Распространенное заблуждение про измерение коэффициента излучения
Ошибочные рекомендации относительно способа измерения коэффициента излучения материалов довольно часто встречаются на различных профессиональных форумах, в статьях, на учебных семинарах и вэбинарах о применении тепловидения. Сейчас трудно понять, откуда пошло это заблуждение, но ясно, что в его основе незнание принципов расчета температуры по уровню инфракрасного излучения поверхностей. Итак, распространенное заблуждение:
[quote align=»center»]Лучший способ узнать коэффициент излучения — измерить температуру поверхности объекта контактным термометром, а затем в настройках тепловизора изменять значение коэффициента излучения, пока показания температур не совпадут.[/quote]
В чем тут ошибка? Получивший такой совет, сочтет приведенную схему достаточной в любых условиях. Однако, это не так. Все дело в том, как тепловизор пересчитывает мощность инфракрасного излучения в температуру. Введенное в настройки тепловизора значение коэффициента излучения используется в расчете пропорции собственного излучения и отраженной компоненты. В приведенной выше ошибочной схеме про отражение как раз забыли. Влияние этой помехи, т.е. отраженного излучения тепловизор вычисляет на основе значения отраженной радиационной температуры (температуры фона, RAT). Отсюда обязательные дополнения к схеме измерения коэффициента излучения:
[dropcap type=»circle» color=»#ffffff» background=»#555555″]1[/dropcap] Нужно чтобы температура поверхности объекта контроля отличалась от фоновой температуры на 20°С и более (в пределах разумного). Если объект слабо отличается по температуре от окружения, погрешность измерения коэффициента излучения будет неприемлемой. В крайнем случае, когда температура объекта не отличается от фоновой, можно задавать в настройках любое значение коэффициента излучения — показания не будут меняться. Можете поэкспериментировать и убедиться. Поэтому для измерения коэффициента излучения чаще всего объект нагревают, но возможно и охлаждение.
[dropcap type=»circle» color=»#ffffff» background=»#555555″]2[/dropcap] Обязательно провести измерение отраженной радиационной температуры и указать это значение в тепловизоре. Если пытаться измерять коэффициент излучения при ошибочно выставленном значении фоновой температуры, результат будет неправильным, иногда очень странным. У меня есть статья на Teplonadzor.ru про измерение отраженной температуры.
Общепризнанным практическим способом измерения коэффициента излучения является метод, описанный в стандарте ISO 18434-1:2008 Condition monitoring and diagnostics of machines — Thermography — Part 1: General procedures. Annex A (normative) Field measurements of reflected apparent temperature and emissivity.
О тех случаях, когда можно провести измерение коэффициента излучения и по какой схеме я напишу в одной из следующих публикаций на сайте Teplonadzor.ru. А пока, давайте посмотрим, что встречается в отечественных документах про измерение коэффициента излучения. Теперь вы сами найдете найдите ошибки или недостаточность инструкций.
***
РД 153-34.0-20.364-00 (ОРГРЭС, 2000) «Рекомендуется излучательную способность исследуемой поверхности определять непосредственно на месте съёмки. Для этого контактным термометром определяют истинную температуру объекта, а затем вводят в процессор тепловизора всё новые значения коэффициента излучения, добиваясь равенства Тизм и Трад. Установленное при достижении указанного равенства значение коэффициента излучения и будет являться истинной излучательной способностью объекта.»
РД 153-34.0-20.364-00 (ОРГРЭС, 2004) «В практике может возникнуть необходимость в определении коэффициента излучения контролируемого объекта или его узла. Для этого на участок контролируемой поверхности наносится покрытие из матовой чёрной краски или наклеивается кусок ленты для фотошаблонов, коэффициенты излучения которых близки к единице. После того, как покрытие или лента приобретает температуру объекта осуществляется измерение Тфакт. Измерив Трад неокрашенного участка, по приведенной выше формуле можно определить его коэффициент излучения.»
РД-13-04-2006 (ВЕМО и др., 2006) «При проведении количественного анализа обязательно знание коэффициента излучения. Его определяют путем сравнения контактных и бесконтактных измерений температуры в реперных зонах на контролируемой поверхности.»
ГОСТ Р 54852-2011 (НИИСФ, 2012) В документе рекомендуют значение коэффициента излучения выбрать из таблиц, либо измерить в натурных или лабораторных условиях. В перечне дополнительное оборудования даже указана пленка с известным коэффициентом излучения не менее 0,85. Но про схему измерения коэффициента излучения никакой информации нет. Зато есть «Обработка термограмм на основании энергетического баланса излучения» (приложение Е). В основном правильная и полезная в образовательных целях, но абсолютно бесполезная на практике схема рассказывает, как уточнить значения распределения температур по термограмме на основании решения уравнения энергетического баланса регистрируемого излучения.
S.M.
09.04.2013 в 18:26Добрый день.
При проведении внутреннего обследования в здании не так просто создать условие чтобы «температура поверхности объекта контроля отличалась от фоновой температуры на 20°С и более» необходимое для определения КИ.
Денис Лездин
09.04.2013 в 23:03SM, согласен, простого решения нет. У меня есть идея по схеме измерения КИ практически в любых условиях, но нет времени на эксперименты. При внутреннием тепловизионном обследовании чаще всего настраивают RAT = Твоздуха (так как внутренние перегородки, пол, потолок, мебель в среднем имеют температуру воздуха и высокий коэффициент излучения).
Vlad
10.04.2013 в 08:06При термографировании строительных объектов следует иметь в виду: 1) температура объектов близка к температуре окружающей среды, поэтому флуктуации коэффициента излучения компенсируются такими же флуктуациями коэффициента отражения, и в целом влияние КИ не столь существенно; 2) однако, если есть фон с «аномальной» температурой (холодное небо), то его влияние может быть значительным, поэтому 3) действительно, нужно перед измерением КИ установить отраженную температуру фона именно в точке измерения.
Термография столь же неисчерпаема как атом.
Денис Лездин
12.04.2013 в 23:09Совершенно согласен по всем пунктам, включая атом!
Мне кажется, что компенсироваться флуктуации будут в случае одновременного занижения КИ и RAT или одновременного завышения КИ и RAT. Ниже эксперимент в стиле «что если» курса подготовки термографистов ITC.
Температура поверхности стены с коэффициентом излучения 0,92 примерно на 6°С ниже температуры воздуха в помещении 24°С. В таблице показаны ошибки измерения температуры поверхности при разных настройках КИ и RAT. Можно примерно оценить величину ошибки и ее связь с ошибками в настройках. Это один частный случай, в иной ситуации результат будет другим.
Тоха
11.04.2013 в 16:18У меня вопрос. Значит провел я опыт, измерил температуру стекла в в двери на лоджию. КИ стоял 0,95 (по умолчанию)температура колеблется от21,1 до 23,5 °С. затем приклел к окну пожамканую фальгу и произвел замеры при КИ=1. Результаты следующие: температура окна взятая возле фольги 22,5 °С, а на фальге от 24,9 до 25,8 °С. Вопрос, какое значение температуры брать за показание радиационной температуры? Мин, макс или среднее значение. И для уточнения. Вот то значение рад. температуры (которое будет верное) и надо указывать в тепловизоре как фоновую температуру для корректного измерения поверхностной температуры данного объекта т. е. стекла оконного блока?
Денис Лездин
11.04.2013 в 19:37Для диффузно отражающих поверхностей при измерении отраженной радиационной температуры фона надо брать среднее значение по фольге. Со стеклом все сложнее.
Стекло является зеркальным отражателем, для него измерение отраженной радиационной температуры с помощью мятой фольги не подходит. В каждой точке стекла отражается какой-то конкретный объект, а не все сразу (как в фольге). Поэтому измерение тепловизором температуры стекол часто затруднительно и неточно.
Тоха
12.04.2013 в 05:03РД 153-34.0-20.364-00 (ОРГРЭС, 2000) «Рекомендуется излучательную способность исследуемой поверхности определять непосредственно на месте съёмки. Для этого контактным термометром определяют истинную температуру объекта, а затем вводят в процессор тепловизора всё новые значения коэффициента излучения, добиваясь равенства Тизм и Трад. Установленное при достижении указанного равенства значение коэффициента излучения и будет являться истинной излучательной способностью объекта.»
Денис. Рассудите меня, правильно ли я понимаю. Описанным выше способом вернее будет измерена RAT , объекта которую можно будет ввести в тепловизор. Например: В помещении температура 25°С, наружная стена эркера(теплый балкон) имеет плохое утепление. В итоге выпадение конденсата и т.д. и т.п. Так вот поверхность стены этого эркера имеет температуру на много отличную от окружающей температуры помещения. Как будет правильно?. Измерить температуру поверхности стены контактным термометром и ввести данные как RAT поверхности или воспользоваться методом с использованием фольги.
Просто еще раз попасть на тот объект у меня нет возможности, для того что бы провести эксперимент, да и погода уже не та.
Заранее благодарен.
Денис Лездин
12.04.2013 в 22:35Цитируемый вами способ является частью процедуры измерения коэффициента излучения исследуемой поверхности. К измерению отраженной фоновой температуры это не имеет отношения.
В вашем примере можно ввести значение отраженной температуры 25°С, если ведется тепловизионная съемка наружной стены эркера. Как написал выше Владимир Платонович, в этом случае погрешность из-за неточного определения RAT невелика (так как RAT в общем случае не равна абсолютной температуре внутреннего воздуха, но часто очень близка к ней).
Тоха
16.04.2013 в 12:28Денис расскажите о понятии «тепловой карман». Что это такое.
Хотелось бы статью об этом явлении. Спасибо
Денис Лездин
16.04.2013 в 23:09Я тоже сегодня узнал новый термин «тепловой карман». Похоже, по описанию я догадался, о чем речь (хотя раньше такого термина не нигде слышал). Форма объекта влияет на его коэффициент излучения. В программе ITC это явление рассматривается. Но показанная на термограмме печка к этому явлению никакого отношения не имела.
Вадим
12.05.2015 в 06:20А как быть, если конструкция состоит из разных материалов, включающих себя как металлы, так и известковые структуры?
Денис Лездин
12.05.2015 в 11:06О чем речь, мне не совсем ясно.
Опишите поверхность подробнее, фото пришлите.
Вадим
12.05.2015 в 12:54Объект контроля — яйцо птицы. Объекты расположены равномерно на стально подставке инкубатора. А как фото выслать вам?
Денис Лездин
12.05.2015 в 13:03Не вижу особой проблемы, для контроля t поверхности яйца установите в настройках тепловизора его коэффициент излучения. Подставка Вам не будет мешать, ее же не требуется измерять.
Вадим
12.05.2015 в 13:11Да, вы правы. Стальная подставка нам не нужна. Но подставка и яица были нагреты до 40 градусов С, а потом их вместе нужно вытащить наружу для проведения контроля, т.е. они начнут остывать. Нам нужно выявить перепад температуры отдельно взятых яиц, разница состалвяет несколько сотых градуса С, я думаю подставка будет вносить значительные искажения в результаты. Либо лучше провести контроль в переносном инкубаторе, где сетка из хлопка, закрепленная на деревяной раме? Возможно ли выявить вобще такую разницу температур при данных условиях?
Денис Лездин
12.05.2015 в 13:44Хотя мы и можем взять тепловизор с чувствительностью 0,02°С, я довольно скептически отношусь к идее измерять подобные перепады в рабочих условиях. Дальнейшее обсуждение не по теме статьи и перенесено на email.
Вадим
12.05.2015 в 06:28И где можно ознакомиться подробно с ISO 18434-1:2008-03 Condition monitoring and diagnostics of machines — Thermography — Part 1: General procedures. Annex A (normative) Field measurements of reflected apparent temperature and emissivity ?
Денис Лездин
12.05.2015 в 11:04ГОСТ Р ИСО 18434-1-2013 является идентичным по отношению к международному стандарту ИСО 18434-1:2008. Ознакомиться с ним можно по ссылке: https://teplonadzor.ru/gost_18434-1-2013/
Вадим
12.05.2015 в 12:45Благодарю)
Денис
02.09.2016 в 05:33Добрый день Денис!
Хотелось узнать у вас. А вот заблуждение ли то утверждение, что можно
настроить коэффициент излучения в тепловизоре, предварительно измерив температуру поверхности объекта изучения Пирометром? В котором коэффициент заводской, равный 0,95? А потом по совпадениям температур подобрать коэффициент излучения?
Спасибо.
Денис Лездин
02.09.2016 в 10:07Если мы беремся за процедуру уточнения коэффициента излучения, то следует все ошибки минимизировать. Как измерительные, так и методические. Иначе уточнение КИ не имеет смысла, погрешность оказывается сопоставима с угадыванием. Процедура приведена в ГОСТ Р ИСО 18434-1-2013. В основе уточнения КИ знание истинной температуры поверхности. У пирометра 0,95 и полное отсутствие настройки отраженной температуры. Из-за этого температура на поверхности с неизвестным КИ или на изоленте будет измерена неверно. Иногда коэффициент излучения при такой схеме оказывается больше единицы. Да и погрешности измерения температуры при использовании двух разных приборов складываются, что особенно важно при малых перепадах радиационных температур изоленты и поверхности. Изоленту им вообще измерить трудно из-за её малого размера и большого пятна измерения пирометра. Надо заметить, что схема из ГОСТа трудно применима в случае высокотемпературных измерений. У вас какие температуры?
Денис
02.09.2016 в 07:08Хотя сам вроде понимаю,что без учета отраженной температуры достоверный коэффициент излучения не найти. Но вопрос важный для меня. Хочу показать ваш ответ начальству. Чтобы закончить спор по этому поводу.
Заранее благодарен))).
Денис
02.09.2016 в 11:14У нас температуры отрицательные. Горные породы, мерзлота. Еще вопрос может ли меняться коэффициент Излучения горной породы в зависимости от процентного содержания влаги в ней?
Спасибо.
Денис Лездин
05.09.2016 в 11:05Коэффициент излучения — характеристика поверхности объекта. Так что надо разделять влажность в объеме и наличие влаги на поверхности, например из-за конденсации воды из окружающего воздуха. Также не забывайте про эффект «теплового кармана», из-за трещин и разломов КИ может увеличиваться.
Снимать грунт, почву, породу с измерительными целями мне не приходилось. Как видно, задача актуальная в узких кругах. Поищите по ключевым словам «Thermal Infrared Emissivity Dependence on Soil Moisture in Field Conditions». Однако, не всегда ясно, на сколько ваши полевые условия и поверхности соответствуют приведенным в чужих исследованиях.
Алексей
26.09.2017 в 16:51Добрый день.
Столкнулся с проблемой измерения коэффициента излучения поверхности с покрытием (чёрная краска) в диапазоне 3-5 мкм. Знаю термодинамическую температуру. Необходимо узнать радиационную. Для этого необходим коэффициент. Возможно что-то можете подсказать.
Денис Лездин
27.09.2017 в 10:39Алексей, чтобы узнать радиационную температуру в диапазоне 3-5 мкм нужно провести измерение тепловизором с рабочим диапазоном 3-5 мкм и настройкой коэффициента излучения КИ=1.