Как мы узнали в статье про измерительные тепловизоры, в каждом измерительном тепловизоре имеется настройка двух параметров: коэффициент излучения и отраженная температура. Следует отметить, что настройка этих двух параметров в тепловизоре вызывает наибольшее количество вопросов.
В этой статье я расскажу про второй параметр — отраженную температуру. Этот параметр может называться по-разному: кажущаяся или радиационная отраженная температура (reflected), температура фона (background), окружающая температура (ambient). В англоязычной литературе мы чаще встретим устоявшийся термин «reflected apparent temperature» (RAT).
Все окружающие нас объекты испускают собственное тепловое излучение, чем теплее объект, тем мощнее это излучение. Тепловизор может пересчитать мощность излучения в температуру объекта, для этого используются фундаментальные зависимости и калибровочная кривая тепловизора. Ситуация осложняется тем, что все объекты в ик-области отражают ик-излучение окружающих их объектов. В итоге тепловизор получает из каждой точки контролируемого объекта и его собственное, и отраженное постороннее излучение, которое является для наших измерений помехой. Чтобы учесть наличие отраженного излучения, тепловизору надо знать его мощность. Именно за это отвечает настройка в тепловизоре отраженной кажущейся температуры. Вводя в меню тепловизора значение отраженной или фоновой температуры, мы сообщаем тепловизору, в каком окружении находится контролируемая поверхность, что в ней сейчас отражается.
Так как все вычисления происходят в программном обеспечении тепловизора, от нас никаких расчетов не требуется. От нас требуется понимать, что такое отраженная температура в каждом конкретном случае, и проводить ее грамотное измерение (если сочтем это необходимым). Давайте перейдем методам измерения отраженной кажущейся температуры.
Сначала разберемся, как поверхность отражает излучение. Всего есть два крайних случая отражения: диффузное и зеркальное. Тип отражения зависит от состояния поверхности.
Если поверхность ровная, неровности меньше длины волны, то она называется зеркальной. Зеркальная поверхность отражает падающие лучи направленно. При зеркальном отражении падающий луч отражается точно под углом падения. В зеркальных поверхностях мы видим отражение объектов, можем мысленно определить, в каком направлении находится отраженный в зеркале объект. Напротив, шероховатая поверхность состоит из разнонаправленных участков и перпендикулярно им рассеивает лучи по всем направлениям. Такое отражение называется рассеянным или диффузным.
Измерение отраженной радиационной температуры
Сперва я выскажу свое мнение относительно зеркальных поверхностей. У зеркальных в ик-области поверхностей коэффициент излучения довольно низкий. Теория и практика показывают, что при низком коэффициенте излучения точность измерений температуры неудовлетворительная. Не стоит пытаться настроить КИ и RAT, например, для бака из нержавейки или оцинковки, небольшие погрешности знания этих двух параметров приводят к значительным погрешностям измерения температуры. В программе обучения ITC Level 1 мы выполняем лабораторную работу, которая наглядно демонстрирует этот эффект.
С диффузными поверхностями относительно проще. Пожалуй, лучшим способом измерения отраженной температуры является метод с мятой чистой алюминиевой фольгой (crinkled clean aluminum foil), описанный в стандарте 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.
Мятая алюминиевая фольга используется в качестве диффузного инфракрасного отражателя. Поверхность фольги является хорошим отражателем инфракрасного излучения, множество различно ориентированных участков отражают весь окружающий радиационный фон на тепловизор. Фольгу располагают вдоль поверхности объекта контроля.
В тепловизоре устанавливают КИ = 1 (дистанцию D = 0, если есть такая настройка). При этом тепловизор не вносит поправки и показывает радиационную температуру. Это важный момент, отраженная температура именно радиационная, измеренная только таким способом. С поверхности фольги снимают значение температуры. Рекомендую использовать элемент анализа область, среднюю температуру в области. Измеренное значение — это и есть отраженная радиационная (кажущаяся) температура фона.
Не забывайте, что при изменении условий тепловизионной съемки (изменение дистанции, ракурса, положения объекта, изменения в окружении), отраженная температура фона изменится. Наиболее точное указание отраженной температуры в тепловизоре позволяет повысить точность температурных измерений.
Q&A → ВОПРОС/ОТВЕТ
Вопрос: А что, температура может отражаться?
Ответ: В действительности температура не может отражаться, отражается тепловое излучение. Просто это такой термин. Пошло все от того, что в настройки тепловизора вводится значение радиационной температуры фона, по которому тепловизор вычисляет мощность фоновой засветки.
***
Вопрос: В моем пирометре есть только настройка коэффициента излучения, настройку отраженной температуры я не обнаружил. Как мне проводить измерения?
Ответ: С большой осторожностью, особенно в тех случаях, когда КИ ниже 0,9 и/или фон сильно отличается от температуры объекта.
***
Вопрос: В помещении, где я выполняю тепловизионную съемку, нет горячих источников. Похоже, отраженная температура тут не важна. Я устанавливаю значение 0. Так можно отключить эту настройку?
Ответ: Если вы принимаете решение о состоянии объекта только на основе качественного анализа термограммы, можно не заботится о КИ и RAT. Но в отчете термограммы с ошибочными настройками покажут неестественные значения температуры на шкале, это выглядит странно и непрофессионально. Если вам важно измерить истинную температуру объекта контроля, значение отраженной температуры надо устанавливать наиболее близкое к действительному. Не ставьте 0°С постоянно, это выдает отсутствие понимания основ ик-термографии.
***
Вопрос: Какую алюминиевую фольгу надо использовать?
Ответ: Толщина алюминиевой фольги не является критичной. Подходит обыкновенная фольга, например, для приготовления пищи. Не стоит использовать слишком тонкую фольгу (Space Blanket), она может быть частично прозрачна в ик-диапазоне вашего тепловизора.
***
Вопрос: Бывают ли ситуации, когда можно указать температуру воздуха в качестве отраженной температуры?
Ответ: Бывают, обычно когда температура воздуха равна отраженной температуре фона. Если серьезно, при тепловизионной съемке материалов с высоким коэффициентом излучения в закрытых помещениях часто фоном являются потолок и перегородки, температура которых практически равна температуре внутреннего воздуха. В строительном тепловидении отраженная температура как правило, близка к температуре воздуха (при внутреннем обследовании).
***
Вопрос: Дайте пример, когда важно измерить и ввести в тепловизор правильное значение отраженной температуры фона. Ясно, что «всегда важно», ну какой-нибудь из промышленности.
Ответ: Мы внутри цеха, снимаем стенку работающего котла. Позади нас холодная стенка здания, так как зима, а теплоизоляция никудышная. Температура воздуха между тепловизором и котлом +25°С. Но воздух не отражается в котле, отражается стенка здания. Ставим фольгу, настраиваем в тепловизоре коэффициент излучения на 1, измеряем отраженную радиационную температуру, например +16°С получается, вводим это значение через меню в тепловизор.
***
Вопрос: Почему отраженную температуру измерять нужно при КИ=1. Ведь тогда КО=0, и, следовательно, отраженная температура (излучение) вообще не должно улавливаться.
Ответ: От настройки КО = 0 тепловизор не перестает улавливать отраженное излучение, а собственное не исчезает при КИ = 0. Тепловизор сколько улавливал через объектив, столько и продолжает. Считается, что фольга очень хорошо отражает, ее собственное излучение в тепловизор не попадает. Говоря про отраженную температуру, не забываем, что это именно радиационная температура. Для ее измерения надо установить КИ = 1. При этом тепловизор свяжет все отраженное от фольги излучение с температурой фона. Эта температура (интенсивность отраженного излучения) будет использована тепловизором, когда мы начнем измерение температуры объекта контроля с известным КИ.