космосе, о чем мы расскажем чуть ниже.

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”.

Вернемся опять в земные условия. При температуре в диапазоне ориентировочно выше плюс 500 градусов, можно произвести интересный эксперимент – измерить температуру двумя бесконтактными термометрами: радиационным и яркостным. Первый из пирометров исследует тепловое излучение, улавливая инфракрасные лучи на заданной длине волны, а второй – в оптической, видимой части спектра.

Теперь перейдем в область низких температур.

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 21 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  инфракрасный термометр, если навести лазерный луч на предмет, охлажденный почти до абсолютного нуля ?

Инфракрасный пирометр
Ничего измерительный прибор не покажет – если пирометр купить с диапазоном -30°С~+500°С , то как при выходе за верхнюю границу, так и при заходе в область нереального мороза, а по-другому и не назовешь “температурные окрестности” абсолютного нуля, инфракрасные термометры "понимают" это как выход за границы температурного диапазона.

В принципе, бесконтактный термометр с нижним пределом -30 градусов абсолютно “равнодушен”, куда направлен его инфракрасный взор – на морозилку с мясом глубокой заморозки в -50 градусов или на тело, охлажденное до абсолютного нуля. Выход за пределы и точка.

Это первая, банальная причина, связанная с несоответствием паспортных данных.

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.

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.

А они в значительной степени связаны с измерением температуры в теплых или горячих областях.

Верхняя граница ориентирована на несколько тысяч градусов – большинство высокотемпературных пирометров разрабатываются заводом-изготовителем под предел 3000 °С.

Если нужно выше, поможет яркостный дистанционный термометр, для которого теоретически не существует предела. Во всяком случае, точно измерить температуру в 6000°С, как на поверхности солнца, он способен.

Такой бесконтактный термометр изначально ориентирован на измерение высоких температур.

Что касается отрицательных, по шкале Цельсия, температур, большинство инфракрасных термометров ограничены пределом -50°С.
Конечно, есть Антарктида, где температура в 1983 году опустилась до самой низкой точки на Земле -89 градусов, но это скорее исключение и пирометр там вряд ли понадобится.

Инфракрасные лучи в космосе – космические пирометры

С оптическим телескопом и подзорной трубой знакомы все, а вот о факте, что инфракрасные волны, идущие из глубин вселенной, давно и успешно используется для исследования космического пространства, знают лишь поклонники астрономии.

Первые опыты в этом направлении провел еще в середине 18-го века Чарльс Пиации Смит, зарегистрировавший инфракрасное тепло нашего спутника – Луны.

Инфракрасный телескоп - космический пирометр

Оптические телескопы с трудом способны дотянуться до самой отдаленной планеты солнечной системы – Плутона, прежде всего из-за поглощения межзвездным водородом и только инфракрасное излучение дает редкую возможность разыскать в глубинах космоса черные дыры, ядра галактик, экзопланеты, звезды, инфракрасное тепло от некоторых из них проходит путь в миллиарды световых лет со скоростью света.

Для обнаружения древнейших галактик, сформированных после Большого взрыва, оптика не поможет.

Необходим инфракрасный телескоп, способный собирать слабое тепловое излучение с удаленных уголков пространства.

Но провести точное измерение температуры в астрономических масштабах не так просто. Вытянуть руку, зажав инфракрасный пирометр, не получится. Нужна “космическая пирометрия”.

Прежде всего, почему инфракрасный телескоп помещается на орбите ?

инфракрасный телескоп


Впрочем, есть и земные инфракрасные телескопы, но расположенные в горных массивах на высоте несколько километров над уровнем море с прозрачной атмосферой.

Другие телескопы устанавливаются на самолетах, поднимающиеся еще выше.

Все ухищрения, технологически реализуемые весьма не просто, подчинены единой цели – “обойти” воздействие атмосферы.

Воздушный океан, голубой дымкой обволакивающая нашу родную планету, создает сложно преодолимый барьер на пути, не пропуская инфракрасные лучи, точнее значительно ослабляя их.

На земле, инфракрасный телескоп получит искаженную смазанную картинку из-за поглощения земной атмосферой части спектра электромагнитного ИК излучения и приходится выводить "космический пирометр" на орбиту, причем даже не на околоземную, а на околосолнечную, располагая в особых точках, где солнечная радиация не мешает наблюдениям.

Инфракрасный датчик телескопа совместно с системой обработки данных это и есть своеобразный “межгалактический ИК термометр”.

Датчик температуры первых моделей телескопов был удивительно прост и состоял из полоски фольги, через которую пропускался электрический ток. Закон Ома работает и здесь.

Тепловое излучение с выбранного участка, попадая на датчик, нагревает сенсор, меняет сопротивление, а значит изменяются характеристики электрического тока.

Направляя инфракрасный датчик на участки неба, можно постепенно построить тепловую карту распределения температуры, анализируя идущее из космического пространства тепловое излучение удаленных астрономических объектов.

тепловизор для энергоаудита



В некоторой степени можно сказать, что инфракрасный телескоп действует как тепловизор для энергоаудита, формируя красочную карту распределения температур.



Но за кажущейся простотой, своеобразный космический инфракрасный термометр требует радикальных и достаточно сложно реализуемых технологических решений.

Проблема в том, что инфракрасное тепло, идущее через бескрайнее космическое пространство может быть со столь мизерной энергией, что способно нагреть датчик инфракрасного излучения всего лишь до нескольких Кельвинов ! Земные портативные пирометры отдыхают…

И если инфракрасный бесконтактный термометр телескопа не охладить, то столь нужный астрономам сигнал буквально утонет в тепловых шумах планет, соседних галактик и самого телескопа.

Инфракрасный телескоп Spitzer
Как решается эта задача, рассмотрим на примере инфракрасного телескопа Spitzer.

Чтобы избежать паразитного теплового излучения, и исследовать электромагнитный спектр в ИК диапазоне, инфракрасный датчик температуры охлаждается жидким гелием почти до минус 273 (всего +2~+3 градуса по шкале Кельвина !).

Без такого “мороза”, инфракрасный телескоп не оправдает возложенных на него надежд и сотен миллионов долларов налогоплательщиков.

Кстати на момент запуска, считалось, что датчик инфракрасного излучения телескопа Spitzer являлся самым холодным объектом во Вселенной ! Вот как. Такая колоссальная вселенная, а рекордсмен вполне земной, пусть и высокотехнологичный телескоп на орбите.

Впрочем, несмотря на внеземное применение, характеристики ИК телескопа можно встретить и в паспорте на самый обычный недорогой инфракрасный термометр - пирометр.

Прежде всего, это диапазон длин волн 3-180 мкм. Как мы видим, телескоп – космический бесконтактный термометр проводит измерение температуры в длинноволновой части спектра ИК диапазона, улавливая дальнее инфракрасное излучение.

Почему именно длинноволновые инфракрасные лучи интересуют астрономов?

Вспомним еще раз, что чем выше температура, тем больше частота колебаний атомов и меньше длина волны.

Дальнее инфракрасное излучение в ИК телескопе

Для холодных космических объектов, длины волн увеличиваются, дальнее инфракрасное излучение холодное, и инфракрасный датчик должен быть настроен на длинноволновую часть спектра.

Сверх охлажденный датчик инфракрасного излучения предоставил уникальную возможность запечатлеть красочные, достойные пера художника, тепловые карты участков неба, недоступные астрономам с наземными оптическими телескопами.

Вот одна из картин, полученных инфракрасным телескопом Spitzer.

  1. Голубой цвет – спектральная линия 3,6 мкм.
  2. Зеленый цвет – 4,5 мкм.
  3. Оранжевый – 5,8 мкм.

Название цветов весьма условны. Астрономические источники инфракрасного излучения не имеют цвета, а визуальное восприятие обеспечивает цифровая электроника телескопа, и программы для обработки результатов.

Мы привели это творение космического искусства, чтобы обратить внимание еще на одну важную характеристику земных ИК термометров – спектральные линии теплового излучения, точнее длины волн, на которых проводит измерение температуры инфракрасный пирометр ИК телескопа.

Гершель

Интересно, что один из инфракрасных телескопов носит имя ученого, обнаружившего еще два столетия назад, при исследовании свойства спектра электромагнитного излучения, что инфракрасные волны способны нагревать тела.

Речь идет про инфракрасный телескоп Herschel Space Observatory, названный по имени астронома Уильяма Гершеля.

Мы не зря так много времени посветили изучению космического инфракрасных лучей.

Во-первых, чтобы понять как работает земной термометр инфракрасный.

Во-вторых, чтобы отдать дань Гершелю, поскольку именно он, астроном, а не физик, считается первооткрывателем инфракрасного излучения.

Ученый “разложил” спектр солнечного света на составляющие - полочки, в зависимости от частоты, при помощи светофильтров, что и позволило ему открыть инфракрасные лучи.
Около каждого фильтра был установлен термометр и обнаружено, что вблизи красной части спектра, термометр нагревается сильнее всего.

Это и было невидимое инфракрасное тепло, вокруг которого и выросла целая наука – пирометрия, а с каждым годом инфракрасные термометры достигают все больше впечатляющих характеристик.

С высоты сегодняшней науки эксперимент кажется простым, и при всеобщем доступе к покупкам через интернет светофильтров, термометров, да практически всего, его вполне можно повторить.

Но для своего времени, открытие было революционным, хотя до тех пор, пока появился первый пирометр, должны были пройти столетия…
Чтобы отследить инфракрасное тепло, идущее от удаленных космических объектов, инфракрасный датчик телескопа, должен различать градации температуры в миллионные доли градуса.
Критически важно не потерять ни один квант энергии инфракрасных лучей.

Телескоп Джеймс Вебб

За сбор теплового излучения в телескопе отвечает фокусирующее зеркало, как линза у пирометра, с каждым последующим поколением, все больше увеличиваясь в размерах.

Новейший инфракрасный телескоп Джеймс Уэбб, оснащен зеркалом размером в 6 метров, собирающим инфракрасное тепло, прошедшее к датчику через миллиарды световых лет.

Пока не появился чувствительный инфракрасный датчик температуры, установленный в фокусе зеркала телескопа, ИК астрономия была “бедным родственником” оптической.

Толчок к развитию датчиков, как и во многих других отраслях, дали военные разработки, и со временем инфракрасное излучение нашло вполне мирное применение.

Датчик инфракрасного излучения на боеголовке ракет “воздух-воздух”, устанавливаемых на истребителях, как нельзя кстати оказался востребованным в инфракрасных телескопах.

Берегите инфракрасный пирометр !

Датчик инфракрасного телескопа, как мы отметили, охлаждается жидким гелием для повышения чувствительности.

Но перенесемся сначала в наши земные условия, а потом отправимся на одну из планет солнечной системы.

В паспорте на каждый бесконтактный термометр указывается предельная температура эксплуатации. Обычно это +50 или максимум +70 градусов.
Этот показатель никак не связан с верхней температурной границей.

Высокая температура на планете Венера

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

Интересно, что теоретически с этим без труда справятся даже самые бюджетные пирометры. 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, пирометр инфракрасный расплавится за минуту, ну может быть Вы успеете разглядеть на дисплее температуру ближайшего раскаленного камня.

Жарко на Венере. Вот и получается парадокс, что температурного диапазона достаточно, но сами ИК термометры чрезмерного нагрева не выдержат.

Чтобы провести измерение высоких температур, необходимо сам бесконтактный термометр “прятать” в охлаждаемую камеру. Впрочем, как мы покажем ниже, в земных условиях при контроле металлургических процессов, так и происходит.

Венера-13

Завершая интересную гипотетическую тему измерения пирометром 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.

Инфракрасное излучение и поглощенное тепло

Какая связь между гибелью динозавров, точностью инфракрасного пирометра и тепловым излучением ? На первый взгляд кажется странным подобный вопрос, достойный клуба знатоков “Что Где Когда”.

Достоверно судить о том, что произошло 65 миллионов лет назад, когда погибли динозавры, не может никто. Но факт, что главенствующую роль в этом сыграли инфракрасные лучи, точнее их отсутствие, ученые сомневаются все меньше.

Более того, причина исчезновения динозавров позволит нам установить одну из составляющих точности бесконтактного инфракрасного термометра.

При столкновении чиксулубского астероида с земной поверхностью в воздух были подняты миллиарды тонн пыли.

Рассмотрим катастрофическое развитие в спектральном отношении. В видимом, оптическом диапазоне наступила ночь или вечер.

Инфракрасное излучение задерживается пылью в атмосфере

Взвешенные частицы стали преградой для солнечных лучей, включая тепловое излучение. Что видели динозавры на самом деле, уже никто не расскажет.
Может ничего не видели, если была тьма.
Инфракрасные спектры дают не лучшую картину.
Инфракрасные волны перестали проникать к поверхности, активно поглощаясь частицами в воздухе.
Последовало постепенное остывание, уменьшение температуры, буквально на десятки градусов, повлекшее гибель динозавров от холода – напрямую и от уменьшающего количества корма – косвенным образом.
Но оставим это исследование палеонтологам. Нас больше интересует факт, что до земли перестало доходить инфракрасное излучение. Сказался эффект поглощения теплового потока поднявшейся пылью, сажей, и метеоритным веществом.

Обратимся еще раз к длине волны и частоте колебаний инфракрасного луча.

  • ближневолновое тепловое излучение (0.7-1.4 микрона);
  • средневолновые инфракрасные лучи (1.4-3.0 микрона);
  • дальнее инфракрасное излучение (3.0 микрона-1.0 мм).

Проанализируем размер частиц, которые теоретически могли подняться в воздух 65 миллионов лет назад при столкновении нашей родной планеты с метеоритом, из-за чего живительное инфракрасное тепло “затормозилось”, не добравшись до земли, оставив на голодном, точнее холодном пайке все живое.

Ну точнее не все, если быть справедливым.

Мелкие животные и насекомые уцелели, дав жизнь новому витку развития на Земле. Но сейчас не об этом.

Земная атмосфера прозрачна и пропускает инфракрасное излучение в диапазоне от 0,7 до 5 микрон, что включает инфракрасные спектры: коротковолновая, средневолновая часть и частично захватывается дальнее инфракрасное излучение.

Сопоставив длины волн инфракрасных лучей с размером взвешенных частиц после катастрофического столкновения, получаем, что величина каждой частички сопоставима с длиной инфракрасных волн во всех трех спектрах ИК излучения, а значит атмосфера становится не прозрачной не только в видимом диапазоне.

>Инфракрасное тепло, идущее от солнца, нагревает пылевую смесь из последствий взрыва, парящую в атмосфере, отдавая энергию, не доходящую в виде излучения до земной тверди.

Пыль влияет на инфракрасное излучение

Скорость осаждения взвешенных частиц в воздухе напрямую зависит от:

  • их размера;
  • движения воздушных масс;
  • силы земного притяжения.

Частицы размером:

  1. Крупные более 0,1 мм стремятся вниз со скоростью 50 см/с.
  2. от 1 до 100 мкм оседают со скоростью 20 см/с.
  3. Частицы менее 1 мкм могут вообще никогда не оседать, если есть возмущения в атмосфере !

А они будут, учитывая землетрясения и возникшие ураганы.

А пирометры то здесь при чем ?

На производстве инфракрасный термометр, в особенности встроенный в конвейер для непрерывного измерения температуры, находится не в лучших условиях.

На распространение теплового излучения и точность измерения температур влияют пыль, пар, газообразные химические соединения, возможно табачный дым, если рабочие привыкли больше курить, а не работать.

Подводя черту под космической и палеонтологической темой, сформулируем тезисы для перехода к "земной пирометрии".

  1. Инфракрасное излучение поглощается взвешенными частичками.
  2. Потеря энергии теплового излучения происходит в зависимости от фракционного состава загрязнений в воздухе.
  3. Поглощение инфракрасного тепла происходит на различных длинах волн. Чем более коротковолновое излечение принимается ИК датчиком, тем меньше помехи.
  4. Необходимо исключить паразитное влияние инфракрасных лучей от “соседних” источников ИК излучения.
  5. В не зависимости от температурного диапазона, на который рассчитан бесконтактный пирометр, следует обеспечить функционирование ИК термометра в пределах температур эксплуатации, предусмотренных техническими характеристиками.

Инфракрасное излучение на земле и точность пирометра

Инфракрасные лучи по своей физической волновой природе в космосе и на земле практически идентичны, различны только источники ИК излучения.

В космосе – планеты, галактики и кометы, на земле – заготовки, полуфабрикаты и готовые изделия на производстве или предметы быта.

Бесконтактное измерение температуры в земных условиях не такое простое, как пишут в статьях: “все, что Вам нужно - купить пирометр, направить на цель, нажать на курок и получите результат”. Только насколько достоверный ?

Если провести проверку контактным термометром, например с термопарой, разница может быть не допустимо большой.

Учет факторов, влияющих на точность дистанционного измерения температуры ! Вот ключ к достоверности.

Поясним на примере, даже пока не переходя к пирометрии.
Предположим мы разместили за окном на улице обычный уличный ртутный термометр, предназначенный для точного измерения температуры окружающего воздуха. Казалось бы чего проще ?

Даже в этом случае на измерительный процесс влияют как минимум три фактора:

  • инфракрасное тепло от солнечных лучей;
  • инфракрасное излучение от стекла, если термометр расположен недалеко от окна и перепад температур между воздухом в комнате и на улице достаточно велик;
  • порывы ветра, охлаждающие или нагревающие термометр.

В идеале достоверное значение температуры получится только в безветренную, пасмурную погоду и вдали от окна.

С пирометрами - инфракрасными термометрами все значительно сложнее !

Мощность инфракрасного излучения, исходящая от нагретых тел, определяется материалом изготовления, методом механической обработки, и состоянием поверхности. Как минимум.

На самом деле факторов влияния значительно больше.

Интересно, что температура окружающего воздуха, как ни странно на первый взгляд, практически не сказывается на результатах измерения температуры.

Инфракрасные волны беспрепятственно проходят через конвекционные естественные или искусственные тепловые потоки, не увеличивая и не уменьшая мощность ИК излучения. Возьмите себе на заметку !

Но начнем с коэффициента излучения.

Для каждого вида материала характерна важнейшая величина, вокруг которой сломлены тысячи копий, написаны сотни обзоров, отзывов и негодований с формулировками – “инфракрасный термометр показывает чепуху, что Вы мне продали за пирометр ?” – коэффициент излучения.

Инфракрасные волны “капризны” и требуют тщательного подхода, как в шахматах – чем больше учитывать вариантов расположения фигур противника на доске, тем выше шансы на победу, а в случае с бесконтактным пирометром – на точное измерение температуры.

Коэффициент теплового излучения или степень черноты.

Так называемое идеальное, гипотетическое черное тело имеет коэффициент излучения, равный единице.

Все остальные объекты материального мира относятся к так называемым серым телам с коэффициентом теплового излучения, всегда меньшим единицы.

Возьмем новый кухонный нож с полированным лезвием. Коэффициент излучения лезвия очень мал на уровне 0,2-0,3. О чем говорит эта относительная величина ?

Это частное от деления мощности инфракрасного излучения реального объекта на аналогичный показатель черного излучателя.

Сначала разберемся с понятием “черноты”. Сразу отметим, что черный излучатель или идеальное черное тело не является таковым в оптическом диапазоне.

Более того, любые цветовые характеристики объекта, которым мы оперируем в реальной жизни, вообще не имеют никакого отношения к тепловому излучению, что легко доказать на примере.

Предположим, что мы наблюдаем в галерее красочную, насыщенную яркими тонами картину авангардиста. Красный цвет рядом с черным, желтый с зеленым.

Возьмем в руки пирометр инфракрасный, направим на произведение искусства и будем медленно перемещать между участками с различными цветами.

Разницы в температуре не будет никакой !

Вся причина во втором законе термодинамики – тепло всегда передается от более теплого тела к более холодному.

Если бы один участок картины нагрелся больше другого, температура за счет теплопроводности рано или поздно перераспределилось и наступило стационарное тепловое равновесие.

Инфракрасное излучение черной дыры

Название “черное тело” видимо придумано по аналогии с таинственными космическими объектами, предсказанными еще Эйнштейном – черными дырами.

Только последние в отличии от черного тела, применительно к пирометрам, наоборот ничего не излучают, а поглощают все в окружности, как двигатель авиалайнера, работающий на полную мощность, втягивая воздух и все в радиусе десятков метров.

Если мы уж опять вернулись в космос, отметим, еще одно полезнейшее качество - какую информацию которые несут на тепловой волне инфракрасные лучи и чем уникальна астрономическая пирометрия.

Черная дыра поглощает все, даже свет, как бы парадоксально это не звучало, ничего не излучая, ни в каком из диапазонов. Т.е. как минимум в оптическом диапазоне мы ее не увидим.

Но потоки межзвездного газа, увлекаемые тяготением черной дыры, раскаляются до огромных температур.

Вот это инфракрасное тепло и есть желанное излучение – “краска“, чтобы ”художник” - космический пирометр в телескопе нарисовал для ученых удивительные инфракрасные картины.

По косвенным признакам инфракрасный телескоп, улавливая тепловые лучи, обнаружит черную дыру, ее размеры, и вес. Инфракрасное излучение никуда не деть. Ни на земле, ни в космосе.

Черное тело для поверки пирометра

Кстати, в земных условиях возможно изготовить искусственное черное тело - прецизионный измерительный прибор, используемый, когда производится поверка пирометров.

Итак, вернемся к коэффициенту излучения.

Коэффициент излучения и отражения

Мы отметили, что предметы, температура которых измеряется инфракрасными термометрами, относятся к серым излучателям тепла. Каким образом коэффициент излучения влияет на достоверность показаний бесконтактного термометра ?

Поясним на двух примерах.
Возьмем два инфракрасных пирометра. Один прибор для измерения температуры с постоянным коэффициентом эмиссии, другой – с настраиваемым.

Исходные данные: материал с коэффициентом теплового излучения 0.8.

Это значит 80% энергии излучается и может быть зарегистрирована измерителем температуры, а 20% - отражается.

  1. Инфракрасный термометр  с постоянным коэффициентом эмиссии – 0.95.

    недорогой пирометрПрежде чем провести эксперимент, заметим, что на ИК пирометр идет тепловой поток, а на дисплее мы видим искомое значение температуры, получаемое после оцифровки.

    Но сами тепловые потоки можно измерять непосредственно в Ваттах или ккал/ч, без перевода в значение температуры. Для этого используется специальный прибор - измеритель плотности теплового потока.

    Мы предположили, что коэффициент излучения составляет 0.8 - показатель взят из таблицы, для измерения температуры мы взяли простенький недорогой пирометр с постоянным коэффициентом теплового излучения 0.95, а тепловой поток при температуре объекта 25 градусов составил – 100 Ватт.

    Если бы коэффициент излучения ИК термометра и измеряемого объекта совпадал, то инфракрасный датчик бесконтактного термометра "поймал" бы тепловой поток 100 Ватт, а на дисплее зафиксировалось значение 25 °С.

    Но инфракрасный пирометр “думает”, что объект тоже имеет коэффициент теплового излучения 0.95, а значит ожидания ИК термометра несколько завышены - дистанционный измеритель температуры “предполагает”, что тепловой поток завышен и составляет например 105 Вт, хотя настоящий, натуральный тепловой поток меньше.

    Но инфракрасный термометр в этом не виноват. Нет у него настроек или у хозяина не хватило средств купить пирометр более "продвинутный", с настройками - видимо посчитал, что цена завышена. В результате на дисплее вместо истинного значения – 25 °С, высветится 27 °С.
    А теперь второй вариант.

  2. Инфракрасный термометр  с настраиваемым коэффициентом эмиссии.
    На такой пирометр цена несколько выше, но и возможности шире, если опять же верно настроен коэффициент эмиссии.

    Установим коэффициент теплового излучения на уровне 0.7. Допустим в случае, если действительный показатель для объекта - 0.8 не известен.

    Теперь ИК термометр “считает”, что тепловой поток занижен, и допустим составляет 90 Вт, а на самом деле он остался неизменным и с той же интенсивностью и энергией воздействует на инфракрасный датчик температуры, но поскольку “ожидания” дистанционного термометра занижены, на дисплее высветится предположим 23 °С.

Пирометр купить

Так что какой бы Вы не решили купить пирометр – недорогой инфракрасный термометр для быта, или “навороченный” с массой дополнительных функций логгер - регистратор температуры, без знания особенностей настройки коэффициента излучения “далеко не уедешь”.



Сделаем вывод.
Если коэффициент излучения занижен, температура будет завышена и на оборот.

На самом деле, решение задачи с коэффициентом теплового излучения – это только первый шаг к точности.

В интернете выложены таблицы с коэффициентами излучений с сотнями строк для буквально всех видов материалов. Но этого мало. Даже если выставить нужный коэффициент, значение температуры все равно может быть ошибочным !

Что оказывает влияние на коэффициент излучения ?
Частично на этот вопрос мы ответили. Первый фактор – это материал. Но не только в физическом смысле – камень, кирпич или дерево. Оказывает влияние степень механической обработки и агрегатное состояние – твердый, жидкий.
Приведем базовый перечень факторов влияния на коэффициент излучения.

  • материал;
  • длина волны;
  • температура.

Следовательно, термометр инфракрасный обеспечивает точное измерение температуры только при полном учете указанного набора факторов.

Говоря языком математики, функция точности пирометра 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.

Вернемся еще раз к материалам. Мы установили, как влияет коэффициент теплового излучения на измерение температуры.
Но почему меняется сам коэффициент излучения для разных материалов ? Причем судя по таблицам, в широчайшем диапазоне от 0.02 до 0.99.

Поясним на примере. Возьмем "крылатый" металл, популярный в авиастроении – алюминий. Это светлый металл с низким коэффициентом излучения.

А вот если поверхность начнет взаимодействовать с атмосферным кислородом и потемнеет, коэффициент теплового излучения увеличится.

И если при одной и той же настройке проводить измерения температуры одним и тем же инфракрасным пирометром, но в одном случае поверхность будет чистой, а в другом – окисленной, разница в покрытии даст о себе знать погрешностью в температуре.

На коэффициент излучения оказывает влияние:

  • окисление;
  • загрязнение;
  • механическая обработка – полировка, шлифовка.

Но и это еще не все ! Как мы отмечали выше, инфракрасное излучение – это колебательный процесс со своей частотой, периодом и длиной волны. И материалы могут излучать как в широком инфракрасном спектре, так и на узком участке.

Коэффициент излучения пирометра и длина инфракрасной волны

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 десятки раз.

Но если настройку коэффициента эмиссии можно сделать, нажав на инфракрасном термометре одну-две клавиши, то длина волны, на которой проводится бесконтактное измерение температуры, задается на заводе, указана в технических характеристиках и не может быть изменена. Для портативных пирометров диапазон волн обычно составляет 8-14 мкм.

Для дистанционного измерения температуры металлических поверхностей, желательно пирометр купить с наиболее коротковолновым диапазоном.

Еще одно важное преимущество коротковолновых ИК термометров выясняется, если вспомнить процессы затухания и поглощения инфракрасных лучей в атмосфере от взвешенных частиц, что мы рассматривали выше, когда говорили о гибели динозавров. Чем более коротковолновый выбран бесконтактный термометр, тем меньше влияют пылинки, и молекулы газа на точное измерение температуры.

И третье, от чего зависит коэффициент теплового излучения – это температура.

Как же так ? Сначала мы отметили, что коэффициент излучения неизменный и указан в справочных таблицах.

Потом выяснилось, что коэффициент зависит от длины волны.

А теперь открывается, что коэффициент излучения зависит от температуры.

Но ведь мы рассмотрели на примерах, что температура 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 излучения от температуры.

Коэффициент излучения и температура

Температурный график позволяет сделать 2 вывода.

  1. С ростом температуры, нелинейная функция зависимости коэффициента излучения растет по большинству материалов.
  2. В области низких температур для металлов, коэффициент излучения крайне мал, настроить инфракрасный термометр весьма затруднительно, а значение температуры 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 пирометр инфракрасный снова нужно подстраивать. Начинает сказываться высокая степень отражения емкости с расплавленным металлом.

Окончательно запутывают неопытного работника, ответственного за измерение высоких температур, слой окислов, шлака, посторонних включений, плавающие на поверхности жидкого металла.

Получается, что в диапазоне температуры плавления металлов, функция зависимости коэффициента излучения приобретает еще один аргумент, определяемый состоянием загрязнения расплавленной ванны с металлом, который достаточно сложно определить эмпирическим путем.

Шлак не стоит на месте, перемещаясь в бурлящей маске и показания пирометра постоянно меняются и колеблется коэффициент излучения, из-за того, что в поле зрения инфракрасного датчика 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 на измеряемые инфракрасные лучи начинает влиять паразитное тепловое излучение от окружающих предметов, искажающих показания инфракрасного термометра и не позволяющих провести точное измерение температуры.

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 определиться по цвету. На этом принципе кстати работают высокотемпературные оптические пирометры.

Как рассчитать коэффициент эмиссии пирометра ?

Итак, коэффициент излучения является функцией нескольких параметров. Как его верно рассчитать ?

Таблицы это хорошо, а сравнительное измерение температуры лучше. Именно так. Предположим, в таблице указано, что для полированного алюминия коэффициент излучения составляет 0.35.

Берем инфракрасный термометр - пирометр, входим в режим настроек, устанавливаем указанную величину.

Но не так быстро. Нам же нужно точное измерение температуры.

Понадобится еще контактный термометр, например с термопарой. Проводим непосредственное, контактное, фактически дублирующее дистанционное измерение температуры.

И сравниваем 2 показателя. Если контактный цифровой термометр с термопарой показывает большее значение температуры, чем бесконтактный пирометр, значит выставленный коэффициент теплового излучения занижен, и чтобы плотность теплового потока соответствовала реальной температуре равной измеренной контактным термометром, увеличиваем коэффициент излучения, пока разница между двумя температурами не станет минимальной.

Еще раз вернемся к идеальному черному телу, для которого коэффициент теплового излучения E равен единице, а коэффициент отражения R=0. Для реальных предметов сумма коэффициентов равняется единице, а вот соотношение между ними меняется: E+R=1.
Теперь исследуем несколько случаев из практики измерения температуры инфракрасным термометром.

  1. Температура объекта и окружающей среды - соседних предметов и воздуха, равны.

    В этом случае установленный коэффициент теплового излучения, как ни странно, не играет роли. Бесконтактный инфракрасный пирометр не различит, где полезные лучи от анализируемого предмета, а где паразитное инфракрасное тепло от окружающей среды.

  2. Дистанционное измерение температуры на производстве деталей с низким коэффициентом излучения.

Подобная задача актуальна в металлургических цехах, при работающих машинах по непрерывной разливке заготовок в охлаждаемые формы.

Металлы, особенно в жидком виде, характеризуются низким коэффициентом теплового излучения, что компенсируется настройкой пирометра.

При этом, исходя из уравнения (сумма коэффициентов отражения и излучения равняется единице), при слабом излучении – низкой плотности теплового потока, в показания ИК термометра подмешиваются “паразитные” инфракрасные лучи от окружающих предметов.

Чтобы снизить влияние паразитного инфракрасного тепла и обеспечить точное измерение температуры, предлагается следующая схема.

пирометры на производстве

Попадание взвешенных химических веществ, зачастую агрессивных на инфракрасную оптику промышленного пирометра предотвращается при помощи прозрачной шайбы из кварцевого стекла.

Дополнительная защита чувствительного инфракрасного датчика температуры организована при помощи штуцера, на котором устанавливается дистанционный термометр.

Воздушный слой в штуцере служит защитной прослойкой.

Для охлаждения системы измерения высоких температур может подсоединяться водяное охлаждение.

Инфракрасное зрение – терминаторами нам не стать !

Как жаль, что наше зрение не дает нам возможности видеть непосредственно в инфракрасном диапазоне !
Какие безмерные возможности открылись бы перед нами.

ЭнергоаудитСтало бы возможными без пирометров и тепловизоров прямо сейчас воочию указывать коммунальщикам на места утечки тепла в домах.

Да им бы и указывать ничего не надо было, они бы сами это видели.

Хотя если они сейчас ничего не делают, если им прямо предъявить цветную картинку на дисплее тепловизора для энергоаудита, то вряд ли станут проявлять активность, если лично визуально обнаружат холодные синие или зеленые тона.

Если бы наши органы зрения позволили бы наблюдать инфракрасное излучение, возможно изменился бы характер специальных военных операций и даже войн.
Не нужно тратиться на боевые тепловизоры. Не понадобятся инфракрасные прицелы.
Ни один диверсант не подкрался бы к месте расположения военных. Малейшее перемещение не осталось бы незамеченным – инфракрасное тепло тела не так просто спрятать.
Терминатор - инфракрасное зрение

Но пока это всего лишь мечты, дающие почву для сценариев блокбастеров.



Будем жить, и наблюдать знакомый мир в оптическом диапазоне, а не в инфракрасном.

Наш разум позволяет разработать пирометры для земли и космоса, чтобы обнаружить инфракрасные лучи, даже если органы зрения не совершенны, зарегистрировать, проанализировать тепловое излучение не только от звезды по имени Солнце, благодаря которому и возможно само существование жизни на земле…



Автор - ЧП Бром

22 Декабря 2016 826 0
Оставить отзыв
Поставьте оценку
Код защиты:
captcha
Ваш ответ
Код защиты:
captcha
Ваш комментарий будет опубликован после модерации администратором
Похожие посты
Фильтр
Найдено 5 
Подтвердите
Для того, что бы добавить товар в список желаний, Вам нужно