Инфракрасное тепло для отверждения: оценка характеристик ИК-энергии
Инфракрасная (ИК) энергия может использоваться в качестве источника тепла для отверждения различных покрытий в промышленной отрасли. Такое инфракрасное отверждение подает энергию на поверхность детали с покрытием за счет прямой передачи от ИК-излучателя, который может обеспечивать температуру источника от 250 до 2000°С.
Рис. 1 — Инфракрасный спектр
Часть энергии отражается от поверхности, часть поглощается покрытием, а часть нагревает саму деталь. В порошковом покрытии такая прямая передача энергии вызывает немедленную реакцию в полимере, и отверждение (называемое сшиванием) начинается быстро, как только поверхность подвергается воздействию излучателя. Для красок и других покрытий инфракрасная энергия обеспечивает сушку.
Рисунок 2 – Нагрев, отражение и поглощение
В печах ИК-отверждения тепло очень быстро передается излучением непосредственно на покрытие. Инфракрасные печи могут отверждать покрытие намного быстрее, чем конвекционные печи, поскольку они непосредственно нагревают поверхность детали, на которую нанесено покрытие, и не тратят энергию на нагрев всей детали или окружающего воздуха. Последующая теплопроводность может иногда нагреть даже те участки детали, которые не были полностью подвержены прямому ИК-теплообразованию; однако различия в структуре и массе деталей будут влиять на однородность этого отверждения, если интенсивность инфракрасного тепла не будет скорректирована с учетом этих различий.
Инфракрасный свет находится в электромагнитном спектре между видимым светом и микроволнами и измеряется в микронах. Температура определяет длину волны исходного ИК-излучателя, поэтому его пиковую длину волны можно контролировать, изменяя его температуру. Однако, несмотря на то, что длина волны всех излучателей может регулироваться таким образом, не все нагреватели предназначены для излучения полного спектра длинных, средних и коротких волн.
Влияние характеристик покрытия
Скорость поглощения, отражения или пропускания ИК-излучения покрытием зависит от спектральных характеристик покрытия, в том числе от его коэффициента излучения и цвета, а также от других характеристик поверхности. Излучательная способность является мерой эффективности материала в излучении ик энергии и определяется как доля излучаемой энергии по отношению к энергии, излучаемой термически черной поверхностью (черным телом). Он измеряется по шкале от 0 до 1, при этом идеально черное тело имеет коэффициент излучения, равный 1. Излучательная способность и поглощающая способность тесно связаны, поэтому материалы с высоким значением коэффициента излучения также легко поглощают лучистую энергию. Поверхности с высокой отражающей способностью (например, полированные металлы) будут иметь низкий коэффициент излучения/низкий коэффициент поглощения, и их будет трудно нагреть ИК-излучением.
Другой важной спектральной характеристикой, играющей роль в способности покрытия поглощать или отражать ИК-энергию, является цветовая чувствительность. Это особенно важно для цветов с высокой отражающей способностью, таких как хром или серебро. Цветовая чувствительность более выражена к коротковолновому ИК-излучению, создаваемому более высокотемпературными излучателями. По этой причине коротковолновые излучатели, такие как галогенные лампы КГТ, наиболее чувствительны к цвету, а длинноволновые излучатели, такие как керамические нагреватели, наименее чувствительны к цвету.
Тестирование различных длин волн и температур для определения наиболее эффективных излучателей для ИК-отверждения предлагается бесплатно большинством производителей ИК-оборудования. Созданные кривые время/температура помогают в выборе, размере и ориентации излучателей относительно детали, а также могут помочь определить общую конструкцию соответствующей ИК-печи для конкретной сферы применения.
Отверждение инфракрасным излучением
Как упоминалось ранее, инфракрасные печи могут быстро отверждать поверхности с покрытием, которые подвергаются непосредственному воздействию инфракрасного тепла, но области, которые не полностью подвергались воздействию, могут не равномерно отверждаться, если в этих областях не отрегулирована интенсивность инфракрасного излучения. Существует несколько методов, обычно используемых в конструкции инфракрасной печи для преодоления вариаций отверждения и поддержания точности. Одним из таких методов является использование регулируемого контроллера, такого как кремниевый выпрямитель (SCR), который будет модулировать интенсивность отдельных инфракрасных излучателей. Второй метод заключается в том, чтобы точно «зонировать» блоки инфракрасного излучения внутри печи для подачи тепла (и надлежащей интенсивности) к различным областям детали в зависимости от требований высокой, низкой энергии или отсутствия энергии. Наконец, инфракрасное излучение можно сфокусировать с помощью отражателей и экранов для достижения нужной интенсивности и охвата в различных областях.
Области детали, закрытые от инфракрасного излучателя своей геометрией, будут повышать температуру с той же скоростью, что и области, которые непосредственно подвергаются воздействию излучателя, в то время как любые неэкспонированные области могут даже не отверждаться с помощью проводимости. В этих случаях только инфракрасный нагрев может быть не лучшим вариантом для окончательного отверждения покрытия. Однако может быть полезно ускорить цикл отверждения при использовании его в сочетании с конвекционным нагревом.
Использование комбинированных технологий нагрева
Печи, использующие инфракрасное излучение в дополнение к конвекционному теплу, могут обеспечить преимущества обеих технологий, особенно для сложных деталей с областями, которые не подвергаются непосредственному воздействию инфракрасного тепла или которые значительно различаются по массе или толщине.
Когда деталь тяжелая и однородная по форме, инфракрасные излучатели предлагают лучший метод отверждения. Излучатели можно расположить таким образом, что температура поверхности будет повышаться намного быстрее, чем при конвекции, а отверждение происходит за гораздо меньшее время. Инфракрасный нагрев может быть единственным практичным способом отверждения определенных типов деталей, обеспечивая гораздо более короткое время цикла отверждения.
Зона предварительного инфракрасного нагрева или «бустерная зона» на входе в конвекционную печь для отверждения может быть отличным усовершенствованием, особенно для толстых и массивных компонентов. Отверждение начнется немедленно и может быть выполнено быстрее, чем при использовании только конвекционного нагрева.
Газовые ИК-излучатели также могут быть очень эффективными. Как и электроизлучатели, их можно приобрести модульными секциями и зонировать. Энергия, необходимая для работы газового инфракрасного излучателя, обычно стоит меньше, чем электроэнергия для электрических инфракрасных нагревателей. Однако сравнение фактического энергопотребления газового и электрического излучателя может быть выполнено только путем оценки эффективности излучателей по отношению к спектральным характеристикам покрытия и конкретным факторам, влияющим на детали.
Таким образом, несмотря на некоторые ограничения равномерного отверждения деталей более сложной формы, инфракрасное тепло может быть хорошим и быстрым вариантом отверждения для многих задач по нагреву.
Инфракрасные нагреватели от Элемаг
Компания Элемаг уже много лет занимается производством промышленных инфракрасных нагревательных элементов: керамических, кварцевых и трубчатых. Также у нас налажено тесное сотрудничество с иностранными поставщиками галогенных и карбоновых ламп стандартных конструкций.
Кроме самих нагревателей мы изготавливаем инфракрасное оборудование для нагрева, такое как туннельные печи, конвейерные и камерные сушки, камеры полимеризации для отверждения порошкового покрытия, стойки, тепловые мосты, термоформовочные панели и прочее.
Для связи с нами звоните по телефону, указанному в контактах, и получите бесплатную консультации по инфракрасному нагреву от наших специалистов.
Характеристика излучения инфракрасного нагревателя
Инфракрасное (ИК) или же другими словами тепловое излучение – это одна из составных частей спектра солнечных лучей, находящегося близко к красному – видимому излучению. Глаз человека может увидеть солнечный свет, но не увидит ИК лучи, но мы чувствуем своей кожей теплоту, передающуюся этими лучами.
Типы инфракрасного (ИК) излучения
Характеризуется ИК излучение по длине волны, а также интенсивности излучения. Сегодня определено три сферы ИК излучения:
Ближнее излучение, с диапазоном 0,75 – 1,5 мкм. Инфракрасная волна проникает вглубь кожи (IR-A);
Среднее излучение с диапазоном 1,5 – 5,6 мкм. Волна также проникает под кожу, но глубже. Излучение поглощается соединительными тканями (IR-B). Излучение, с длиной волны более 5 мкм происходит полное поглощение на поверхности кожи. Наиболее результативно проходят в тело человека при излучении в пределах 0,75 – 3 мкм, данная область проникновения имеет название в медицинской среде «окно терапевтической прозрачности»;
Дальнее излучение 5,6 – 100 мкм.
На образце графического примера поглощения инфракрасного излучения можно увидеть как в спектральный диапазоне излучения 1.5 – 10 мкм значения находят наиболее интенсивную проницательность. Клетка человеческого организма, как известно, состоит на 98% из воды, поэтому эти допущения можно применять и к телу человека.
Наиболее эффективно использовать в качестве обогрева и сушки инфракрасные нагреватели с дальним и средним спектром излучения, так как вода поглощает излучение 1,5 – 10 мкм с пиковыми данными на длине волны в 2,93, 4,7 и 6,2 мкм. Эти показатели подтверждены Юхневичем Г. в литературе 1973 г. под названием Инфракрасная спектропия воды
Расчет излучающей способности нагревателя
Излучающей способностью называют число энергии идущей от одного нагревательного элемента за установленное время. Измеряется излучающая способность (Е) в Вт/м.кв. Зависит от температуры излучающей поверхности и длины волны (λ). Также учитывая все данные от энергий всех длин, излучающая способность считается интегрируемой характеристикой.
Интенсивность излучения – это излучающая способность, отнесенная к промежутку длин волн (dλ). Интенсивность излучения (I) измеряется в Вт/(м.кв.*мкм).
По формуле, I= dE/dλ можно произвести расчет излучающей способности из спектра интенсивности, который определен экспериментальным путем на условии считывания диапазона волн λ1 до λ2.
С помощью эксперимента мы нашли данные, что с повышением мощности керамического ИК нагревателя и температуры увеличивается и интенсивность излучения, при этом спектральный диапазон излучения, по закону отстранения Вина, передвигается в зону волны с меньшими показателями.
Пиком оптимального интенсивного излучения с данными в 80-90% спектра является диапазон в области 1,5 – 6 мкм, что допустимо по характеристикам физических свойств для ИК обогрева и сушки.
Удельная энергия излучения, так же как и интенсивность излучения падает с ростом дистанции от излучателя до поверхности обогрева. Замер волн излучения оборудованием по типу селективного радиометра, специалисты нашей компании увидели, как снижается удельная энергия излучения при увеличении расстояния.
Типы термоизлучателей
Типы ИК излучателей от Инфраторг:
Керамические ИК излучатели (ECS, ECP, ECH, ECZ) – имеют керамический корпус и диапазон излучения 2 – 10 мкм. Применяют керамические инфракрасные излучатели в промышленном оборудовании, сушках и обогревателях.
Кварцевые ИК излучатели (QP) – поставляются нагреватели, как в трубках, так и панелях индивидуального размера. Используют на установках для интенсивного нагрева полимерных материалов.
Лампы галогенные кварцевые – имеют вид стеклянной трубки прямой или изогнутой формы. Широко применяют лампы КГТ в отрасли полимеризации пластика. Обладают высокой температурой нагрева и длительным сроком эксплуатации.
Инфракрасные карбоновые лампы – представлены в виде стеклянной трубки с нагревателем из карбонового волокна внутри. Срок службы карбоновой лампы составляет более 8000 часов.
Использовать в производственной среде термоизлучатели начали несколько лет назад, но с каждым годом, благодаря уникальным свойствам инфракрасного нагрева, оборудование с инфракрасными лампами используется практически во всех отраслях промышленности.
Гигиенические нормы интенсивности инфракрасного излучения от нагретых поверхностей оборудования и ограждений в машинных и котельных отделениях и других производственных помещениях судов (утв. Главным санитарным врачом СССР 17 сентября 1966 г. N 645-66) (Дополнение к Санитарным правилам для морских судов СССР, утвержденным 22 июля 1964 г. N 484-64 и к Санитарным правилам для речных и озерных судов СССР, утвержденным 31 июля 1964 г. N 485-64) (документ не действует)
Гигиенические нормы интенсивности инфракрасного излучения от нагретых поверхностей оборудования и ограждений в машинных и котельных отделениях и других производственных помещениях судов*(1)
(утв. Главным санитарным врачом СССР 17 сентября 1966 г. N 645-66)
(Дополнение к Санитарным правилам для морских судов СССР, утвержденным 22 июля 1964 г. N 484-64 и к Санитарным правилам для речных и озерных судов СССР, утвержденным 31 июля 1964 г. N 485-64)
§ 1. Условия труда в машинных в котельных отделениях (МКО) судов связаны с воздействием интенсивного теплового излучения, высокой температуры, газового загрязнения воздуха, шума и вибрации. Инфракрасное излучение зависит от количества, мощности, режима работы двигателей и условий тепловой изоляции. Многочисленные источники инфракрасного излучения превращают его в ведущий микроклиматический фактор машинных и котельных отделений судов.
Основным мероприятием, снижающим избыточные тепловыделения в МКО судов и направленным непосредственно против источников инфракрасного излучения является хорошая по качеству и монтажу тепловая изоляция нагретых поверхностей. Для теплоизоляции силового хозяйства МКО судов рекомендуются формованные изделия (плиты, сегменты, скорлупы) из совелита, вермикулита, перлита, гидросиликата кальция и т.п. По своим теплофизическим качествам (малый объемный вес и др.) наиболее перспективными и высокоэффективными являются перлитовые, известково-кремнеземистые (гидросиликат кальция) и вермикулитовые изделия. При монтаже изоляции теплоизоляционные материалы в своем природном виде не используются и, по существующим инструкциям, должны иметь покрытие (мастичное, керамическое, алюминиевая фольга и т.п.). Роль тепловой изоляции сводится к снижению температуры, а, следовательно, и излучательной способности нагретых поверхностей.
Цвет, гладкость и др. свойства поверхности влияют на интенсивность инфракрасного излучения от нагретых поверхностей, заметно изменяя ее при одной в той же температуре. Интенсивность инфракрасного излучения является показателем, отражающим следующие свойства нагретых поверхностей:
а) температуру нагретой поверхности;
б) цвет нагретой поверхности;
в) гладкость нагретой поверхности;
г) физические свойства вещества (теплопроводность и др.) и структуру поверхностного слоя.
Интенсивность инфракрасного излучения от нагретых поверхностей устанавливается настоящими нормами.
I. Область применения
§ 2. Нормы распространяются на машинные и котельные отделения и другие производственные помещения морских, речных и озерных судов всех типов.
II. Гигиенические нормы интенсивности инфракрасного излучения от нагретых поверхностей
§ 3. Интенсивность инфракрасного излучения на расстоянии 1 см от нагретых поверхностей оборудования и ограждений в машинных и котельных отделениях и др. производственных помещениях судов не должна превышать в рабочей зоне 0,20 кал/см2, мин.*(2).
III. Инфракрасное излучение как интегральный показатель некоторых характеристик нагретых поверхностей
§ 4. Между интенсивностью инфракрасного излучения и температурой, цветом, гладкостью нагретой поверхности, физическими свойствами вещества и структурой поверхностного слоя существует непосредственная зависимость:
а) интенсивность инфракрасного излучения меняется с изменением абсолютной температуры нагретой поверхности;
б) при одной и той же температуре нагретой поверхности ее излучательная способность меняется в зависимости от цвета поверхности. Разница в излучении от поверхностей, окрашенных в разные цвета, достигает 40-100%;
в) при одинаковой температуре нагретой поверхности ее излучательная способность меняется в зависимости от гладкости*(3) поверхности. Разница в излучении от «гладкой» и «шероховатой» поверхности составляет 30-90%, а «гладкой» и «обычной» — 3-7%. Наименьшая излучательная способность у «гладкой» и «обычной» поверхности (см. рис. 2);
г) излучательная способность нагретой поверхности определяется также физическими свойствами вещества и структурой поверхностного слоя толщиной не более 35-40 мк (толщина алюминиевой фольги, керамического покрытия, двойного слоя масляной краски и т.п.).
§ 5. Излучательная способность разных видов покрытий, применяемых в судостроении для теплоизоляции (мастичные, керамические, алюминиевая фольга и др.) различна (см. рис. 1).
Условные обозначения: (- алюминиевая фольга, — — асбозуритовое покрытие без миткаля и окраски, -.- асбозуритовое покрытие с миткалем без окраски, -..- керамическое покрытие).
Наименьшая излучательная способность у мастичных покрытий и алюминиевой фольги.
§ 6. Теплоизоляционные материалы, имеющие одно и то же покрытие, при одинаковой температуре поверхности излучают инфракрасную радиацию одной и той же интенсивности.
а) зависимость между излучательной способностью и температурой, цветом и гладкостью нагретой поверхности, окрашенной масляной краской, представлена на рис. 2. (Условные обозначения: к рис. 2: — «обычная» поверхность, — — «шероховатая» поверхность, 1 — белый цвет, ро примерно = 70% 2 — серым или шаровый цвет, ро примерно = 42%; 3 — цвет киновари, ро примерно = 17%; 4 — цвет железного сурика, ро примерно = 14%; 5 — зеленый цвет, ро примерно = 12%; 6 — черный цвет, ро примерно = 5,2%. Указанные значения ро характеризуют отражение в видимой области спектра. Образец цвета, соответствующий данным значениям ро см. в «Атласе цветов» Е. Рабкина, М., 1956).
б) график 2 пригоден для всех видов теплоизоляционных материалов и покрытий, окрашенных масляной краской в указанные цвета и имеющих различную гладкость поверхности.
IV. Методы измерения интенсивности инфракрасного излучения от нагретых поверхностей и приборы
§ 7. Интенсивность инфракрасной радиации следует определять дифференциальными радиометрами*(4) различных типов и производственными актинометрами*(5).
Точность показаний радиометров должна быть не менее 0,01 кал/см2 мин.
§ 8. При отсутствии актинометров или радиометров в производственных условиях графики 1 и 2 позволяют, исходя из температуры нагретой поверхности, ее цвета, гладкости и некоторых физических характеристик поверхностного слоя, определять интенсивность инфракрасного излучения от нагретых поверхностей для разных покрытий.
Температура нагретых поверхностей замеряется термопарами и термощупами разных конструкций.
1. Пользование графиком 1. Например, при керамическом покрытии температура поверхности 40°С. Находим эту точку на горизонтальной оси (ось абсцисс) и восстанавливаем из нее перпендикуляр до пересечения с соответствующей кривой (в данном случае — кривая керамического покрытия). Из точки пересечения проводим линию параллельно оси абсцисс до пересечения с вертикальной осью (ось ординат). Точка пересечения и будет соответствовать величине интенсивности инфракрасного излучения: при 40°С она будет равна 0,178 кал/см2 мин.
2. Пользование графиком 2. Например, температура серой «шероховатой» поверхности 40°С. Находим эту точку на оси абсцисс и восстанавливаем из нее перпендикуляр до пересечения с соответствующей кривой (в данном случае кривая N 2 штриховая). Из точки пересечения проводим линию параллельно оси абсцисс до пересечения с осью ординат. Точка пересечения будет соответствовать интенсивности инфракрасного излучения, в указанном примере она составляет 0,196 кал/см2 мин.
Ввиду отсутствия строго фиксированных рабочих мест в машинных и котельных отделениях судов измерение интенсивности инфракрасного излучения следует производить непосредственно у источников излучения (в 1 см от излучающей поверхности) на различных участках каждой из нагретой поверхности не менее, чем в 5 точках.
V. Контроль за соблюдением норм
§ 9. Контроль за соблюдением настоящих норм возлагается на санитарно-эпидемиологические станции водного транспорта.
§ 10. При приемке судов следует особое внимание обращать на состояние тепловой изоляции нагретых поверхностей оборудования и ограждений во всех судовых производственных помещениях:
а) на поверхности изоляции не должно быть трещин, заметных на глаз шероховатостей (выпуклостей, углублений и т.д.) и других повреждений поверхностного слоя;
б) все излучающие поверхности должны быть окрашены в светлые тона (желательно белый цвет с ро не менее 70% и серый цвет с ро не менее 42%).
§ 11. Работники санэпидстанций должны систематически контролировать состояние тепловой изоляции и требовать у ответственных лиц данные об интенсивности инфракрасного излучения от нагретых поверхностей в судовых производственных помещениях (во время работы двигателей).
§ 12. Ответственность за состояние тепловой изоляции нагретых поверхностей возлагается на капитана*(6) и старшего механика*(6) судна. В период ремонта судна ответственность возлагается на администрацию ремонтно-эксплуатационной базы.
§ 13. Срок введения в действие настоящих норм устанавливается для вновь проектируемых судов с момента их утверждения, для строящихся, переоборудуемых, капитально-восстанавливаемых и находящихся в эксплуатации судов по согласованию с местными органами санэпидслужбы.
Заместитель главного санитарного врача СССР
______________________________
*(1) Разработаны научно-исследовательским институтом гигиены водного транспорта МЗ СССР.
*(2) Интенсивность инфракрасного излучения (излучательность) 0,20 кал/см2 мин при переводе в систему единиц «СИ» составит 50 вт/см2.
*(3) Имеются в виду следующие виды гладкости: а) «обычная» поверхность теплоизоляционных материалов, выпускаемых промышленностью без дополнительной обработки, и поверхность покрытий при монтаже теплоизоляции; б) «шероховатая» поверхность, имеющая неровности в виде выступов и углублений размерами 1-3 мм; г) «гладкая» поверхность, отшлифованная на корундовом камне.
*(4) Радиометры изготавливаются мастерскими ряда научно-исследовательских институтов: Институт гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана (г. Москва) и др.
*(5) Актинометры изготавливаются мастерскими Института охраны труда ВЦСПС (г. Ленинград).
*(6) На судах с совмещением профессий ответственность возлагается на капитана-механика, капитана — I пом. механика, капитана — II пом. механика, механика — пом. механика и механика — II пом. капитана.
Откройте актуальную версию документа прямо сейчас
Если вы являетесь пользователем интернет-версии системы ГАРАНТ, вы можете открыть этот документ прямо сейчас или запросить по Горячей линии в системе.
Гигиенические нормы интенсивности инфракрасного излучения от нагретых поверхностей оборудования и ограждений в машинных и котельных отделениях и других производственных помещениях судов*(1) (утв. Главным санитарным врачом СССР 17 сентября 1966 г. N 645-66) (Дополнение к Санитарным правилам для морских судов СССР, утвержденным 22 июля 1964 г. N 484-64 и к Санитарным правилам для речных и озерных судов СССР, утвержденным 31 июля 1964 г. N 485-64)
Текст документа приводится по официальному изданию Минздрава СССР
Постановлением Главного государственного санитарного врача России от 25 ноября 2020 г. N 37 настоящий документ признан не действующим на территории Российской Федерации с 25 ноября 2020 г.
Инфракрасное излучение
Что такое инфракрасное излучение? Мы узнали, что тепловые лучи были открыты Гершелем в 1800 году. Чтобы разобраться в природе теплового (инфракрасного) излучения и его взаимодействия с окружающими нас объектами придется немного углубится в теорию. Начнем с определения.
[quote align=»center»]Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (от λ = 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (до λ = 1 мм).[/quote]
Электромагнитное излучение с самыми разными длинами волн окружает нас повсеместно и постоянно. Видимый свет — это тоже электромагнитные волны, которые ощущает человеческий глаз по интенсивности и спектральному составу (цвету). Для восприятия всех других электромагнитных волн нам нужны технические средства. С их помощью мы слушаем радио, смотрим телевизор, делаем рентген. И только инфракрасное излучение от нагретых предметов может воспринимается кожей человека как ощущение тепла. Поэтому ИК-излучение иногда называют «тепловым» излучением.
Самым мощным инфракрасным излучателем, безусловно, является Солнце. Около 50% излучения Солнца лежит в инфракрасной области. Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на инфракрасный спектр.
Инфракрасное излучение делят на условные диапазоны. Наименования и границы этих диапазонов связаны с техническими устройствами и задачами, решаемыми ими. Поэтому можно найти несколько вариантов деления. Приведу наиболее распространенный в сфере тепловизионного контроля:
- ближняя область (Near-infrared, NIR): λ = 0,74 — 1,4 мкм;
- коротковолновая область (Short-wave, SW): λ = 1,4 — 3 мкм;
- средневолновая область (Mid-wave, MW): λ = 3 — 5 мкм;
- длинноволновая область (Long-wave, LW): λ = 8 — 14 мкм;
- дальняя область (Far infrared, FIR): λ = 14 — 1000 мкм.
Диапазоны NIR и SW иногда называют «reflected infrared», так как в этих диапазонах при обычных температурах регистрируется не собственное, а только отраженное от объекта ИК-излучение. Основные рабочие в тепловидении диапазоны MW и LW иногда называют «thermal infrared», так как в них регистрируется собственное тепловое излучение объектов, связанное с их температурой.
Границы этих рабочих тепловизионных диапазонов определены окнами прозрачности атмосферы. Дело в том, что проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Азот и кислород воздуха ослабляют ик-излучение в результате рассеяния, которое значительно меньше, чем для видимого света. Особенно сильно поглощают ик-излучение пары воды и углекислый газ. К дополнительному ослаблению инфракрасного излучения приводит наличие в атмосфере взвешенных частиц: дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман), а также осадки (снег, дождь).
Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов. Природа всех лучей одинакова, они представляют собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела, количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела. Таким образом, все тела, температура которых отличается от абсолютного нуля, непрерывно излучают энергию. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.
При температурах ниже 500°С излучение тела почти целиком расположено в инфракрасной области, такое тело можно увидеть глазом только при освещении, само оно не светится. При повышении температуры спектр излучения смещается в видимую область (доля излучения в видимой области увеличивается) и тело начинает само светиться. Сначала тёмно-красным, затем красным, жёлтым уже при очень высоких температурах оно кажется белым (цвета каления). При этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения.
Для описания законов излучения применяют модель идеального объекта — абсолютно черного тела (АЧТ). На сайте есть отдельная статья про АЧТ с более подробным описанием. Следующие законы описывают характеристики ик-излучения:
- формула Планка (распределение энергии теплового излучения по длинам волн в зависимости от температуры),
- закон Стефана-Больцмана (зависимость мощности излучения тела от его температуры),
- закон смещения Вина (длина волны, на которую приходится максимум излучения при заданной температуре).
Связь мощности инфракрасного излучения с температурой поверхности используется для бесконтактного измерения температуры в инфракрасных пирометрах и тепловизорах.
Хотя инфракрасное излучение подчиняется законам оптики и имеет ту же природу, что и видимый свет, взаимодействие ик-излучения с объектами имеет свои особенности. Это связано с тем, что оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой области.
Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в инфракрасных областях и наоборот. Например, небольшой слой воды непрозрачен для ик-излучения. Пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (из этих материалов изготавливают линзовые объективы тепловизоров). Чёрная бумага прозрачна в далёкой инфракрасной области. В рабочем диапазоне длинноволновых тепловизоров оконные стекла непрозрачны, а полиэтилен полупрозрачен.
Коэффициент излучения (и связанный с ним коэффициент отражения) — важнейшая характеристика поверхности объекта в инфракрасном контроле, также сильно отличается от характеристик в видимом диапазоне. У большинства металлов в ик-области отражательная способность значительно больше, чем для видимого света. В зависимости от состояния поверхности коэффициент отражения может достигать 98%. В этом разделе вы найдете отдельную статью о практических измерениях и важности коэффициента излучения в тепловизионных измерениях.
Измерение температуры объектов с низким коэффициентом излучения (большой степенью отражения) проблематично, так как в исходящем от них инфракрасном излучении доля собственного излучения мала (именно по нему рассчитывается температура поверхности), а доля отражения окружающих объектов высока.
Использованы материалы: БСЭ; Википедия; Планк М. «Теория теплового излучения»; Леконт Ж. «Инфракрасное излучение»; Дерибере М. «Практические применения инфракрасных лучей»; Козелкин В. В., Усольцев И. Ф. «Основы инфракрасной техники», Госсорг Ж. «Инфракрасная термография».