Подавляющее большинство читающих эту статью людей так или иначе слышало словосочетания со словом «инфракрасный» (ИК): «ИК-излучение», «ИК-лучи», «ИК-нагрев». На школьных уроках, в рекламе, новостях и т. д. Явление явно на слуху. Однако, мои собственные опыты в рамках разработки тепловизионного реле защиты «КАКТУС» и обсуждения продукта с коллегами и клиентами всегда провоцировали вопросы:
- Что такое ИК-излучение?
- Как ИК-излучение связано с температурой?
- В чем преимущества измерения температуры по ИК-излучению?
- Как измерить температуру по ИК-излучению?
Интернет полон академических ответов, зачастую сложных для понимания. Но для того, чтобы иметь представление о предмете вовсе не обязательно разбирать его на молекулы, жонглировать физическими абстракциями и применять мудреные математические выражения! Далее в тексте не будет углублений в теорию, многие тонкости будут опущены, а описание явлений и законов будет дано в свободной форме (без строгости терминов, но с проникновением в суть). Такой подход поможет освежить забытые знания или впервые познакомиться с ИК-излучением.
Что такое ИК-излучение?
Начнём знакомство издалека и вспомним опыт, который каждый видел в школе: луч света падает на треугольную призму, а из неё уже выходят разноцветные лучи, формирующие радужное чередование полос на экране. Разложение белого света на спектр называется дисперсией и было впервые описано Исааком Ньютоном.
Спустя более, чем 100 лет, в 1800 году, физик Уильям Гершель ощутил, что цвета спектра по-разному передают теплоту солнечного света. Численно проверяя свою теорию, он обнаружил, что разноцветные полосы отличаются по температуре и друг от друга, и от окружающей среды. Но, температура вне «радуги», за красной полосой, также превышала комнатную! Энергия солнечного света передавалась и за пределы цветной области. Гершель пришел к выводу, что свет содержит бесцветную («инфракрасную») составляющую.
В течение последовавшего века теория о том, что свет — это электромагнитная волна, получила экспериментальные подтверждения. Чередование полос в спектре было объяснено различными длинами волн составляющих белого света. А ИК-излучение стало пониматься как электромагнитное, в диапазоне длин волн (0,7 мкм — 1 мм) незаметном человеческому глазу.
Как ИК-излучение связано с температурой объекта?
Опыт Гершеля также иллюстрирует основной закон теплового излучения — любое нагретое выше абсолютного нуля тело испускает электромагнитное излучение во всём диапазоне длин волн. Действительно, Солнце — довольно горячий объект, а непрерывность спектральной картинки при опыте Ньютона и наличие инфракрасной составляющей указывают на справедливость закона. Но почему из всего возможного многообразия волн нас интересует именно инфракрасный диапазон?
Ещё век спустя Макс Планк открыл закон, описывающий зависимость выделяемой нагретым телом энергии от длины волны при различных температурах.
Оказывается, наибольшее количество энергии выделяется всегда в определенном диапазоне длин волн. Например, при очень высоких температурах — и в видимом диапазоне (предметы раскаляются «докрасна», «добела» и т. д.). Большинство температур, которые важны человеку для повседневного наблюдения (от температуры тела до промышленного нагрева на многих производствах), имеют максимум выделяемой энергии на волнах из инфракрасного диапазона.
Измерив ИК-излучение, можно определить температуру испустившего его тела!
В чем преимущества измерения температуры по ИК-излучению?
Хорошо известны контактные способы измерения температуры различной природы. Можно называть их традиционными. Они изучены, просты и надежны. Но везде ли их можно применить? Зачастую стоит задача измерить температуру объекта, который:
- может нагреться в заранее неизвестной точке;
- разогревается по всей поверхности неравномерно;
- не даёт возможности присоединить контактный датчик.
В таких случаях, использование традиционных методов может быть либо неоправданно дорого, либо вовсе невозможно.
Основным преимуществом измерения температуры по ИК-излучению является бесконтактность. Доступные технологии позволяют размещать чувствительный элемент на удалении от объекта и измерять его температуру достаточно точно. Кроме того, ИК-датчики обладают низкой инерционностью, не превышающей показатели электронных термометров. Поэтому, ИК-измерения комфортно можно включить в различные автоматизированные системы.
Как измерить температуру по ИК-излучению?
Разберем работу современных приборов для измерения температуры по ИК-излучению на примере тепловизора. Он работает по принципу цифрового фотоаппарата. ИК-оптика фокусирует излучение на матрице (микросхеме с множеством чувствительных элементов). Чувствительные элементы — по сути, фотодиоды. Протекание тока инициируется не видимым светом, а ИК-излучением. Каждый элемент выдает электрический сигнал, в зависимости от уровня попавшего на него излучения. Сигналы оцифровываются в электронном блоке устройства и представляются в виде тепловой карты на экране.
Дополнительная сложность измерения температуры по ИК-излучению заключается в различной активности излучения материалов. Металлы, особенно с гладкой текстурой поверхности, излучают слабо. Но, например, в электроэнергетике, критически важно контролировать нагрев контактных соединений (очевидно, металлических) различных аппаратов. Как же обойти эту проблему?
Наиболее эффективное решение можно продемонстрировать с помощью куба Лесли. Это полый медный куб, заполняемый горячей жидкостью. На рисунке выше его левая грань отполирована, а правая — окрашена. Очевидно, что нанесение краски значительно повысило активность ИК-излучения с поверхности!
Интуитивно может казаться, что окрашивание может повысить теплоизоляцию и скрыть реальный нагрев. Но эффект снижения температуры ничтожен на фоне повышения заметности в ИК-спектре! В целях иллюстрации можно привести шуточную аналогию: автор статьи вспоминал теорию в рамках разработки тепловизионного реле защиты «КАКТУС»; перед читателем же поставим задачу — определить высоту невидимого кактуса, стоящего в горшке перед вами. Прикинуть «на глазок» или просто померить рулеткой невозможно. Но, накинув на растение платок, мы делаем задачу тривиальной. Так вот, кактус — это металл; платок — это краска. А поломанные при накидывании платка иголки — это мелкие потери температуры при окрашивании.:)
Ответы на основные вопросы по теме
- Что такое ИК-излучение?
Электромагнитное излучение в диапазоне длин волн (0,7 мкм −1 мм) незаметном человеческому глазу. - Как ИК-излучение связано с температурой?
Любое нагретое выше абсолютного нуля тело испускает электромагнитное излучение во всём диапазоне длин волн. Наибольшее количество энергии выделяется всегда на определенной длине волны. Большинство температур, которые важны человеку для повседневного наблюдения (от температуры тела до промышленного нагрева на многих производствах), имеют максимум выделяемой энергии на волнах из инфракрасного диапазона. - В чем преимущества измерения температуры по ИК-излучению?
Основным преимуществом измерения температуры по ИК-излучению является бесконтактность. ИК-датчики обладают низкой инерционностью. ИК-измерения комфортно можно включить в различные автоматизированные системы. - Как измерить температуру по ИК-излучению?
Он работает по принципу цифрового фотоаппарата. Металлы, особенно с гладкой текстурой поверхности, излучают слабо. Очевидно, что нанесение краски значительно повышает активность ИК-излучения с поверхности!
Заключение
В статье сознательно упущены или заменены на более тривиальные термины «абсолютно черное тело», «спектральная плотность излучения», «коэффициент излучения». Это сделано с целью сориентировать читателя в теме, без отвлечения на связанные вопросы. Желающим разобраться предметнее теперь будет легче знакомиться с более классическими и фундаментальными текстами.
В других наших статьях более детально будут разобраны сложности при ИК-измерениях и возможности тепловизионного реле защиты «КАКТУС».
До новых встреч!
Автор: Георгий Майстренко, инженер-разработчик
