Определение и влияние излучательной способности при бесконтактном измерении температуры

При бесконтактном измерении температуры инфракрасное или тепловое излучение, испускаемое измеряемым объектом, регистрируется пирометром. Пирометр рассчитывает температуру по полученному излучению в соответствии с уравнением излучения Планка. Уровень излучения в значительной степени зависит от излучательной способности измеряемого объекта. Но что на самом деле означает излучательная способность и как она влияет на практические измерения? Как определить излучательную способность и от чего она зависит? Какие ошибки могут возникнуть при неправильно установленной излучательной способности и как минимизировать погрешности измерений? Эти и другие вопросы рассматриваются в следующей статье.

Уровень инфракрасного/теплового излучения зависит не только от температуры, но и от самого объекта измерения. Способность объекта измерения испускать тепловое излучение, которое он поглотил (абсорбировал), описывается излучательной способностью. Идеальный или так называемый "радиатор черного тела" испускает все поглощенное им излучение. Реальный радиатор при той же температуре испускает меньше излучения, чем "радиатор черного тела". Излучательная способность ε - это отношение инфракрасного излучения реального объекта измерения Φr к излучению "излучателя черного тела" Φs.

ε = Φr / Φs

Таким образом, излучательная способность - это безразмерная физическая величина в диапазоне от 0 до 1 или от 0 до 100 %.

Излучение, попадающее на объект измерения из окружающей среды, отражается в большей или меньшей степени в зависимости от степени отражения объекта измерения. Тепловое излучение подчиняется тем же законам излучения, что и видимый свет. В случае прозрачных объектов (стекло, фольга) тепловое излучение может также поступать изнутри объекта измерения и от фона. Коэффициент пропускания показывает процент излучения, проходящего через объект. Общее излучение ΦΣ, регистрируемое пирометром, складывается следующим образом.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = излучательная способность
ρ = отражательная способность
τ = пропускательная способность
ΦO = излучение объекта
ΦU = излучение окружающей среды
ΦH = фоновое излучение

Коэффициенты излучения связаны между собой по формуле:

1 = ε + ρ + τ

Для непрозрачных объектов компонент пропускания опускается.

1 = ε + ρ

Излучательная способность объекта измерения в значительной степени зависит от материала или поверхности материала. Неметаллические и непрозрачные объекты обычно являются хорошими тепловыми излучателями с излучательной способностью > 80 %. У металлов излучательная способность может варьироваться от 5 до 90 %. Чем больше блеск металла, тем ниже его излучательная способность.

Кроме того, излучательная способность может меняться в зависимости от длины волны. Это свойство особенно ярко выражено у металлов. Лучистая способность металлов увеличивается по мере уменьшения длины волны. Поэтому при выборе рекомендуется использовать коротковолновый пирометр.

Прозрачные объекты, такие как стекло, пластик или газы, имеют определенные диапазоны длин волн, в которых они обладают хорошими излучательными свойствами. Для измерения температуры этих материалов необходимо выбирать пирометры со специальными датчиками и фильтрами, чувствительными к этой длине волны.

Поведение металлов и стекла в отношении излучения также меняется в зависимости от температуры. Окисление поверхности металлов и переход из твердого состояния в жидкое приводит к значительному изменению излучательной способности.

Излучательная способность металлов увеличивается при повышении температуры. У стекла глубина обзора пирометра увеличивается с ростом температуры, а значит, и доля излучения из внутренней области.

На практике может иметь место внешнее излучение из окружающей среды. Классическим примером является измерение холодного металлического листа внутри горячей нагревательной печи. Помимо излучения объекта, пирометр также регистрирует излучение от стенки печи, отраженное от листа. Чем ближе температура объекта к температуре печи, тем меньше погрешность измерения.

Для измерения истинной температуры объекта используются водоохлаждаемые визирные трубки. Они используются для затенения интерференционного излучения от стенок печи. Диаметр трубки должен быть не менее чем в 6 раз больше расстояния до объекта, чтобы создать достаточно большую тень.

Информацию об излучательной способности различных веществ можно найти в литературе или инструкции по эксплуатации. Однако к этой информации следует относиться с осторожностью. Важно знать, для какой длины волны и температуры справедливо указанное значение. Кроме того, эти значения действительны при идеальных условиях измерения.

В реальных условиях излучение, регистрируемое пирометром, может также быть результатом отраженного или пропущенного объектом излучения окружающей среды. Если настроить пирометр на идеализированное литературное значение, он будет показывать слишком высокую температуру.

Чтобы показывать правильную температуру, излучательная способность пирометра должна быть установлена на более высокое значение. Это называется искусственным увеличением излучательной способности. Фактическое значение излучательной способности, которое необходимо установить, можно определить путем сравнительного измерения контактным термометром. Конечно, погрешность измерения в этом случае также зависит от точности контактного измерения.

В качестве альтернативы на измеряемый объект можно наклеить наклейку с заданной излучательной способностью при температуре до 250 °C.

Сначала определяется истинная температура на наклейке (рис. 2). Затем проводится сравнительное измерение непосредственно рядом с наклейкой, и на пирометре устанавливается излучательная способность, чтобы на экране снова отображалось предыдущее измеренное значение. Поскольку влияние излучательной способности увеличивается с ростом температуры, сравнительное измерение следует проводить при более высоких температурах.

В случае высоких температур объекта или недоступных объектов измерения, например, в вакуумной печи, рекомендуется проводить сравнительное измерение. В вакуумной печи рекомендуется проводить сравнительные измерения с помощью очень коротковолнового пирометра, так как по физическим причинам погрешность измерения уменьшается с уменьшением длины волны измерения.

Для этой цели идеально подходит пирометр сравнения интенсивности (рис. 3). Принцип измерения этих приборов основан на оптическом сравнении цветов при длине волны 0,67 мкм. Кроме того, принцип измерения работает независимо от размера измеряемого объекта.

Последствия изменения излучательной способности или неправильной настройки пирометра показаны на диаграмме на рис. 4.

Несколько лет назад на рынке появились пирометры, которые измеряют излучение одновременно на двух длинах волн. Коэффициент этих двух излучений пропорционален температуре. Если излучение, принимаемое двумя измерительными каналами, изменяется из-за изменения излучательной способности, то коэффициент и, следовательно, температура остаются постоянными. Однако это справедливо только в том случае, если изменение излучательной способности одинаково для обоих каналов. На практике изменение металлов не является постоянным. В этом случае пирометры с квотированием могут давать значительно большие погрешности измерений, чем одноканальные пирометры. Поэтому мы предостерегаем от часто упоминаемого "независимого от излучательной способности" измерения с помощью пирометров соотношения.

Пирометр соотношения имеет метрологические преимущества, если, например, лучистая энергия обоих каналов ослаблена в одинаковой степени из-за загрязнения смотровых стекол или пыли в поле зрения. Температура при этом отображается корректно.

В критических условиях измерений рекомендуется параллельно анализировать два спектральных значения температуры и температуру коэффициента. В зависимости от результата пирометр может быть настроен на лучший метод измерения.

При выборе пирометра большое внимание уделяется погрешности измерения, указанной в брошюре. Однако при бесконтактном измерении температуры возникающая погрешность измерения в основном зависит от метрологических свойств объекта измерения и условий окружающей среды. Погрешность измерения конкретного прибора имеет лишь незначительное влияние. Поэтому описанные выше соотношения должны учитываться как при выборе пирометра, так и при определении точки измерения.