Феномен інфрачервоного випромінювання

Інфрачервоний (ІЧ) термометр - це датчик, який визначає температуру об'єкта шляхом виявлення та кількісної оцінки інфрачервоного випромінювання, що випускається цим об'єктом. ІЧ-термометр можна порівняти із людським оком. Кришталик ока є оптикою, через яку випромінювання (потік фотонів) від об'єкта досягає світлочутливого шару (сітківки) через атмосферу. Це перетворюється на сигнал, який відправляється в мозок. На рис. 3 показано, як працює інфрачервона вимірювальна система.

Рис.3 Інфрачервона вимірювальна система

Кожна форма матерії з температурою вище абсолютного нуля (-273,15°C/-459,8°F) випромінює інфрачервоне випромінювання залежно від її температури. Це називається характеристичним випромінюванням. Причина цього – внутрішній механічний рух молекул. Інтенсивність цього руху залежить від температури об'єкта. Оскільки рух молекули є усунення заряду, випромінюється електромагнітне випромінювання (фотонні частинки). Ці фотони рухаються зі швидкістю світла і поводяться відповідно до відомих оптичних принципів. Вони можуть відхилятися, фокусуватися лінзою або відбиватися поверхнями, що відбивають. Спектр цього випромінювання знаходиться в діапазоні довжин хвиль від 07 до 1000 мкм. Тому це випромінювання зазвичай не можна побачити неозброєним оком, див. рис. 4.

Рис.4 Електромагнітний спектр з діапазоном від 1 до 20 μm, придатний для вимірювання мети

Однак невидима частина спектру містить до 100 000 разів більше енергії. На цьому ґрунтується інфрачервона вимірювальна техніка. На рис. 5 видно, що максимум випромінювання зміщується у бік більш коротких довжин хвиль при підвищенні цільової температури, що криві тіла не перекриваються при різних температурах. Енергія випромінювання у всьому діапазоні довжин хвиль (площа під кожною кривою) збільшується до 4 ступеня від температури. Ці відносини були сформульовані Стефаном та Больцманом у 1879 році. Вони показують, що сигналом випромінювання може бути виміряна досить точна температура. На рис. 5 показано типове випромінювання тіла за різних температур. Як зазначено, тіла при високих температурах, як і раніше, випромінюють невелику кількість видимого випромінювання. Таким чином, кожен може бачити об'єкти при дуже високих температурах (вище 600 ° C), що світяться десь від червоного до білого. Досвідчені сталевари можуть точно визначити температуру об'єкта за кольором. Класичний пірометр зі зникаючою ниткою розжарювання використовувався в сталеливарній промисловості із середини 1930-х років.

Рис.5 Радіаційна характеристика чорного тіла залежно від температури /3/

Тверді тіла не пропускають інфрачервоному діапазоні (T = 0). Відповідно до закону Кирхгофа передбачається, що це випромінювання, поглинене тілом і що призвело до підвищення температури, також випускається цим тілом. Таким чином, маємо результат для поглинання та випромінювання:

A ↔ E = 1 – R (2)

Рис.6 На додаток до випромінювання, що виходить від мети, датчик також приймає відбите і може пропускати випромінювання

Ідеальне чорне тіло також немає відбивної здатності (R = 0), отже E = 1.
Багато неметалевих матеріалів, таких як дерево, пластик, гума, органічні матеріали, камінь або бетон, мають поверхні, які дуже мало відображають, і тому мають високі коефіцієнти випромінювання від 0,8 до 0,95. (Див. значення коефіцієнта випромінювання для найпоширеніших матеріалів). Навпаки, метали – особливо ті, які мають поліровані або блискучі поверхні – мають коефіцієнт випромінювання близько 0,1. ІЧ-термометри компенсують це, пропонуючи різні варіанти встановлення коефіцієнта випромінювання, див. також рис. 7 (див. значення випромінювальної здатності для більшості металів).

Рис.7 Питома емісія за різної емісійної здатності

Магазин Gtest® - авторизований постачальник пірометрів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/pirometry