Пн–Пт: 09:00–17:00 brom@brom.ua

Що вимірюють пірометри - про інфрачервоне випромінювання

Інфрачервоне випромінювання пронизує неосяжні простори всесвіту, слабкий тепловий потік, що йде з глибин загадкового космосу, надає вченим найціннішу інформацію про далекі стародавні галактики, а на землі цифровий ІЧ пірометр дарує нам унікальну можливість виміряти температуру дистанційно, за допомогою цих невидимих променів. Але незважаючи на те, що наші очі не наділені можливістю бачити тепло, знаємо ми про температуру досить багато.

Що ж вимірюють пірометри - поговоримо про інфрачервоне випромінювання

Теплове випромінювання у вигляді інфрачервоних променів випускає будь-який об'єкт, з температурою вище абсолютного нуля T=-273°C за рахунок переходів атомів на інші енергетичні рівні, що супроводжується випусканням квантів в ІЧ-діапазоні.


Цікаво, що саме поняття “температура” для нас, звиклих залежно від держави проживання, вимірювати температуру в градусах Цельсія або Фаренгейта, змушує використовувати протилежні характеристики – “негативна-позитивна”, “холодно-гаряче”.

  1. Наприклад, якщо брати шкалу Цельсія, то наше розуміння на рівні підсвідомості зі шкільної лави і життєвого досвіду спостережень за навколишнім середовищем, прив'язує температуру до точки замерзання води: сніг або дощ, слизький лід або калюжі.
  2. Ми мислимо дуалістичними категоріями або бінарними з точки зору математичної логіки.
  3. Вчені ж оперують шкалою Кельвіна. У ній немає негативної температури. Є абсолютний нуль і є температура взагалі. Немає від'ємного значення.


Тільки нуль і все що вище - температура. Не позитивна, чи не негативна, а просто “температура ”.
Всю умовність поняття негативних та позитивних температур у нашій підсвідомості легко розвінчати за допомогою безконтактного пірометра. Він “не знає” про те, що є холод і жар, і безмовно сканує нагрітий предмет, вловлюючи витікаючу від нього теплову енергію.

Сам термін “температура” можна визначити як інтенсивність випромінювання.

Перекладаючи на нашу повсякденну мову, чим більше випромінюється енергії, тим вище температура. Енергія може передаватися в оптичному, інфрачервоному, ультрафіолетовому, рентгенівському діапазоні - вся лінійка електромагнітних коливань.

Співвідношення між видами енергій в випромінюючих об'єктах різниться на порядки. І не кожен об'єкт генерує електромагнітні коливання в усьому спектрі.
Наприклад галактичні скупчення випромінюють крім оптичного, також в інфрачервоному і рентгенівському діапазоні, для чого на орбіту виводяться радіотелескопи, а самі скупчення зірок часто так і називають радіогалактиками. Точніше так їх називають, тому що через значне віддалення через міжзоряний  пил видиме світло “втрачається в дорозі”, а до нас доходить тільки випромінювання в радіо діапазоні і інфрачервоне тепло.
А ось якщо взяти “ненажерливу” з точки зору споживання енергії лампу розжарювання, в світло перетворюється всього 5-10%, а решта енергетичної складової є інфрачервоні промені. Це основна причина переходу на світлодіодне освітлення.

Теплове випромінювання і його характеристики

Як ми відзначили, температура визначається інтенсивністю або щільністю теплового потоку, але також спектром випромінюваної електромагнітної енергії.
Інфрачервоні хвилі розрізняються по довжині і умовно діляться на 3 області:

короткохвильові промені 0,7-1,4 мкм
середньохвильові хвилі 1,4-3,0 мкм
далеке випромінювання 3,0мкм-1,0 мм

Як бачимо, найширша – довгохвильова частина спектра. Цікаво, що в залежності від виробничих завдань - металургія або будівництво, необхідно пірометр купити з тією чи іншою довжиною хвилі. Інакше не уникнути збільшеної похибки.

Наші очні "палички і колбочки", що перетворюють видиме світло в електричні імпульси, які передаються по зоровому нерву в мозок, сприймають електромагнітні коливання в діапазоні з ще більш короткою довжиною хвилі, ніж короткохвильові інфрачервоні промені, так що бачити як “Хижак” в однойменному фільмі або Термінатор у нас не вийде.
Може і добре, що наш діапазон сприйняття обмежений. Інакше ми не змогли б насолодитися безсмертними творіннями художників, або дарувати посмішку коханій людини. І в першому і в другому випадку, все що ми б побачили - теплове випромінювання в вигляді змащеної плями з градаціями кольоровості. Ніякої романтики…

Довжина хвилі розраховується як частка від ділення швидкості світла на частоту коливань атомів речовини.

З ростом температури, частота коливань атомів збільшується, а значить зменшується довжина хвилі.


Джерела ІЧ-променів випромінюють:

  • на одній довжині хвилі;
  • у вигляді смуг з піками;
  • в безперервному спектрі.

Ми розглянули з чого складається повна енергія випромінювання.

При підвищенні температури до декількох сотень градусів збільшується як загальна енергія, так і випромінювання в видимому діапазоні. На чому заснована дія оптичних високотемпературних пірометрів: порівнюються дві яскравості – еталонної нитки розжарювання і досліджуваного предмета. Знаючи температуру нитки при заданій яскравості, легко вимірюється шукана температура. До речі для таких рекордсменів і 6000 °С не межа, а й ціна правда на них відповідна.
При меншій температурі – наприклад 50 або 100 градусів, тіло залишається “темним”, але тільки в оптичному діапазоні, інфрачервоне тепло воно продовжує випускати.


Відзначимо, що поняття "теплий" або "холодний" розрізняються на землі і в космосі.

У безповітряному космічному просторі планета, віддалена від сонця вважається більш теплою з температурою поверхні мінус 150°С, ніж планета з показником мінус 200°С.

У земних умовах, крім спеціалізованих кріогенних лабораторій, в кожному з наведених прикладів ми завжди скажемо – “холодно”. Навіть дуже. Це суб'єктивні людські оцінки в умовах нашої земної реальності.

Низькі температури

Цікаво, що досягти температури абсолютного нуля не так просто. Для цього повинен бути об'єкт, охолоджений нижче цієї важливої позначки, від якої стартує температурна шкала Кельвіна, щоб відбирати тепло і охолоджувати на підставі другого закону термодинаміки.

У другому десятилітті XX-го століття вдалося досягти дивного показника – вчені охолодили з'єднання з атомів калію і натрію до супер низької температури – всього 5×10-9 K вище абсолютного нуля.

У домашніх умовах і на виробництві з настільки низькими, рекордними значеннями зіткнутися не доведеться можливо ніколи, але заради інтересу виникає питання. А що ж покаже прилад, наприклад з діапазоном -30°С~+500°С, якщо навести лазерний промінь на предмет, охолоджений майже до абсолютного нуля ?

  1. Та нічого толком не покаже – як при виході за верхню, гарячу межу, так і під час заходу в область нереального морозу, а по-іншому і не назвеш “температурні околиці” абсолютного нуля, пірометри "розуміють" це як вихід за межі температурного діапазону (здасться значок переповнення). Це перша, банальна причина, пов'язана з невідповідністю паспортних даних.
  2. А про другу ми вже говорили вище – при абсолютному нулі, теплове або інфрачервоне випромінювання теж обнуляється – атоми не вагаються, не переходять на енергетичні рівні. Абсолютний спокій. Тобто енергія не надходить в приймальну оптику.

Хоча квантова теорія не зовсім поділяє цю точку зору, вводячи поняття так званих нульових вібрацій, але нас більше цікавить факт наявності або відсутності інфрачервоних променів причому в діапазоні, ближчому до реальних виробничих або побутових завдань.

Бережіть від температури

У паспорті завжди вказується гранична температура експлуатації. Зазвичай це +50 або максимум +70 градусів. Цей показник ніяк не пов'язаний з верхнью температурною межею, а відноситься до сприятливих показників мікроклімату. І це зовсім різні речі.


Припустимо, що ми вирішили провести вимірювання температури дистанційно об'єктів на поверхні Венери.

Цікаво, що теоретично з цим без праці впораються навіть найпростіші недорогі моделі пірометрів, а не дорогі професійні. Верхньої межі в 500 градусів буде цілком достатньо.

Та ось тільки навколишнє оточення на Венері для вимірювань температури не лояльне, не комфорте і згубне для приладу…

Практично через порушення умов експлуатації, пристрій розплавиться за хвилину, ну може бути Ви встигнете розгледіти на дисплеї температуру найближчого розпеченого каменю.
Що робити - жарко на Венері. Ось і виходить, що температурного діапазону досить, але сам корпус надмірного нагрівання не витримає.

Щоб провести вимірювання високих температур, необхідно прилад “ховати” в холодну камеру.

У земних умовах при контролі металургійних процесів, так і відбувається.

Завершуючи цікаву гіпотетичну тему вимірювання температури на поверхні іншої планети, відзначимо, що в перший день весни 1982 року міжпланетна станція Венера-13 після успішного приземлення на поверхню, розпечену до +470 градусів, змогла пропрацювати майже дві години (!), пробуривши поверхню, взяла проби, провела спектральний аналіз і відправила результати по радіоканалу на землю.

Все це стало можливим тільки завдяки охолодженню приладового відсіку до мінус 10 градусів.