Феномен инфракрасного излучения

Инфракрасный (ИК) термометр - это датчик, который определяет температуру объекта путем обнаружения и количественной оценки инфракрасного излучения, испускаемого этим объектом. ИК-термометр можно сравнить с человеческим глазом. Хрусталик глаза представляет собой оптику, через которую излучение (поток фотонов) от объекта достигает светочувствительного слоя (сетчатки) через атмосферу. Это преобразуется в сигнал, который отправляется в мозг. На рис. 3 показано, как работает инфракрасная измерительная система.

Рис.3 Инфракрасная измерительная система

Каждая форма материи с температурой выше абсолютного нуля (-273,15 ° C / -459,8 ° F) излучает инфракрасное излучение в зависимости от ее температуры. Это называется характеристическим излучением. Причина этого - внутреннее механическое движение молекул. Интенсивность этого движения зависит от температуры объекта. Поскольку движение молекулы представляет собой смещение заряда, испускается электромагнитное излучение (фотонные частицы). Эти фотоны движутся со скоростью света и ведут себя в соответствии с известными оптическими принципами. Они могут отклоняться, фокусироваться линзой или отражаться отражающими поверхностями. Спектр этого излучения находится в диапазоне длин волн от 0,7 до 1000 мкм. По этой причине это излучение обычно нельзя увидеть невооруженным глазом, см. рис. 4.

Рис.4 Электромагнитный спектр с диапазоном от 1 до 20 μm, пригодный для измерения цели

Однако невидимая часть спектра содержит до 100 000 раз больше энергии. На этом основана инфракрасная измерительная техника. На рис. 5 видно, что максимум излучения смещается в сторону более коротких длин волн при повышении целевой температуры, и что кривые тела не перекрываются при разных температурах. Энергия излучения во всем диапазоне длин волн (площадь под каждой кривой) увеличивается до 4 степени от температуры. Эти отношения были сформулированы Стефаном и Больцманом в 1879 году. Они показывают, что по сигналу излучения может быть измерена достаточно точная температура. На рис. 5 показано типичное излучение тела при различных температурах. Как указано, тела при высоких температурах по-прежнему излучают небольшое количество видимого излучения. Таким образом, каждый может видеть объекты при очень высоких температурах (выше 600 ° C), светящиеся где-то от красного до белого. Опытные сталевары могут достаточно точно определить температуру объекта по цвету. Классический пирометр с исчезающей нитью накала использовался в сталелитейной промышленности с середины 1930-х годов.

Рис.5 Радиационная характеристика черного тела в зависимости от его температуры /3/
  
Таким образом, если посмотреть на рис. 5, то цель должна состоять в том, чтобы настроить ИК-термометр на максимально широкий диапазон, чтобы получить как можно больше энергии (соответствующей области под кривой) или сигнала от объекта измерений. Однако в некоторых случаях это не всегда приводит к точным измерениям. Например, на рис. 5 интенсивность излучения увеличивается на 2 мкм - намного больше при повышении температуры на уровне 10 мкм. Чем больше разница яркости при разнице температур, тем точнее работает ИК-термометр. В соответствии со смещением максимума излучения в сторону меньших длин волн с повышением температуры (закон смещения Вина) диапазон длин волн ведет себя в соответствии с диапазоном температур измерения пирометра. При низких температурах ИК-термометр, работающий на 2 мкм, остановится при температурах ниже 600 ° C, практически ничего не видя из-за слишком малой энергии излучения.  Еще одна причина применять измерительные устройства для разных диапазонов длин волн - это характер излучения некоторых материалов, известных как не-серые тела (стекло, металлы и пластиковые пленки). На рис. 5 показан идеал - так называемое «черное тело». Однако многие тела генерируют меньше излучения при той же температуре. Связь между реальной излучательной способностью и коэффициентом черного тела известна как коэффициент излучения (ε) и может составлять максимум 1 (тело соответствует идеальному черному телу) и минимум 0. Тела с излучательной способностью менее 1 называются серыми телами. Тела, у которых коэффициент излучения также зависит от температуры и длины волны, называются не серыми телами. Более того, сумма излучения складывается из поглощения (A), отражения (R) и пропускания (T) и равна единице. (См. уравнение ниже и рис. 6)

A + R + T = 1 (1) 

Твердые тела не пропускают в инфракрасном диапазоне (T = 0). В соответствии с законом Кирхгофа предполагается, что все излучение, поглощенное телом и приведшее к повышению температуры, также испускается этим телом. Таким образом, имеем результат для поглощения и излучения: 

A ↔ E = 1 – R (2) 

Рис.6 В дополнение к излучению, исходящему от цели, датчик также принимает отраженное и может пропускать излучение

Идеальное черное тело также не имеет отражательной способности (R = 0), так что E = 1.
Многие неметаллические материалы, такие как дерево, пластик, резина, органические материалы, камень или бетон, имеют поверхности, которые очень мало отражают, и поэтому имеют высокие коэффициенты излучения от 0,8 до 0,95. (См. значения коэффициента излучения для наиболее распространенных материалов). Напротив, металлы - особенно те, которые имеют полированные или блестящие поверхности - имеют коэффициент излучения около 0,1. ИК-термометры компенсируют это, предлагая различные варианты установки коэффициента излучения, см. также рис. 7 (см. значения излучательной способности для большинства металлов).

Рис.7 Удельная эмиссия при разной эмиссионной способности

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик пирометров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/pirometry