Основы инфракрасного измерения

Зачем измерять инфракрасное излучение?

Инфракрасные измерительные приборы обеспечивают большие преимущества, связанные с измерительными задачами, которые не могут быть решены при помощи обычных контактных термометров. Например:

• Измерения очень высоких температур, которые не позволяют использовать термопары.
• Измерения на поверхностях с низкой теплопроводностью и на объектах с низкой теплоёмкостью.
• Измерения на движущихся, недоступных или находящихся под напряжением объектах с высокой
  скоростью отклика (<1 сек.).
• Измерения на объектах, которые не должны подвергаться контактному измерению.

Что такое инфракрасное излучение?

Каждый объект с температурой выше абсолютного нуля выделяет инфракрасное излучение (спектральный диапазон от 0,7 до 1000 мкм), которое соответствует его температуре. Данный диапазон находится ниже красной области спектра и невидим для человеческого глаза. Диапазон между 0,7 и 20 мкм является наиболее
интересным для измерительной техники.
Инфракрасное излучение, выделяемое измеряемым объектом, подчиняется известным оптическим закономерностям, поэтому его можно отклонить путём фокусировки с помощью линзы или отражения от зеркальных поверхностей.

Коэффициент излучения измеряемого объекта показывает, какое количество инфракрасной энергии было поглощено или выпущено. Данное значение может находиться в пределах между 0 и 1,0. Для измерений важен тот факт, что коэффициент излучения зависит от длины волны. С повышением температуры объекта максимум излучения смещается в сторону более коротких волн. Поэтому инфракрасные термометры оснащены фильтрами, которые пропускают только определённую часть спектра. При измерении необходимо учитывать коэффициент излучения различных материалов.

Как работают инфракрасные термометры

Оптическая система инфракрасного термометра поглощает энергию, излучаемую от круглого измеряемого пятна, и фокусирует её на детектор. На линзах используется материал с высоким коэффициентом пропускания. Энергия, поглощённая детектором, усиливается и конвертируется в электрический сигнал. Оптическое разрешение является результатом отношения расстояния к размеру пятна. Измеряемое пятно должно быть всегда меньше измеряемого объекта. Чем выше оптическое разрешение, тем меньшие измеряемые пятна могут измерены на дальних дистанциях.

Что такое метод измерения при помощи прерывистого светового луча?

Использование метода прерывистого светового луча устраняет температурный дрейф и защищает устройство от тепловой удара. Достигаемая таким образом стабильность вместе с обработкой сигнала, оптимизированной по шуму, ведёт к отличному разрешению температуры и позволяет производить измерения с коротким временем
отклика на маленьких объектах.

Инфракрасные пирометры особого типа

Пирометры спектрального отношения определяют температуру объекта по отношению сигналов от двух приёмников, работающих на разных длинах волн. Данный метод обеспечивает точные результаты измерений,даже при ограниченной видимости измеряемого объекта из-за дыма, пара, пыли, грязных окон или линз (уменьшение измеряемого сигнала до 95%). Кроме того, измеряемые объекты, которые меньше, чем измеряемое пятно (напр., измерения на проводах) или низкое или меняющееся излучение на быстро движущихся объектах не влияют на результат измерений.

Линейные сканеры измеряют температуру объекта вдоль линии. Стационарно установленные сканеры оставляют цветную диаграмму теплового потока объекта, проходящего под измерительной головкой (напр., конвейеры, барабанные печи). Сканеры также могут перемещаться вдоль объектов (диаграмма теплового потока стены дома). Измерительная головка инфракрасного сканера AMiR 7880 сканирует до 256 точек под углом 90°. За одну секунду сканируется 20 линий. Одна измеряемая линия может быть разделена на 3 пересекающиеся сектора или сектора, расположенные рядом друг с другом.

Что необходимо учитывать при инфракрасных измерениях

Что делать при наличии пыли, влаги и аэрозоли на измерительной точке?
Если на измерительной точке атмосфера загрязнена пылью, влагой и аэрозолем, загрязнение линз может
повлиять на падающую энергию излучения. Этого можно избежать, используя модуль обдува воздухом, который прочищает линзу.

Что делать в случае высокой температуры окружающей среды?
Если температура окружающей среды превышает температуру, указанную для измерительной головки ИК датчика, необходимо использовать устройство воздушного или водяного охлаждения вместе с модулем обдува
воздухом — во избежание конденсации влаги на линзах. Кроме того необходимо использовать кабели и кабельные трассы, устойчивые к воздействию высоких температур.

Что делать, если источник тепла находится рядом с измеряемым объектом?
Если источники тепла расположены рядом с измеряемым объектом, то они могут передавать или отражать дополнительную энергию. Такое излучение окружающей среды возможно, например, при измерениях на промышленных печах, где температура стенок часто выше температуры измеряемого объекта. Многие инфракрасные приборы позволяют компенсировать температуру окружающей среды.

Что делать при измерениях в вакууме?
В случае вакуумных печей или аналогичных применений необходимо устанавливать измерительную головку снаружи области вакуума и проводить измерения через окно. При выборе измерительного окна коэффициент пропускания окна должен соответствовать спектральной чувствительности датчика. Для высоких температур обычно используется кварцевое стекло или кварц. В случае низких температур в диапазоне 8…14 мкм необходимо использовать специальный материал, пропускающий ИК-излучение, такой как германий, AMTIR, селенид цинка или сапфир. При выборе окна необходимо также учитывать температурные требования, толщину окна и разницу давления, а также возможность очистки окна с обеих сторон. Желательно предусмотреть дополнительную обшивку для окна, чтобы увеличить пропускную способность. Также следует учитывать, что не все материалы для окон пропускают излучение в видимом диапазоне.

Почему коэффициент излучения так важен?
В случае идеальных излучателей отражённая и переданная энергия равна нулю и излучаемая энергия соответствует 100% характеристической температуры. Однако, многие тела испускают меньше излучения при одинаковой температуре (серые излучатели). Отношение реального коэффициента излучения и идеального излучателя называется коэффициентом излучения e. Например, коэффициент излучения зеркала равен 0,1, коэффициент излучения чёрного излучателя равен 1.0. Многие неметаллы, такие как древесина, резина, камень и органические материалы имеют малоотражающие поверхности и, как результат, высокий коэффициент излучения: между 0.8 и 0.95. Однако, металлы, особенно если они имеют полированную поверхность, могут иметь коэффициент излучения e = 0.1. Поэтому ИК термометры имеют функцию настройки коэффициента излучения. Необходимо знать коэффициент излучения максимально близко. Если установлен слишком высокий коэффициент излучения, то отображаемая температура будет ниже, чем фактическая, при условии, что температура измеряемого объекта выше температуры окружающей среды. Например, если был установлен коэффициент 0,95, хотя реальный коэффициент излучения равен 0.9, то будет отображаться температура ниже фактической..

Как определить коэффициент излучения?
Существует несколько методов определения коэффициента излучения. Во-первых, обратитесь к таблице коэффициентов излучения. Табличные данные отображают средние значения, поскольку на коэффициент излучения влияет множество факторов: температура, угол измерения, геометрия поверхности (ровная, вогнутая, выпуклая), толщина, качество поверхности (полированная, шероховатая, окисленная, обработанная пескоструйным аппаратом), спектральный диапазон измерения и пропускная способность (напр., на тонкой пластиковой плёнке)

Примеры использования инфракрасных термометров

Температурный диапазон	Спектральная чувствительность	Примеры применения
около 0…800°C	8…14 мкм	Все неметаллы, древесина, бумага, ткани, половые настилы, асфальт
	3…5 мкм	половая стяжка, продукты питания, лекарственные препараты, а также в печати.
	7…15 мкм	покрытии, ламинировании, при сушке/отвердевании, пайке волной припоя и пайке оплавлением припоя.
	7…18 мкм	в инженерном оборудовании здания, системах пожарной безопасности, складах и т.д.
около 10…360°C	номинально 7,9 мкм	Производство и обработка полиэфирной плёнки, фторопласта, фторполимеров, акрилатов, нейлона (полиамидов), ацетилцеллюлозы, полиуретана, ПВХ, поликарбонатов.
около 260…1650°C	номинально 5,0/5,2 мкм	Поверхностные измерения на стекле для подогрева, формовки, герметизации, каширования и гиба.
около 200…1200°C	3,9 мкм	Металлообработка, обжиговые, плавильные, доменные, барабанные печи. Измерения на толстом стекле. Незначительное влияние содержания CO2 в атмосфере (газообразные продукты сгорания).
около 30…340°C	номинально 3,43 мкм	Производство и обработка полиэтилена, полипропилена, полистирола и др..
около 400…3000°C	2…2,7 мкм	Обработка чёрных и цветных металлов, индукционные печи, производство стекла, плавильные печи, лабораторные исследования.
около 200…1800°C	1,6 мкм	Термическая обработка стали, гиб, отвердевание, нагрев.
около 500…3000°C	1 мкм	Производство стали, плавка металла, для наивысшей точности, при формовании, литье и обработки металла, а также для обработки стекла, керамики, полупроводников и химикатов.

Краткий словарь важных терминов

Окно прозрачности атмосферы: Участки спектра электромагнитного излучения, которые практические не поглощаются атмосферой, прибл. 3…5 мкм и 8…14 мкм.

Фокусная точка, фокусное расстояние: Расстояние, в пределах которого, при измерениях, достигается максимальное. оптическое разрешение.

Поле в дальней зоне: Измеренное расстояние, которое значительно больше, чем фокусное расстояние устройства (в большинстве случаев более, чем 10 раз).

Поле зрения: Площадь тестируемого объекта, которая определяется инфракрасным термометром; диаметр измеряемого пятна пропорционален дистанции до измеряемого объекта; часто указывается как угловая переменная в фокусной точке. См. также оптическое разрешение.

Неселективный излучатель (серое тело): Излучающее тело, чей коэффициент излучения на всём спектре волн при постоянной температуре находится в постоянном соотношении к чёрному излучателю, и который непроницаем для инфракрасной энергии.

Фоновая температура: С точки зрения измерительного прибора — окружающая температура или температура позади измеряемого объекта.

Измерительное пятно: Диаметр области объекта, которая подлежит температурному измерению; измерительное пятно определяется площадью круга, которая, как правило, позволяет уловить приёмной апертурой измерительного прибора 90% инфракрасной энергии, излучаемой измеряемым объектом.

Оптическое разрешение: Также «показатель визирования»: отношение расстояния между пирометром и объектом измерения к размеру пятна. За расстояние стандартно принимается расстояние до фокусной точки, а за размер пятна — диаметр ИК измеряемого пятна в фокусной точке (стандартно 90% энергии диаметра измеряемого пятна). Оптическое разрешение также можно определить для поля в дальней зоне, используя значения измерительного расстояния и размера измерительного пятна в пределах поля.

Степень отражения: Отношение потока излучения, отражённого телом, к потоку, упавшему на тело; для идеального зеркала данное отношение равно приблизительно 1, для полного излучателя (чёрного тела) отражение равно 0.

Полный излучатель (чёрное тело): Также идеальный излучатель. Тело, которое полностью поглощает падающую на него энергию излучения волны любой длины, и которое ничего не отражает. Вся поверхность чёрного тела имеет одинаковый коэффициент излучения равный 1.

Спектральная чувствительность: Чувствительность инфракрасного термометра к определённому диапазону длин волн.