Что влияет на значение коэффициента излучения

Распространенное заблуждение про измерение коэффициента излучения

Ошибочные рекомендации относительно способа измерения коэффициента излучения материалов довольно часто встречаются на различных профессиональных форумах, в статьях, на учебных семинарах и вэбинарах о применении тепловидения. Сейчас трудно понять, откуда пошло это заблуждение, но ясно, что в его основе незнание принципов расчета температуры по уровню инфракрасного излучения поверхностей. Итак, распространенное заблуждение:

[quote align=»center»]Лучший способ узнать коэффициент излучения — измерить температуру поверхности объекта контактным термометром, а затем в настройках тепловизора изменять значение коэффициента излучения, пока показания температур не совпадут.[/quote]

В чем тут ошибка? Получивший такой совет, сочтет приведенную схему достаточной в любых условиях. Однако, это не так. Все дело в том, как тепловизор пересчитывает мощность инфракрасного излучения в температуру. Введенное в настройки тепловизора значение коэффициента излучения используется в расчете пропорции собственного излучения и отраженной компоненты. В приведенной выше ошибочной схеме про отражение как раз забыли. Влияние этой помехи, т.е. отраженного излучения тепловизор вычисляет на основе значения отраженной радиационной температуры (температуры фона, RAT). Отсюда обязательные дополнения к схеме измерения коэффициента излучения:

[dropcap type=»circle» color=»#ffffff» background=»#555555″]1[/dropcap] Нужно чтобы температура поверхности объекта контроля отличалась от фоновой температуры на 20°С и более (в пределах разумного). Если объект слабо отличается по температуре от окружения, погрешность измерения коэффициента излучения будет неприемлемой. В крайнем случае, когда температура объекта не отличается от фоновой, можно задавать в настройках любое значение коэффициента излучения — показания не будут меняться. Можете поэкспериментировать и убедиться. Поэтому для измерения коэффициента излучения чаще всего объект нагревают, но возможно и охлаждение.

[dropcap type=»circle» color=»#ffffff» background=»#555555″]2[/dropcap] Обязательно провести измерение отраженной радиационной температуры и указать это значение в тепловизоре. Если пытаться измерять коэффициент излучения при ошибочно выставленном значении фоновой температуры, результат будет неправильным, иногда очень странным. У меня есть статья на Teplonadzor.ru про измерение отраженной температуры.

Общепризнанным практическим способом измерения коэффициента излучения является метод, описанный в стандарте ISO 18434-1:2008 Condition monitoring and diagnostics of machines — Thermography — Part 1: General procedures. Annex A (normative) Field measurements of reflected apparent temperature and emissivity.

О тех случаях, когда можно провести измерение коэффициента излучения и по какой схеме я напишу в одной из следующих публикаций на сайте Teplonadzor.ru. А пока, давайте посмотрим, что встречается в отечественных документах про измерение коэффициента излучения. Теперь вы сами найдете найдите ошибки или недостаточность инструкций.

РД 153-34.0-20.364-00 (ОРГРЭС, 2000) «Рекомендуется излучательную способность исследуемой поверхности определять непосредственно на месте съёмки. Для этого контактным термометром определяют истинную температуру объекта, а затем вводят в процессор тепловизора всё новые значения коэффициента излучения, добиваясь равенства Тизм и Трад. Установленное при достижении указанного равенства значение коэффициента излучения и будет являться истинной излучательной способностью объекта.»

РД 153-34.0-20.364-00 (ОРГРЭС, 2004) «В практике может возникнуть необходимость в определении коэффициента излучения контролируемого объекта или его узла. Для этого на участок контролируемой поверхности наносится покрытие из матовой чёрной краски или наклеивается кусок ленты для фотошаблонов, коэффициенты излучения которых близки к единице. После того, как покрытие или лента приобретает температуру объекта осуществляется измерение Тфакт. Измерив Трад неокрашенного участка, по приведенной выше формуле можно определить его коэффициент излучения.»

РД-13-04-2006 (ВЕМО и др., 2006) «При проведении количественного анализа обязательно знание коэффициента излучения. Его определяют путем сравнения контактных и бесконтактных измерений температуры в реперных зонах на контролируемой поверхности.»

ГОСТ Р 54852-2011 (НИИСФ, 2012) В документе рекомендуют значение коэффициента излучения выбрать из таблиц, либо измерить в натурных или лабораторных условиях. В перечне дополнительное оборудования даже указана пленка с известным коэффициентом излучения не менее 0,85. Но про схему измерения коэффициента излучения никакой информации нет. Зато есть «Обработка термограмм на основании энергетического баланса излучения» (приложение Е). В основном правильная и полезная в образовательных целях, но абсолютно бесполезная на практике схема рассказывает, как уточнить значения распределения температур по термограмме на основании решения уравнения энергетического баланса регистрируемого излучения.

Источник

Коэффициент излучения

Излучение, регистрируемое тепловизором, состоит из излучаемого, отраженного и проходящего длинноволнового инфракрасного излучения, исходящего от объектов, расположенных в пределах поля зрения тепловизора.

Многие неметаллические материалы (например, ПВХ, бетон, органические вещества) обладают высокой излучательной способностью в длинноволновом инфракрасном диапазоне, которая не зависит от температуры ( ε от 0.8 до 0.95). Металлы, особенно материалы с блестящей поверхностью, обладают низкой излучательной способностью, которая может меняться в зависимости от температуры. Коэффициент излучения можно вручную задать в тепловизоре.

Компенсацию отраженной температуры можно вручную настроить в тепловизоре (КОТ). Во многих областях применениях отраженная температура соответствует температуре окружающей среды. Вы можете измерить ее, например, с помощью воздушного термометра.

Взаимосвязь между излучением и отражением:

Крайне важно выполнять корректную настройку компенсации отраженной температуры (КОТ), поскольку это является одним из основных факторов при расчете температуры. Корректная настройка коэффициента излучения критически
важна при значительной разнице между температурой объекта измерений и рабочей температурой окружающей среды.

Ниже представлены коэффициенты излучения некоторых самых распространенных материалов. В случае, если коэффициент излучения материала исследуемой поверхности не известен, для его определения возможно использование контактного цифрового термометра testo 905 T2 или самоклеющейся, отражающей липкой ленты.

Источник

Тепловизор регистрирует инфракрасное излучение от всех объектов, расположенных в поле его зрения. Это излучение состоит из трех частей:
– излучаемого объектом;
– отраженного от объекта;
– проходящего через объект.

Что такое коэффициент излучения

Коэффициент излучения (КИ) — это степень способности материала излучать инфракрасное излучение.

КИ изменяется в зависимости от материала, свойств поверхности и для некоторых материалов — от температуры измеряемого объекта.

Максимальное значение коэффициента излучения = 1 (100%), в реальных условиях КИ всегда меньше 1.

У живых тел КИ также меньше 1, т. к. живые тела также отражают и пропускают излучение.

Многие неметаллические материалы, например, органические вещества, бетон, ПВХ, имеют высокую излучательную способность (от 0,8 до 0,95). Коэффициент излучения у таких материалов от температуры не зависит.

Металлы, особенно материалы с блестящей поверхностью, имеют низкую излучательную способность. У таких металлических материалов коэффициент излучения зависит от температуры.

Коэффициент излучения ε можно задать в тепловизоре вручную. О способах определения КИ читайте здесь.

Что такое коэффициент отражения

Коэффициент отражения — это степень способности материала отражать инфракрасное излучение.

Коэффициент отражения зависит от свойств поверхности, температуры и типа материала.

Как правило, гладкие, полированные поверхности имеют большую отражательную способность, чем шероховатые, матовые поверхности, изготовленные из того же материала.

Компенсацию отраженной температуры (КОТ) можно настроить в тепловизоре вручную.

В большинстве случаев отраженная температура равна температуре окружающей среды. Вы можете измерить ее, например, с помощью воздушного термометра Testo 810.

КОТ также можно определить излучателем Ламберта (см. Определение КОТ).

Что такое коэффициент пропускания

Коэффициент пропускания — это степень способности материала пропускать (проводить через себя) инфракрасное излучение.

Коэффициент пропускания зависит от типа материала и его толщины.

Большинство материалов не пропускают инфракрасное излучение.

Закон теплового излучения Кирхгофа

Инфракрасное излучение, регистрируемое тепловизором, состоит из:
– излучаемого объектом (ε),
– отраженного излучения других объектов (ρ),
– проходящего через объект (τ).

Сумма трех видов излучения всегда принимается равной 1 ( 100%):
ε + ρ + τ = 1
Поскольку коэффициент пропускания на практике редко играет значительную роль, τ опускается, и формула упрощается до
ε + ρ = 1

Для термографии это означает:
чем ниже коэффициент излучения,
тем выше уровень отраженного инфракрасного излучения,
тем сложнее осуществить точное измерение температуры и
тем более важным фактором становится правильная настройка компенсации отраженной температуры (КОТ).

Как влияет коэффициент излучения на точность измерений

2. Объекты измерений со средним коэффициентом излучения (от 0,6 до 0,8) имеют средний коэффициент отражения. Температуру таких объектов можно измерить с помощью тепловизора.

3. Объекты измерений с низким коэффициентом излучения (меньше 0,6) имеют высокий коэффициент отражения. Измерение температуры таких объектов тепловизором возможно, но результаты необходимо тщательно проверять.

очень важна корректная настройка компенсации отраженной температуры (КОТ), поскольку это является одним из основных факторов при расчете температуры.

Измерения при различной температуре объекта и окружающей среды

Корректная настройка коэффициента излучения очень важна при значительной разнице между температурой объекта и температурой окружающей среды.

Когда температура измеряемого объекта выше температуры окружающей среды (радиатор на рисунке):
чрезмерно высокий коэффициент излучения приведет к завышенным показаниям температуры (тепловизор 1);
чрезмерно низкий коэффициент излучения приведет к заниженным показаниям температуры (тепловизор 2).

Когда температура измеряемого объекта ниже температуры окружающей среды (дверь, изображенная на том же рисунке):
чрезмерно высокий коэффициент излучения приведет к заниженным показаниям температуры (тепловизор 1);
чрезмерно низкий коэффициент излучения приведет к завышенным значениям температуры.

Обратите внимание: чем больше разница между температурой измеряемого объекта и температурой окружающей среды и чем ниже коэффициент излучения, тем больше вероятность возникновения ошибок.

Количество ошибок возрастет, если КИ задан неверно.

Резюме

Тепловизор позволяет измерить только поверхностную температуру объекта; с помощью данного прибора Вы не можете «заглянуть внутрь» объекта или увидеть его насквозь.

Несмотря на то, что многие материалы, например, стекло, кажутся прозрачными, они проявляют себя как материалы непропускающего типа, т.е. они устойчивы к длинноволновому инфракрасному излучению.

При необходимости снимите с измеряемого объекта чехол (упаковку), т.к. при наличии последних тепловизор измерит поверхностную температуру чехла (упаковки).

Тем не менее, тепловизор может измерять только поверхностную температуру объекта. Точную температуру внутренних элементов с помощью тепловизора определить невозможно.

Недорогой тепловизор Testo с цифровой камерой, выпущен взамен модели 875, самый дешевый прибор, который годится для энергоаудита. Подходит для решения большинства стандартных задач термографии, сегодня это наиболее востребованная модель линейки тепловизоров Testo.

Источник

От чего зависит коэффициент эмиссии пирометра

Наибольшее количество споров и эмоциональных отзывов, как правило негативных, чему способствует интернет при активном распространении и перепостах вызывает такой параметр, как коэффициент эмиссии, без правильного задания которого ИК пирометр покажет температурную чепуху.

Это не ртутный медицинский градусник, которым может пользоваться даже ребенок. Это измерительная техника, которая требует не только строго соблюдения требований эксплуатации, но и понимания процессов непрямого метода измерения температуры и хотя бы минимального набора теоретических знаний.

Проблема в том, что тела по-разному отражают, поглощают и излучают инфракрасный тепловой поток, и чтобы исходящее от них излучение учитывалось целиком и полностью, как раз и необходимо настраивать указанный показатель.

Что оказывает влияние на коэффициент эмиссии пирометра

Первый фактор – это материал. Но не только в физическом смысле: рулон блестящей нержавейки или керамический горшок под цветы.

Оказывает воздействие степень механической обработки и агрегатное состояние – твердый, жидкий.
Приведем базовый перечень факторов влияния на коэффициент излучения:

Поясним на примере. Возьмем «крылатый» металл, популярный в авиастроении – алюминий. Это светлый материал с низким коэффициентом излучения.

А вот если поверхность начнет взаимодействовать с атмосферным кислородом, например при нагреве и потемнеет по причине образования слоя окислов, коэффициент увеличится.

И если при одной и той же настройке пирометра проводить измерения, но в одном случае поверхность будет чистой, а в другом – оксидированной, разница в покрытии даст о себе знать погрешностью в температуре.

На коэффициент излучения также оказывает влияние:

Как можно увидеть на рисунке, коэффициент теплового излучения в значительной степени зависит от длины волны, причем не линейно. Например, для чугуна на длине волны около 1 мкм, ниспадающая кривая падает резко вниз, а сам коэффициент излучения уменьшается в разы.

И еще один аргумент, от чего зависит коэффициент теплового излучения – это температура.

Все это так. Но когда мы выше говорили о неизменном, уникальном коэффициенте теплового излучения, для конкретного типа материала, речь шла все-таки идет об усредненном значении, что доказывает следующий график зависимости коэффициента от температуры.

Температурный график позволяет сделать 2 вывода.

Основная причина в том, что на определенном этапе, в области высоких температур начинает играть роль агрегатное состояние вещества. Это прежде всего касается металлов.
Как только материал начинает раскаляться – при нагреве до сотен градусов, коэффициент теплового излучения увеличивается, растет плотность теплового потока.

Но что любопытно – при плавлении коэффициент излучения опять резко падает (на графике не показано) и снова нужно подстраивать. Начинает сказываться высокая степень отражения емкости с расплавленным металлом.

Окончательно запутывают неопытного работника, слой окислов, шлака, посторонних включений, плавающие на поверхности жидкого металла.

Получается, что функция приобретает еще один аргумент, определяемый состоянием загрязнения расплавленного металла или сплава, который достаточно сложно определить эмпирическим путем.

Шлак не стоит на месте, перемещаясь в бурлящей массе и показания постоянно меняются и колеблется коэффициент излучения, из-за того, что в поле зрения входной оптической линзы загрязнения то попадают, то нет.

Следует обратить внимание на еще один важный момент. Малый коэффициент теплового излучения в области низких температур, как мы отметили, приводит опять же к пониженной плотности теплового потока, и начинают влиять паразитное тепловое излучение от окружающих предметов, искажающих показания.

Конечно “низкие температуры” понятие очень условное. Для металлов низкой температурой может быть и 100 градусов Цельсия, хотя вода уже начнет кипеть, а сталь или чугун даже не накалятся, что легко определить по цвету. На этом принципе кстати работают высокотемпературные оптические пирометры, с так называемой исчезающей нитью.

Понадобится еще например термопара.
И сравниваем 2 показателя. Если контактный датчик показывает большее значение температуры, значит выставленный коэффициент занижен, и чтобы плотность теплового потока соответствовала реальной температуре, увеличиваем показатель, пока разница не станет минимальной.

Источник

Коэффициенты излучения различных материалов и поправки при замерах пирометром

Продукты. Как и все органические материалы, пищевые продукты имеют хорошую излучательную способность, и поэтому не возникает никаких проблем при измерении их температуры с помощью пирометра.

Металлы белого цвета. Имеют очень маленький коэффициент излучения в диапазоне от 8 до14 мкм, и поэтому их температуру трудно измерять. Для измерений требуется применение покрытий, увеличивающих излучательную способность, например: краска, масляная пленка.

Оксиды металлов. В данной группе не существует постоянных показателей. Коэффициент излучения находится между 0.3 и 0.9 мкм и он сильно зависит от длины волны. Для точного определения температуры необходимо выбрать коэффициент излучения объекта. Его можно определить по таблице коэффициентов излучения, которая находиться в конце инструкции по использованию пирометра, либо посредством сравнительного измерения контактным термометром (т.е. меняя коэффициент излучения, заложенный в пирометр до совпадения с показателями контактного термометра). В противном случае можно применять покрытия с известным коэффициентом излучения.

Светлые неметаллы / темные неметаллы / пластик / продукты. Такие объекты, как белая бумага, керамика, гипс, древесина, резина, темная древесина, камень, темные краски, обладают коэффициентом излучения приблизительно 0.95 при длине волны выше 8 мкм. Большинство органических материалов обладают коэффициентом излучения приблизительно 0.95, поэтому в основном в пирометрах устанавливается именно эта величина по умолчанию (const).

У большинства недорогих пирометров коэффициент излучения стоит 0,95 и является постоянной величиной (const) без возможности изменения в самом приборе (пирометре). Поэтому при измерениях температуры различных материалов с отличным коэффициентом излучения нужно учитывать поправки, вычисляя их по формуле с использованием таблиц (см. ниже)

Несколько примеров влияние на результаты измерений

Пример 2: Объект измерения (окисленный латунный лист, Т= +200 °С) Коэффициент излучения = 0.62.Измерение проводится при температуре окружающей среды +22 °С. Предварительно установленный коэффициент излучения 0.70. Пирометр показывает температуру+188 °С. Погрешность уже значительная и может привести к браку.

ИТОГ: Чем больше разница между температурой объекта измерения и температурой окружающей среды и меньше коэффициент излучения, тем больше ошибок измерения в случае неправильного значения коэффициента излучения.

При температурах выше температуры окружающей среды:

При низких температурах ниже температуры окружающей среды

Таблица коэффициентов излучения основных материалов

Источник