Излучательная способность объекта (коэффициент теплового излучения) - отношение мощности излучения объекта при данной температуре к мощности излучения абсолютно черного тела (АЧТ). АЧТ определяется как поверхность, излучающая максимальное количество энергии при данной температуре. Излучательная способность АЧТ равна 1,00.
Существуют следующие замечания:
- рекомендуется проводить бесконтактные измерения температуры при значении коэффициента теплового излучения более 0.7;
- при значении коэффициента теплового излучения в пределах от 0.3 до 0.7 проводить бесконтактные измерения температуры допускается, но не рекомендуется;
- при значении коэффициента теплового излучения менее 0.3 результаты не могут быть признаны достоверными из-за того, что уровень сигнала от объекта очень слабый и от поверхности отражается много паразитного излучения.
Проблема верного выбора значения коэффициента теплового излучения является очень важной, так как от этого в огромной степени зависит реальная точность измерения температуры бесконтактным методом. При неверном выборе этого значения погрешность может в несколько раз превысить паспортные значения для используемого пирометра. Значения коэффициента теплового излучения различных материалов можно найти в справочной литературе, но доверять нужно с большой осторожностью, так как все приведенные значения определены в лабораторных условиях, при различных температурах и характере поверхности образца материала.
В реальных условиях значение коэффициента теплового излучения зависит от следующих факторов:
- материала, из которого состоит объект (металл, пластик, вода, стекло и т.д.) и его агрегатного состояния;
- характера поверхности объекта (блестящая, гладкая, шероховатая);
- температуры объекта;
- спектра (области длин волн), в котором производятся измерения температуры;
- угла визирования объекта.
Рассмотрим несколько практических примеров:
- Коэффициент теплового излучения стали при окружающей температуре составляет 0.74 … 0.96 , пластика – 0.92 … 0.96 , воды – 0.98. Если же сталь будет находиться в жидком агрегатном состоянии, коэффициент излучения расплава лежит в пределах 0.36 … 0.38.
- Для шероховатой поверхности стального образца коэффициент теплового излучения составит 0.9 , а для гладкой блестящей поверхности – 0.1 … 0.3 . Вообще, чем выше степень шероховатости поверхности, тем большую величину составит значение коэффициента теплового излучения.
- Даже без перехода объекта в другое агрегатное состояние коэффициент теплового излучения для одного и того же материала будет зависеть от температуры. Например, для вольфрама на длине волны 0.5 мкм значение коэффициента теплового излучения при температуре 1600°С составит 0.47, а при температуре 2800°С – 0.43. Казалось бы, различие в 0.04 небольшое, но при измерении температур порядка 2500°С ошибка, вызванная неверной установкой коэффициента теплового излучения составит более 100°С, что очень немало.
- Для иллюстрации зависимости коэффициента теплового излучения от области спектра рассмотрим обычное оконное стекло. В области длин волн от 0.4 до 1.6 мкм стекло ведет себя как прозрачный объект с коэффициентом пропускания 0.98, в области длин волн от 1.6 до 3 мкм пропускание падает до 0, а значение коэффициента теплового излучения непрерывно растет, далее – в области длин волн от 3 до 5 мкм стекло ведет себя как серое тело с коэффициентом теплового излучения 0.96 … 0.98, затем, при увеличении длины волны значение коэффициента теплового излучения снижается и в спектре от 8 до 14 мкм стекло ведет себя как частично отражающий материал с коэффициентом излучения 0.8.
- Коэффициент излучения зависит и от угла, под которым измеряется температура объекта. Так для воды при визировании перпендикулярно поверхности коэффициент излучения составит 0.98, то при уменьшении угла скольжения до 10° значение коэффициента излучения упадет до 0.01, то есть в 98 раз.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что редко когда можно точно определить реальное значение коэффициента теплового излучения. Но существуют методы, которые позволяют уменьшить его влияние на точность измерений.
- Тарировка коэффициента теплового излучения для конкретного объекта: - Образец материала нагревается до определенной температуры, как-либо точно измеренной.
- - Температура поверхности образца измеряется пирометром. Значение излучательной способности подбирается до тех пор, пока индикатор прибора не покажет известную температуру образца.
- - Найденное значение излучательной способности фиксируется и используется для дальнейших измерений температуры этого материала, при этом измерения желательно производить под тем же углом и на том же расстоянии что и при определении значения коэффициента теплового излучения.
- Искусственная стабилизация значения коэффициента теплового излучения. Этот метод заключается в принудительном окислении металлических поверхностей или окрашивании металлических и неметаллических поверхностей. Например, если коэффициент излучения меди не превышает 0.2, то при окрашивании поверхности детали масляной краской он составит 0.92 … 0.96. Причем, разброс зависит не от цвета краски, а от того, насколько давно она нанесена – для свежей краски коэффициент теплового излучения ближе к 0.92, а для старой краски с трещиноватым слоем – ближе к 0.96. На практике для измерения окрашенных поверхностей рекомендуется использовать значение коэффициента излучения равное 0.95.
- Оклеивание измеряемых поверхностей пленкой на основе ПВХ. Данные пленки имеют коэффициент теплового излучения 0.92. В качестве пленки можно использовать обычный скотч – как прозрачный так и коричневый.
- Имитация черного тела. Например, измерить бесконтактным способом температуру поверхности расплава алюминия практически невозможно из-за того, что это фактически зеркало. Но если погрузить в расплав стальную трубу (длина должна превышать диаметр не менее чем в 6 раз), заваренную с одного конца и выдержать короткое время, она примет температуру расплава и можно измерять пирометром не зеркало расплава, а внутренность трубы, которая имитирует черное тело. Этот же метод можно применять для измерения температур и твердых (блестящих) тел. Для этого сверлится отверстие (отношение глубины к диаметру 6:1) в образце и визируется не поверхность образца, а внутренность отверстия, имитирующая черное тело. Действенность метода можно проверить так: установить на приборе ε=0.95, направить пирометр сначала на блестящую нагретую поверхность, а затем на отверстие и зафиксировать разницу показаний.
Подведем краткие выводы:- при измерении низких (до 200°С температур) пирометрами со спектром 8…14 мкм можно принять, что большинство объектов (бетон, кирпич, древесина, пластик, окисленная сталь, окрашенные поверхности) имеют коэффициент теплового излучения близкий к 0.95, значит такой коэффициент надо установить на пирометре;- для измерения блестящих поверхностей (медь, алюминий, оцинкованная сталь и т.п.) следует окрасить измеряемую область и установить на приборе коэффициент 0.95, или оклеить измеряемую область скотчем и установить на приборе коэффициент 0.92;- если надо точно узнать значение коэффициента теплового излучения надо провести тарировку: образец материала нагревается до определенной температуры, точно измеренной контактным датчиком; температура поверхности образца измеряется пирометром; значение излучательной способности подбирается до тех пор, пока индикатор прибора не покажет известную температуру образца;- при измерении высоких температур надо или точно знать значение коэффициента теплового излучения, или использовать метод имитации черного тела с погружением трубы в расплав.