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블랙바디는 적외선 온도계의 가장 이상적인 교정기입니다. 이는 블랙바디가 1.000과 같은 방사율을 가지고 있기 때문입니다.
완벽한 흑체 완벽한 흑체는 방사율이 1.000에 불과할 것입니다. 이는 빛이나 복사 에너지가 전혀 빠져나가지 못하고 모든 복사 에너지가 영원히 내부에 머무르는 시스템에서만 가능한 일입니다. 현실 세계에서는 적외선 온도 측정을 위한 완벽한 흑체는 존재하지 않습니다. 왜냐하면 그러한 시스템에서는 측정할 수 있는 틈이 없기 때문입니다. 하지만 완벽한 흑체는 열복사를 모델링하는 데 좋은 모델이 될 수 있습니다.
방사율은 특정 물질에서 방사되는 에너지와 같은 온도에서 흑체에서 방사되는 에너지의 비율입니다. 진정한 흑체는 방사율 = 1이고, 모든 실제 물체는 방사율 < 1입니다. 방사율은 무차원 양입니다. 모든 물질은 에너지를 방사합니다. 방사되는 전력의 양은 물질의 온도와 물질의 방사율에 따라 달라집니다.
IR 온도계는 이것을 활용합니다. 적외선 대역에서 물체가 방사하는 에너지의 양을 측정합니다. 이 적외선 대역은 1마이크로미터에서 14마이크로미터까지 다양할 수 있습니다. 파장 범위에 따라 IR 온도계는 다양한 유형의 센서를 사용하여 온도를 결정합니다. 이 측정된 전력과 재료의 방출률을 기반으로 온도를 계산합니다.
방사율은 적외선 측정에서 오류의 주요 원인 중 하나입니다. 측정된 표면의 방사율에 대한 지식은 IR 온도계 사용자에게 매우 중요합니다. 따라서 측정할 때 표면의 방사율 효과를 아는 데 각별한 주의를 기울여야 합니다. 측정 대상체의 가정된 방사율에서 벗어나면 온도 측정에 상당한 오류가 발생합니다. 표면 온도를 측정할 때는 방사율과 배경 온도에 대한 적절한 지식을 고려해야 합니다. 이러한 요소는 IR 온도계 교정기를 사용할 때 더욱 중요합니다. 이러한 요소에 주의를 기울이면 더 나은 교정과 더 나은 IR 계측이 가능합니다.
플랑크의 법칙
주어진 파장에 대해 완벽한 흑체가 방사하는 스펙트럼 파워를 설명하는 수학적 방정식은 플랑크의 법칙입니다. 플랑크의 법칙을 전체 전자기 스펙트럼에 통합하면 슈테판-볼츠만 법칙이 됩니다. 이것은 4번째 법칙(T4)에 익숙한 T입니다. 슈테판-볼츠만 법칙의 문제점은 특정 대역에 국한되지 않는다는 것입니다. 이러한 숫자를 얻으려면 이 대역폭의 한계에 대한 플랑크의 법칙을 통합해야 합니다. 이 적분은 분석적으로 풀 수 없습니다.
충치
실제로 완벽한 흑체는 존재하지 않습니다. 흑체 제조업체들은 다양한 모양과 기하학적 형태의 흑체를 제작하며, 이러한 흑체들은 완벽한 흑체처럼 사용되거나 완벽한 흑체와 유사한 역할을 할 수 있습니다. 완벽한 흑체에 가까운 흑체는 방사율이 1에 가깝지만 정확히 1은 아닙니다. 완벽한 흑체를 잘 근사하는 방법은 공동(cavity)을 이용하는 것입니다. 공동은 구형, 원기둥형, 원뿔형 또는 이들의 조합 등 다양한 모양을 가질 수 있습니다. 공동의 표면은 균일하게 잘 제어되어야 합니다. 공동의 전체 방사율은 모양에 따라 다르지만 일반적으로 1.000에 가깝습니다. 공동은 보통 0.99, 0.999 등의 방사율을 가집니다. 간단히 말해, 방사율이 1에 가까울수록 완벽한 흑체를 더 잘 근사한다는 것을 알 수 있습니다. 하지만 공동은 모든 종류의 적외선 온도계, 특히 휴대용 온도계에 항상 최적의 근사치는 아닙니다. 이는 온도계의 광학적 특성 때문입니다. 정확한 측정을 위해서는 적외선 온도계의 측정 지점이 방사 영역 내에 있어야 합니다. 측정 지점 크기란 적외선 온도계가 빛을 반사할 때 감지하는 영역의 크기를 말합니다. 온도 측정 표면 흑체는 에너지를 방출하는 표면적이 넓고, 표면 전체가 온도와 방사율 면에서 매우 균일하도록 만들어집니다.
방사율로 인한 오류
표면 흑체를 사용할 때 방사율은 불확실성에 영향을 미칩니다. 사용자가 표면 방사율에 대한 정확한 지식이 없다면 방사율은 온도 측정 오차의 주요 원인이 될 수 있습니다. 이러한 흑체 또는 적외선 교정기 사용자는 사용된 표면 재료의 방사율에 대한 표준 차트를 가지고 있어야 합니다. 흑체의 가정된 방사율이 표면의 실제 방사율과 다르면 온도 측정에 상당한 오차가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 교정기 표면의 방사율이 0.93이고 0.95로 가정하면 8~14μm 대역에서 측정할 때 표면 온도 500°C에서 6.6°C의 오차가 발생합니다.
파장의 효과
다양한 재료의 방사율을 나열한 차트는 많이 있습니다. 이러한 차트는 재료의 방사 특성을 찾을 때 유용한 지침이 되지만, 대부분의 재료의 방사율은 파장에 따라 달라지기 때문에 항상 정확한 값을 알려주는 것은 아닙니다. 다시 말해, 재료는 분광 방사율 반응을 갖습니다. 적외선 온도계는 대역폭 내에서 방사율을 적분합니다. 한 연구에 따르면 8~14μm 대역의 방사율은 파장에 따라 0.90에서 0.97 사이로 변했습니다. 다른 연구에서도 유사한 범위의 방사율을 보였습니다. 온도의 영향 방사율은 온도에 따라 달라질 수 있습니다. 온도가 미치는 또 다른 영향은 온도가 변함에 따라 적외선 온도계로 측정되는 에너지의 양이 대역 내에서 변한다는 것입니다. 온도가 상승함에 따라 표면에서 방출되는 에너지는 빈의 변위 법칙에 따라 높은 파장에서 낮은 파장으로 이동합니다. 이로 인해 적외선 온도계가 측정하는 유효 방사율은 온도가 상승함에 따라 대역폭의 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동합니다.
흑체의 취급
블랙 바디를 사용할 때는 방출 표면을 손상시키지 않도록 주의해야 합니다. 손상은 여러 가지 원인으로 인해 발생할 수 있습니다. 첫째, 방출 표면을 손상시키지 않도록 주의해야 합니다.
교정기 표면에 이물질이 묻지 않도록 주의하세요. 피부의 기름조차도 교정기 표면을 손상시킬 수 있으며, 특히 표면이 가열된 경우 더욱 그렇습니다. 표면은 자연 대류 이외의 다른 방법으로 냉각해서는 안 됩니다. 강제 공기에는 종종 기름이나 물이 들어 있을 수 있습니다. 물조차도 표면에 미네랄 침전물을 남길 수 있습니다. 표면을 너무 빨리 냉각하려고 하면 방출 표면에 열 충격을 일으킬 수도 있습니다. 교정기는 장시간 고온에 방치해서는 안 됩니다.
이로 인해 표면의 방출률이 저하될 수 있습니다.
배경의 효과
방사율이 미치는 다른 효과는 배경 온도의 효과입니다. 불투명 표면의 방사율이 0.9인 경우 키르히호프의 법칙에서 예측한 대로 에너지의 10%가 반사된다는 것을 의미합니다. 이 10%는 측정 표면을 마주하는 표면의 온도에 따라 달라집니다. 이 온도를 배경 온도라고 합니다. 배경 온도로 인해 약간의 불확실성이 있습니다. 고온을 측정할 때는 크게 문제가 되지 않습니다. 그러나 저온에서는 문제가 됩니다. IR 온도가 8~14μm 대역에서 측정된 0°C의 표면인 경우 이러한 오차 중 일부가 무효화됩니다. IR 온도계 사용자가 대상을 마주 보고 서 있는 경우 사용자가 배경이 될 수 있습니다. 이로 인해 배경 온도가 23°C에서 37°C로 상승하여 측정에서 3.5°C 오차가 발생할 수 있습니다.
블랙 바디 제품 차트
다양한 온도 범위에 맞춰 제공되는 Black Body는 다음과 같습니다.
블랙 바디 퍼니스
