Định nghĩa và ảnh hưởng của hệ số phát xạ trong đo nhiệt độ không tiếp xúc

Trong quá trình đo nhiệt độ không tiếp xúc, bức xạ hồng ngoại hoặc nhiệt do vật thể đo phát ra được thu nhận bởi một nhiệt kế. Nhiệt kế tính toán nhiệt độ từ bức xạ thu nhận được theo phương trình bức xạ Planck. Mức độ bức xạ phụ thuộc chủ yếu vào độ phát xạ của vật thể đo. Nhưng độ phát xạ thực sự là gì và nó ảnh hưởng như thế nào đến việc đo lường thực tế? Làm thế nào để xác định độ phát xạ và nó phụ thuộc vào yếu tố nào? Những lỗi nào có thể xảy ra khi độ phát xạ được cài đặt sai và làm thế nào để giảm thiểu lỗi đo lường? Những câu hỏi này và các câu hỏi khác sẽ được thảo luận trong bài viết sau.

Mức độ bức xạ hồng ngoại/nhiệt không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào chính vật thể được đo. Khả năng của vật thể được đo trong việc phát lại bức xạ nhiệt mà nó hấp thụ được mô tả bằng hệ số phát xạ. Một vật thể lý tưởng hoặc được gọi là "bức xạ đen" phát ra toàn bộ bức xạ mà nó hấp thụ. Một bộ phát thực tế phát ra bức xạ ít hơn so với "bộ phát đen" ở cùng nhiệt độ. Độ phát xạ ε là tỷ lệ giữa bức xạ hồng ngoại của một vật thể đo thực tế Φr và bức xạ của một "bộ phát đen" Φs.

ε = Φr / Φs

Do đó, độ phát xạ là một đại lượng vật lý không có đơn vị giữa 0 và 1 hoặc 0 và 100%.

Bức xạ từ môi trường xung quanh chiếu vào đối tượng đo sẽ được phản xạ với cường độ khác nhau tùy thuộc vào độ phản xạ của đối tượng đo. Bức xạ nhiệt tuân theo các định luật bức xạ giống như ánh sáng nhìn thấy. Đối với các vật thể trong suốt (thủy tinh, màng mỏng), bức xạ nhiệt có thể phát ra từ bên trong vật thể đo và từ nền sau. Độ truyền qua cho biết phần trăm bức xạ xuyên qua vật thể. Tổng bức xạ ΦΣ được đo bằng nhiệt kế bao gồm các thành phần sau.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = Độ phát xạ
ρ = Độ phản xạ
τ = Độ truyền qua
ΦO = Bức xạ vật thể
ΦU = Bức xạ môi trường xung quanh
ΦH = Bức xạ nền

Các hệ số bức xạ được liên kết bằng công thức:

1 = ε + ρ + τ

Đối với các vật thể không trong suốt, phần truyền qua không được tính.

1 = ε + ρ

Độ phát xạ của một vật thể đo lường phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu hoặc bề mặt của vật liệu đó. Các vật thể phi kim loại và không trong suốt thường là các vật thể phát nhiệt tốt với độ phát xạ > 80 %. Đối với kim loại, độ phát xạ có thể dao động từ 5 đến 90 %. Kim loại càng sáng bóng thì độ phát xạ càng thấp.

Hơn nữa, độ phát xạ có thể thay đổi tùy thuộc vào bước sóng. Đặc tính này đặc biệt rõ rệt ở kim loại. Khả năng bức xạ của kim loại tăng lên khi bước sóng ngắn lại. Do đó, khi lựa chọn, nên sử dụng nhiệt kế đo bước sóng ngắn.

Các vật thể trong suốt như thủy tinh, nhựa hoặc khí có các dải bước sóng cụ thể, trong đó chúng có đặc tính bức xạ tốt. Để đo nhiệt độ của các vật liệu này, cần chọn nhiệt kế có cảm biến và bộ lọc đặc biệt, nhạy cảm với bước sóng này.

Đối với kim loại và thủy tinh, đặc tính bức xạ cũng thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ. Đặc biệt, quá trình oxy hóa bề mặt kim loại và sự chuyển đổi từ trạng thái rắn sang lỏng làm thay đổi đáng kể độ phát xạ.

Độ phát xạ của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng. Đối với thủy tinh, độ sâu quan sát của nhiệt kế tăng theo nhiệt độ và do đó, tỷ lệ bức xạ từ vùng bên trong cũng tăng.

Trong thực tế, bức xạ bên ngoài từ môi trường xung quanh có thể xuất hiện. Ví dụ điển hình là việc đo một tấm kim loại lạnh trong lò nung nóng. Ngoài bức xạ của vật thể, nhiệt kế còn ghi nhận bức xạ của thành lò phản chiếu trên tấm kim loại. Càng gần nhiệt độ của vật thể với nhiệt độ lò, sai số đo càng nhỏ.

Để đo nhiệt độ thực của vật thể, cần sử dụng ống ngắm làm mát bằng nước. Ống ngắm này có tác dụng che chắn bức xạ nhiễu từ thành lò. Đường kính ống phải gấp ít nhất 6 lần khoảng cách đo đến vật thể để tạo ra bóng che đủ lớn.

Trong tài liệu hoặc hướng dẫn sử dụng, bạn có thể tìm thấy thông tin về hệ số phát xạ của các chất khác nhau. Tuy nhiên, thông tin này cần được xem xét một cách thận trọng. Điều quan trọng là thông tin về bước sóng và nhiệt độ mà giá trị được chỉ định có hiệu lực. Ngoài ra, các giá trị này chỉ áp dụng trong điều kiện đo lường lý tưởng.

Trong điều kiện thực tế, bức xạ được đo bằng nhiệt kế cũng có thể là kết quả của bức xạ môi trường phản xạ hoặc xuyên qua vật thể. Nếu nhiệt kế được cài đặt theo giá trị lý tưởng trong tài liệu, nó sẽ hiển thị nhiệt độ quá cao.

Để hiển thị nhiệt độ chính xác, hệ số phát xạ trên nhiệt kế phải được cài đặt ở giá trị cao hơn. Điều này được gọi là tăng độ phát xạ nhân tạo. Độ phát xạ thực tế cần thiết lập có thể được xác định bằng cách so sánh với nhiệt kế tiếp xúc. Tất nhiên, sai số đo lường cũng phụ thuộc vào độ chính xác của phép đo tiếp xúc.

Ngoài ra, đối với nhiệt độ lên đến khoảng 250 °C, có thể dán nhãn có độ phát xạ xác định lên vật thể đo.

Đầu tiên, nhiệt độ thực tế được xác định trên nhãn dán (Hình 2). Sau đó, một phép đo so sánh được thực hiện ngay bên cạnh nhãn dán và độ phát xạ được điều chỉnh trên nhiệt kế để hiển thị lại giá trị đo trước đó. Do ảnh hưởng của độ phát xạ tăng theo nhiệt độ, phép đo so sánh này phải được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn.

Đối với các vật thể có nhiệt độ cao hoặc các vật thể không thể tiếp cận để đo, ví dụ như trong lò chân không, nên thực hiện phép đo so sánh bằng nhiệt kế đo sóng rất ngắn, vì theo nguyên tắc vật lý, sai số đo sẽ giảm khi bước sóng đo ngắn hơn.

Nhiệt kế so sánh cường độ (hình 3) là thiết bị lý tưởng cho việc này. Nguyên lý đo của các thiết bị này dựa trên so sánh màu quang học ở bước sóng 0,67 μm. Ngoài ra, nguyên lý đo hoạt động độc lập với kích thước của đối tượng đo.

Ảnh hưởng của sự thay đổi độ phát xạ hoặc cài đặt sai của nhiệt kế được thể hiện trong biểu đồ Hình 4.

Vài năm trước, các nhiệt kế đo bức xạ đã được đưa ra thị trường, có thể đo bức xạ ở hai bước sóng cùng một lúc. Tỷ lệ giữa hai bức xạ này tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Khi độ phát xạ thay đổi, bức xạ nhận được của hai kênh đo sẽ thay đổi, nhưng tỷ lệ và nhiệt độ vẫn giữ nguyên. Tuy nhiên, điều này chỉ áp dụng khi độ phát xạ thay đổi giống nhau cho cả hai kênh. Trong thực tế, sự thay đổi đối với kim loại không phải là hằng số. Máy đo nhiệt độ tỷ lệ có thể tạo ra sai số đo lường lớn hơn đáng kể so với máy đo nhiệt độ một kênh. Do đó, cần cảnh báo về phép đo "không phụ thuộc vào độ phát xạ" thường được trích dẫn với nhiệt kế tỷ lệ.

Nhiệt kế tỷ lệ có lợi thế về mặt kỹ thuật đo lường khi, ví dụ, năng lượng bức xạ của cả hai kênh bị suy yếu ở mức độ như nhau do kính quan sát bị bẩn hoặc bụi trong trường nhìn. Nhiệt độ vẫn được hiển thị chính xác.

Trong điều kiện đo lường quan trọng, nên xem xét song song cả hai giá trị nhiệt độ quang phổ và nhiệt độ tỷ lệ. Tùy thuộc vào kết quả, có thể điều chỉnh pyrometer để sử dụng phương pháp đo lường tốt hơn.

Khi lựa chọn một nhiệt kế, cần chú ý đến độ chính xác đo lường được ghi trong tài liệu quảng cáo. Tuy nhiên, trong trường hợp đo nhiệt độ không tiếp xúc, sai số đo lường chủ yếu phụ thuộc vào các đặc tính kỹ thuật đo lường của đối tượng đo và điều kiện môi trường. Lỗi đo lường cụ thể của thiết bị chỉ ảnh hưởng một phần nhỏ. Do đó, khi lựa chọn nhiệt kế và xác định vị trí đo, cần lưu ý các mối quan hệ nêu trên.