Pobierz PDF
Black Body jest najbardziej idealnym kalibratorem termometru na podczerwień. Dzieje się tak, ponieważ ciała czarne mają emisyjność równą 1,000.
Idealny ciało doskonale czarne Miałoby to emisyjność zaledwie 1,000. Miałoby to miejsce w układzie, z którego światło ani promieniowanie nie mogłyby się wydostać, a całe promieniowanie pozostałoby w nim na zawsze. W rzeczywistości nie istnieje coś takiego jak idealne ciało czarne do termometrii IR. Dzieje się tak, ponieważ w takim układzie nie byłoby otworu do wykonania pomiaru. Jednak idealne ciało czarne jest dobrym prototypem do modelowania promieniowania cieplnego.
Emisyjność to stosunek energii emitowanej przez konkretny materiał do energii emitowanej przez ciało czarne o tej samej temperaturze. Prawdziwe ciało czarne miałoby emisyjność = 1, podczas gdy każdy rzeczywisty obiekt miałby emisyjność < 1. Emisyjność jest wielkością bezwymiarową. Każdy materiał emituje energię. Ilość emitowanej mocy zależy od temperatury materiału i emisyjności materiału.
Termometry IR wykorzystują to. Mierzą ilość energii emitowanej przez obiekt w paśmie podczerwieni. Pasmo podczerwieni może się wahać od 1 mikrometra do 14 mikrometrów. W zależności od zakresu długości fali termometry IR wykorzystują różne rodzaje czujników do określania temperatury. Obliczają temperaturę na podstawie zmierzonej mocy i emisyjności materiału.
Emisyjność jest jednym z głównych źródeł błędów w pomiarach podczerwieni. Wiedza na temat emisyjności mierzonej powierzchni jest niezwykle cenna dla każdego użytkownika termometru IR. Dlatego należy zachować szczególną ostrożność, aby poznać skutki emisyjności powierzchni podczas jej pomiaru. Odchylenie w założonej emisyjności mierzonego obiektu docelowego prowadziłoby do znacznego błędu w pomiarze temperatury. Prawidłowa znajomość emisyjności i temperatury tła powinna być brana pod uwagę podczas pomiaru temperatury powierzchni. Czynniki te są jeszcze ważniejsze w przypadku korzystania z kalibratora termometru IR. Zwrócenie uwagi na te czynniki zapewni lepszą kalibrację i lepszą metrologię IR.
Prawo Plancka
Równanie matematyczne opisujące moc widmową promieniowaną przez ciało doskonale czarne dla danej długości fali to prawo Plancka. Jeśli prawo Plancka zostanie zintegrowane w całym spektrum elektromagnetycznym, otrzymamy prawo Stefana-Boltzmanna. Jest to znane prawo T do 4. (T4). Problem z prawem Stefana-Boltzmanna polega na tym, że nie jest ono ograniczone do określonego pasma. Aby uzyskać taką liczbę, musielibyśmy zintegrować prawo Plancka dla granic tej szerokości pasma. Tej całki nie da się rozwiązać analitycznie.
Ubytki
W praktyce nie ma czegoś takiego jak idealnie czarne ciało w świecie rzeczywistym. Producenci ciał czarnych wytwarzają różne kształty i geometrie, które mogą być używane lub które mogą działać jak prawie idealnie czarne ciało. Prawie idealnie czarne ciało będzie miało emisyjność bliską 1, ale nierówną dokładnie 1. Dobrym przybliżeniem idealnie czarnego ciała jest wnęka. Wnęka może mieć różne kształty; może to być kula, cylinder, stożek lub ich kombinacja. Musi mieć dobrze kontrolowaną, jednorodną temperaturę na swoich powierzchniach. Całkowita emisyjność wnęki zależy od jej geometrii, ale zazwyczaj jest bliska 1,000. Wnęki zazwyczaj mają emisyjność 0,99, 0,999 itd. W prostych słowach możemy zrozumieć, że im emisyjność jest bliższa 1, tym działa jako lepsze przybliżenie idealnie czarnego ciała. Wnęka nie zawsze jest najlepsza dla wszystkich typów termometrów na podczerwień, zwłaszcza instrumentów ręcznych. Wynika to ze schematu optycznego tych instrumentów. Aby pomiar był bezbłędny, rozmiar plamki termometru na podczerwień powinien mieścić się w obszarze promieniowania. Rozmiar plamki to obszar, który termometr na podczerwień widzi, gdy… pomiar temperatury na powierzchni. Powierzchniowe ciała czarne to takie, które mają dużą powierzchnię promieniującą energię, a cała powierzchnia jest bardzo jednorodna pod względem temperatury i emisyjności.
Błąd spowodowany przez emisyjność
Emisyjność przyczynia się do niepewności podczas korzystania z powierzchniowego ciała czarnego. Jeśli użytkownik nie ma odpowiedniej wiedzy na temat emisyjności powierzchni, emisyjność może być głównym czynnikiem przyczyniającym się do błędu spowodowanego w pomiarze temperatury. Użytkownicy tych kalibratorów ciała czarnego lub IR powinni mieć standardową tabelę dotyczącą emisyjności materiału powierzchni. Jeśli założona emisyjność ciała czarnego różni się od rzeczywistej emisyjności powierzchni, może to spowodować znaczny błąd w pomiarze temperatury. Na przykład, jeśli emisyjność powierzchni kalibratora wynosi 0,93, a przyjmuje się, że wynosi 0,95, spowoduje to błąd 6,6°C przy temperaturze powierzchni 500°C podczas pomiaru w paśmie 8–14 μm.
Wpływ długości fali
Można znaleźć wiele wykresów, które wymieniają emisyjność różnych materiałów. Są to dobre wskazówki, gdy szukamy właściwości emisyjnych materiałów, ale nie zawsze podają nam prawidłową wartość, ponieważ emisyjność większości materiałów zmienia się wraz z długością fali. Innymi słowy, materiały mają widmową odpowiedź emisyjną. Termometr IR integruje emisyjność w swojej szerokości pasma. Jedno badanie wykazało, że emisyjność w paśmie 8–14 μm wahała się między 0,90 a 0,97 w zależności od długości fali. Inne badania pokazują podobny zakres emisyjności. Wpływ temperatury Emisyjność może również zmieniać się wraz z temperaturą. Innym efektem, jaki może mieć temperatura, jest to, że wraz ze zmianą temperatury ilość energii mierzona przez termometr IR przesuwa się w paśmie. Wraz ze wzrostem temperatury energia emitowana przez powierzchnię przesuwa się z wyższych do niższych długości fal, zgodnie z przewidywaniami prawa przesunięcia Wiena. Powoduje to, że efektywna emisyjność mierzona przez termometr na podczerwień przesuwa się z górnej granicy pasma do dolnej granicy, wraz ze wzrostem temperatury.
Postępowanie z ciałami czarnymi
Podczas używania czarnego ciała należy uważać, aby nie uszkodzić powierzchni emisyjnej. Uszkodzenia mogą wynikać z wielu źródeł. Po pierwsze, należy uważać, aby nie
dopuścić do dostania się jakichkolwiek obcych substancji na powierzchnię kalibratora. Nawet olej ze skóry może uszkodzić powierzchnię kalibratora, zwłaszcza gdy powierzchnia jest podgrzewana. Powierzchnia nie powinna być chłodzona żadną inną metodą niż naturalna konwekcja. Wymuszony obieg powietrza może często zawierać olej lub wodę. Nawet woda może pozostawiać osady mineralne na powierzchni. Próba zbyt szybkiego schłodzenia powierzchni może również spowodować szok termiczny na powierzchni emisyjnej. Kalibrator nie powinien być pozostawiany w wysokiej temperaturze przez dłuższy okres czasu.
Może to spowodować pogorszenie emisyjności powierzchni.
Efekt tła
Innym efektem emisyjności jest temperatura tła. Jeśli nieprzezroczysta powierzchnia ma emisyjność 0,9, oznacza to, że 10% energii jest odbijane zgodnie z przewidywaniami prawa Kirchhoffa. To 10% zależy od temperatury powierzchni zwróconych w stronę mierzonej powierzchni. Tę temperaturę nazywa się temperaturą tła. Istnieje niewielka niepewność spowodowana temperaturą tła. Nie jest to duży problem przy pomiarze wyższych temperatur. Jednak staje się problemem przy niższych temperaturach. Część tego błędu jest niwelowana, jeśli temperatura IR jest powierzchnią o temperaturze 0°C mierzoną w paśmie 8–14 μm. Jeśli użytkownik termometru IR stoi twarzą do celu, użytkownik może stać się tłem. Może to podnieść tło z 23°C do 37°C, powodując błąd pomiaru wynoszący 3,5°C.
Tabela produktów czarnego ciała
Dostępne u nas ciała doskonale czarne dla różnych zakresów temperatur to:
Piece do ciała czarnego
