비접촉식 온도 측정에서 방사율의 정의 및 영향

비접촉식 온도 측정에서는 측정 대상에서 방출되는 적외선 또는 열 복사를 고온계가 감지합니다. 고온계는 플랑크의 복사 방정식에 따라 수신된 복사로부터 온도를 계산합니다. 방사선의 수준은 측정 대상 물체의 방사율에 따라 크게 달라집니다. 하지만 복사율은 실제로 무엇을 의미하며 실제 측정에 어떤 영향을 미칠까요? 방사율은 어떻게 결정할 수 있으며 무엇에 의존할까요? 방사율을 잘못 설정하면 어떤 오류가 발생할 수 있으며 측정 오류를 최소화하려면 어떻게 해야 할까요? 다음 글에서는 이러한 질문과 기타 질문에 대해 설명합니다.

적외선/열 복사의 수준은 온도뿐만 아니라 측정 대상 자체에 따라 달라집니다. 측정 물체가 흡수(흡수한) 열 복사를 방출하는 능력은 방사율로 설명할 수 있습니다. 이상적인 또는 소위 "흑체 라디에이터"는 흡수한 모든 복사를 방출합니다. 실제 라디에이터는 같은 온도에서 "흑체 라디에이터"보다 더 적은 방사선을 방출합니다. 방사율 ε는 실제 측정 대상의 적외선 복사량 Φr과 "흑체 라디에이터"의 복사량 Φs의 비율입니다.

ε = Φr / Φs

따라서 방사율은 0과 1 또는 0과 100% 사이의 무차원 물리량입니다.

환경으로부터 측정 대상에 닿는 방사선은 측정 대상의 반사 정도에 따라 더 많이 또는 더 적게 반사됩니다. 열 복사는 가시광선과 동일한 복사 법칙을 따릅니다. 투명한 물체(유리, 호일)의 경우, 열 복사는 측정 물체 내부와 배경에서도 발생할 수 있습니다. 투과율은 물체를 통과하는 방사선의 비율을 나타냅니다. 고온계가 감지한 총 복사 ΦΣ는 다음과 같이 구성됩니다.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = 방사율
ρ = 반사율
τ = 투과율
ΦO = 물체 복사
ΦU = 주변 복사
ΦH = 배경 복사

복사 계수는 공식에 의해 연결됩니다:

1 = ε + ρ + τ

투과 성분은 투명하지 않은 물체의 경우 생략됩니다.

1 = ε + ρ

측정 대상의 방사율은 재료 또는 재료의 표면에 따라 크게 달라집니다. 비금속 및 비투명 물체는 일반적으로 방사율이 80% 이상인 좋은 열 방출체입니다. 금속의 경우 방사율은 5~90%까지 다양합니다. 금속이 빛날수록 방사율이 낮아집니다.

또한 방사율은 파장에 따라 달라질 수 있습니다. 이 특성은 특히 금속에서 두드러집니다. 금속의 방사율은 파장이 짧아질수록 증가합니다. 따라서 선택 시 단파장 고온계를 사용하는 것이 좋습니다.

유리, 플라스틱 또는 기체와 같은 투명한 물체에는 방사 특성이 좋은 특정 파장 범위가 있습니다. 이러한 물질의 온도를 측정하려면 이 파장에 민감한 특수 센서와 필터가 장착된 고온계를 선택해야 합니다.

금속과 유리의 복사 거동도 온도에 따라 달라집니다. 금속 표면이 산화되고 고체에서 액체로 변하면 방사율이 크게 변합니다.

금속의 방사율은 온도가 상승함에 따라 증가합니다. 유리의 경우 온도에 따라 고온계의 시야각이 증가하므로 내부 영역에서 방사되는 복사율이 증가합니다.

실제로는 환경으로부터의 외부 방사선이 발생할 수 있습니다. 대표적인 예가 뜨거운 가열로 내부의 차가운 금속 시트를 측정하는 것입니다. 고온계는 물체 복사 외에도 용광로 벽에서 시트에 반사되는 복사도 감지합니다. 물체 온도가 용광로 온도에 가까울수록 측정 오차가 작아집니다.

수냉식 투시 튜브는 실제 물체 온도를 측정하는 데 사용됩니다. 이 튜브는 오븐 벽에서 나오는 간섭 복사를 차단하는 데 사용됩니다. 충분히 큰 그림자를 만들려면 튜브 직경이 물체에서 측정 거리의 6배 이상이어야 합니다.

다양한 물질의 방사율에 대한 정보는 문헌이나 사용 설명서에서 확인할 수 있습니다. 그러나 이 정보는 신중하게 다루어야 합니다. 지정된 값이 유효한 파장 및 온도를 아는 것이 중요합니다. 또한 이는 이상적인 측정 조건에서 적용되는 값입니다.

실제 조건에서 고온계가 감지하는 방사선은 물체에 의해 반사되거나 투과되는 주변 방사선으로 인해 발생할 수도 있습니다. 고온계를 이상적인 문헌 값으로 설정하면 온도가 너무 높게 표시될 수 있습니다.

정확한 온도를 표시하려면 고온계의 방사율을 더 높은 값으로 설정해야 합니다. 이를 인위적으로 방사율을 높이는 것으로 알려져 있습니다. 설정할 실제 방사율은 접촉식 온도계로 비교 측정하여 결정할 수 있습니다. 물론 측정 오차는 접촉식 측정의 정확도에 따라 달라집니다.

또는 최대 약 250°C의 온도에서 방사율이 정의된 스티커를 측정 대상에 부착할 수도 있습니다.

먼저 스티커의 실제 온도가 결정됩니다(그림 2). 그런 다음 스티커 바로 옆에서 비교 측정을 수행하고 방사율을 고온계에 설정하여 이전 측정값이 다시 표시되도록 합니다. 방사율의 영향은 온도에 따라 증가하므로 이 비교 측정은 더 높은 온도에서 수행해야 합니다.

진공로와 같이 물체 온도가 높거나 측정 대상에 접근할 수 없는 경우, 물리적 이유로 측정 파장이 짧을수록 측정 오차가 감소하므로 매우 단파 고온계를 사용한 비교 측정이 권장됩니다.

강도 비교 고온계가 이러한 목적에 이상적으로 적합합니다(그림 3). 이 장치의 측정 원리는 0.67μm의 파장에서의 광학 색상 비교를 기반으로 합니다. 또한 측정 원리는 측정 대상의 크기와 무관하게 작동합니다.

방사율의 변화 또는 고온계의 잘못된 설정이 미치는 영향은 그림 4의 다이어그램에 나와 있습니다.

몇 년 전, 두 파장의 방사선을 동시에 측정하는 고온계가 시장에 출시되었습니다. 이 두 방사선의 몫은 온도에 비례합니다. 방사율의 변화로 인해 두 측정 채널에서 수신되는 복사가 변하더라도 방사율의 몫과 온도는 여전히 일정하게 유지됩니다. 그러나 이는 두 채널의 복사율 변화가 동일한 경우에만 적용됩니다. 실제로 금속의 변화는 일정하지 않습니다. 따라서 몫 고온계는 단일 채널 고온계보다 훨씬 더 큰 측정 오차가 발생할 수 있습니다. 따라서 종종 인용되는 비율 고온계를 사용한 "방사율 독립적" 측정에 대해 경고합니다.

예를 들어, 두 채널의 복사에너지가 시야의 더러운 사이트글라스나 먼지로 인해 동일한 정도로 약화되는 경우 비율 고온계는 계측상의 이점이 있습니다. 온도는 여전히 올바르게 표시됩니다.

중요한 측정 조건에서는 두 가지 스펙트럼 온도 값과 몫 온도를 병렬로 분석하는 것이 좋습니다. 결과에 따라 더 나은 측정 방법으로 고온계를 설정할 수 있습니다.

고온계를 선택할 때 브로셔에 명시된 측정 불확도에 큰 주의를 기울입니다. 그러나 비접촉식 온도 측정에서 발생하는 측정 오차는 본질적으로 측정 대상의 도량형 특성과 주변 조건에 따라 달라집니다. 장치별 측정 오류는 미미한 영향만 미칩니다. 따라서 고온계를 선택할 때와 측정 지점을 결정할 때 위에서 설명한 상관 관계를 모두 고려해야 합니다.