Абетка пірометрів - про випромінювання, поглинання та відображення

Дистанційне отримання інформації про температуру за допомогою пірометра це не магія, а таємничий інший канал передачі даних на відміну від контактного. Канал вигідний тим, що швидший, але має нюанси з налаштування, інакше потрапимо "пальцем у стелю".
Пірометри не єдині в тому, що доводиться використовувати інший канал, за рахунок чого вирішується радикально одна проблема, але дещо погіршується ситуація в чомусь іншому. Це як? Наведемо ще один приклад. До локальної мережі будинку можна підключитися від інтернет-провайдера як по кабелю (фізичне під'єднання роз'єму, але можна "по повітрю", тобто через радіосигнал Wifi). Wifi це свобода - до однієї точки доступу комутуються десятки пристроїв, але є "дірка" з безпекою, слабкість сигналу та ВЧ-перешкоди.

У пірометрах канал "транспортування" даних це потік інфрачервоного випромінювання, яке походить від ВСІХ навколишніх тел.

Але на жаль просто "натиснути на курок і побачити результат" не вийде. Ніхто не гарантує достовірність. Ми вже згадали, що потрібна процедура налаштування. Можна налаштовувати кроки відповідно до інструкції чи численних відео чи статей. Тобто не морочити голову запитаннями "що" та "як". А діяти строго за вказівками. Або другий шлях – вникати у фізику поширення інфрачервоних променів та виконувати зазначені процедури вже усвідомлено. Обидва шляхи добрі, якщо ведуть до позитивного результату. Але нинішня стаття для тих, хто хоче "пірнути" глибше. А не просто сліпо натискати на кнопки.

Базові тези інфрачервоного випромінювання

Будь-який реальний об'єкт, що нас оточує, включаючи нас самих, характеризується тріо параметрів теплового випромінювання:

• ε (emissivity) — коефіцієнт випромінювання (випромінююча здатність): частка енергії, яку поверхню випромінює порівняно з ідеальним чорним тілом за тієї ж температури. Діапазон 0…1. Це основне та шукане.
• α (absorptivity) — коефіцієнт поглинання: частка падаючого випромінювання, яку поверхню поглинає.
• ρ (reflectivity) — коефіцієнт відбиття: частка падаючого випромінювання, яку поверхню відбиває.

* Довідково. Чорне тіло - це ідеалізована фізична модель об'єкта, який повністю поглинає все падаюче на нього електромагнітне випромінювання в ІЧ-діапазоні (коефіцієнт поглинання α = 1, відображення немає ρ = 0), і при цьому сам випромінює енергію тільки за рахунок своєї температури - і робить це максимально ефективно (коефіцієнт випромінювання ε = 1). Справжня "мрія" !

Однак насправді "не ідеалізована" модель максимально ускладнює вимірювання температури пірометрами і доводиться буквально танцювати з бубном, щоб приборкати протистояння випромінювання, поглинання та відображення. На щось вплинути ми можемо, на щось - ні. Якби всі навколишні предмети були б ідеально чорними тілами, то як у світі вимірювальної техніки, так і в конструкторських бюро, так у маркетингу та продажах пірометрів, ми б спостерігали незвичні картини.

1. Для абсолютно чорних тіл (ми говоримо про гіпотетичний, вигаданий світ) достатньо купити пірометр із встановленим коефіцієнтом випромінювання (ε) рівним одиниці або близько того. І результат будет точним !
2. Не потрібні таблиці з десятками рядків для різних видів матеріалів, що гуляють в інтернеті або додаються до інструкції.
3. Не потрібно налаштовувати коефіцієнт емісії за даними зразка (наприклад термопари), намагаючись мінімізувати похибку.

Відповідно ІЧ-термометри були б простіше та дешевше. Лінійка б їхньої різноманітності вкоротилася. В інтернет-магазинах довелося б прибрати фільтр для користувача "з налаштуванням коефіцієнта емісії чи ні". А сама процедура кропіткої настройки пішла б в минуле.
До речі, і зараз у бюджетних пірометрів за умовчанням встановлено коефіцієнт 0,95. Тепер зрозуміло чому його програмують саме таким. Виробники не вважають, що світ ідеальний. Подекуди може він такий і є. А в інших випадках помилка просто зашкалює. Але в першому наближенні достатньо 0,95. Зійде, якщо немає дуже гладких, полірованих поверхонь. Тобто для побуту ОК.
Але загалом, намальована нами картина є утопією. Ми живемо у світі випадковостей та хаосу. Звук тоне у світі шуму. Ультразвук губиться у м'яких предметах і відбивається від твердих. І інфрачервоне випромінювання від об'єкта, температуру якого ми вимірюємо, ніколи не буде "чистим", а завжди змішаним із потоками тепла (або холоду) від навколишніх тіл. А результат буде не визначеним.

Тому ми приречені замовляти пірометри з налаштуванням коефіцієнта випромінювання та налаштовувати їх.

При цьому бажано розуміти, що саме ми робимо.

Ми ж рухаємось далі у світі інфрачервоного хаосу. З'ясовуємо, що і як заважає дійти в початковому вигляді інфрачервоному випромінюванню від предмета до безконтактного термометра.

Коли тіло поглинає тепло (α близько до 1)

Тіло активно поглинає теплове випромінювання, коли:

• Поверхня шорстка / матова / пориста → промені багаторазово відбиваються всередині нерівностей і майже все поглинається.
• Матеріал має високий коефіцієнт поглинання в даному діапазоні довжин хвиль.
• При цьому температура тіла не має прямого значення для того, чи поглинає воно чи ні — поглинання залежить від властивостей поверхні та довжини хвилі випромінювання, а не від того, холодніше чи гаряче джерело.

Навіть якщо тіло гаряче джерела, воно все одно поглинатиме частину падаючого випромінювання (і одночасно випромінюватиме своє). Але чисте нагрівання відбувається тільки, коли поглинена енергія > випромінюваної (тобто коли тіло холодніше джерела або джерело потужніше). Ось це так головоломка !

Приклади поверхонь із високим ІЧ-поглинанням (α ≈ 0.9–0.98):

* При високому коефіцієнті поглинання, близькому до 1, пірометр покаже найбільш точну цифру температури. Причому реалістичну картину забезпечать навіть найдорожчі пірометри без функції налаштування коефіцієнта випромінювання (як ми вже вище припустили в уявному світі тільки чорних тіл).

Тобто ми маємо власне випромінювання тіла ε≈1. І якщо це тіло поглинає все тепло від навколишніх предметів α ≈1 та майже нічого не відображає, то в "дуло" пірометра потрапляє саме те, що ми хочемо! Але досить вірити у казки. Такого ніколи не буде. Ну хіба що у лабораторних умовах при повірці та калібруванні пірометрів за допомогою спеціального пристрою, яке імітує чорне тіло.
А ось на практиці - на виробництві "вбивцею точності пірометрів" є високий рівень відображення.

Коли тіло відбиває тепло (ρ близько до 1)

Відображення відбувається, коли:

• Поверхня гладка, полірована, металева → промені відбиваються дзеркально (як світло від дзеркала).
• Матеріал має низький коефіцієнт поглинання в ІЧ-діапазоні (метали, особливо чисті та відшліфовані, погано поглинають ІЧ → добре відображають).
• Відображення також не залежить від температури поверхні — полірований алюміній відображатиме теплове випромінювання і якщо він холодний, і якщо гарячий.

Приклади поверхонь із високим відображенням (ρ ≈ 0.8–0.96, ε ≈ 0.04–0.2):

І пару "холодних" прикладів щодо відображення.
Короткий історичний екскурс. За довгу історію існування Землі, було 3 періоди повного зледеніння, когла вся планета була вкрита товстим шаром льоду (кілька кілометрів!). Через те, що лід має високий альбедо (це ще один синонім відбивної здатності), він відбиває майже все космічне тепло, що падає на нього, тим самим ще більше охолоджуючись. Це явище в історії планети отримало назву Земля - сніжок. Звучить по-дитячому, а за фактом - мільйони років під крижаною ковдрою, десь глибоко, в океанах, прімітивне життя чекало на свій шанс...

А тепер до наших звичайних, кулінарно-кондитерських прикладів. Внутрішня поверхня упаковки морозива блискуча та гладка. Відповідь вже зрозуміла чому. Щоб відбивати тепло. А відповідно менше поглинати. Отже, морозиво довше залишатиметься холодним. З цієї причини курочку гриль загортають у блискучу обгортку при запіканні.

Слухайте! Вигукне вдумливий читач. Якщо у мене є полірована металева пластина з високим відображенням, як ви сказали, а значить пірометр покаже нісенітницю (якщо не підлаштований або обрана модель з постійним коефіцієнтом), то якщо поверхню зробити шорсткою, пофарбувати в темний колір або залишити відкритою всім вітрам, щоб вкрилася окислами, то точність зросте ?

Так! Так і буде.

ОК. Отже, моя експертиза зростає. Тоді друге питання. Якщо поруч будуть лежати одного розміру і однієї температури сталеві смужки, але одна з них відполірована, а інша шорстка і окислена, і кожну з низ виміряти пірометром, ми отримаємо різні результати ?

Так! І це теж правильно. Ось так. Розуміння зростає. А точність не є постійною. Як же це складно, з цими вашими пірометрами ! Так і є. Легкої прогулянки ніхто не обіцяв. Це не гортати безцільно стріку фейсбуку. Але швидкість! Результат – за секунду. Заради цього варто витратити час на налаштування. Але оскільки розуміння процесу тепер є, точність можна виправити. До речі, а який результат буде дійсним? З першою пластиною або з другою? А може, ні з якою ?

Відповідь на це питання – для кожного типу поверхні використовувати свій, "персональний" коефіцієнт емісії..

Або якщо постійно переналаштовувати це незручно, використовувати пару пірометрів, кожен з яких налаштований на свій коефіцієнт. Але ця порада особливо не масштабується. Якщо різних поверхонь не дві, а десятки.

Проблема навколишніх предметів

Ось ми граємось поняттями відображенням та поглинання і безсило констатуємо, що відбита енергія спотворює дані пірометрів, вносячи хаос і роблячи складним визначення справжнього власного випромінювання об'єкта.
А звідки взагалі береться це "додаткове випромінювання"? Хто псує інфрачервоний пейзаж? Адже ми спрямовуємо пірометр прямо на нашу деталь. І знаємо абсолютно точно, що в полі зору (або здивуємо надрозумним терміном - пятно візування) не потрапляє ніяке інше, не бажане випромінювання.

Наївність покладемо до кишені. На нашу деталь впливають також: навколишні предмети – стіни, робітники, що проходять за авансом, гарячі верстати, або холодні болванки, притрушені снігом, завезені на акумуляторному навантажувачі з вулиці, якщо повітря зовні морозне.
І вся ця хаотична, слабо передбачувана сукупність і досягає пірометра, який "бачить":

• власне випромінювання об'єкта, що цікавить;
• відбите від нього випромінювання, яке у свою чергу отримано від навколишніх джерел.

Вкажемо дви важливих шляхи, які безпосередньо впливають на точність. Один нехай складно, але практично реалізований. Другий - переважно гіпотетичний.
Стаціонарні умови для виміру. З паразитним відбитим випромінюванням можна змиритися як з неминучістю, якщо воно не змінюється за потужністю з часом. Тобто якщо розташування предметів залишається незмінним, як і температура кожного з них. Принаймні протягом періоду налаштування коефіцієнта емісії + наступного виміру. А далі - вже байдуже не має значення. Якби знати абсолютно точно, що ні розташування предметів, ні їх температура не змінюються при кожному вимірі, то коефіцієнт емісії можна було б налаштувати 1 раз і отримуватимемо незмінно точний результат! Оскільки відбите випромінювання не змінюється. Воно передбачуване. І його вплив легко врахувати під час настроювання коефіцієнта випромінювання. Фактично ми коригуємо показання на цю помилку.
Можна сказати й іншими словами. Налаштування коефіцієнта ε у пірометрі потрібне саме для того, щоб прилад правильно інтерпретував власне випромінювання об'єкта і не "плутав" його з відбитим тлом. Щоб ми могли зітхнути з полегшенням максимально точно вичленувати саме корисний сигнол, очистивши його від інфрачервоного сміття.