Особенности процессов инфракрасного и теплового излучения

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

1. Тепловое излучение, его законы

2. Инфракрасное излучение

3. Терморезисторы

4. Пирометрия

5. Достоинства и недостатки пирометрического метода по сравнению с другими методами измерения температуры

Список литературы

инфракрасный тепловой излучение терморезистор

Введение

Тепловое излучение, его законы. Инфракрасное излучение Методы измерений, основанные на тепловом излучении. Терморезисторы. Пирометрия. Достоинства и недостатки пирометрического метода по сравнению с другими методами измерения температуры.

1. Тепловое излучение, его законы

Тепловое излучение -- электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела. Имеет сплошной спектр, максимум которого зависит от температуры тела. При остывании последний смещается в длинноволновую часть спектра. Тепловое излучение испускают, например, нагретый металл, земная атмосфера и белый карлик.

Причиной того, что вещество излучает электромагнитные волны, является устройство атомов и молекул из заряженных частиц, из-за чего вещество пронизано электромагнитными полями. В частности, при столкновениях атомов и молекул происходит их ударное возбуждение с последующим высвечиванием. В случае, если излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, то такое излучение называется равновесным. Спектр такого излучения эквивалентен спектру абсолютно чёрного тела и описывается законом Планка. Однако в общем случае тепловое излучение не находится в термодинамическом равновесии с веществом, таким образом более горячее тело остывает, а более холодное наоборот нагревается. Спектр такого излучения определяется законом Кирхгофа.

Закон Стефана-Больцмана

Австрийский физик и математик Йозеф Стефан (Joseph Stefan) в 1879 году путём измерения теплоотдачи платиновой проволоки при различных температурах установил пропорциональность излучаемой ею энергии четвертой степени абсолютной температуры. Теоретическое обоснование этого закона было дано в 1884 году учеником Стефана Людвигом Больцманом. Энергетическая светимость (q) абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры (T).

q = у ? T4

Константа в этой формуле называется постоянной Стефана-Болъцмана, у = 5.67?10-8 (Вт/м2)/К4. Энергетическая светимость -- это мощность излучения на всех длинах волн с единицы поверхности (Вт/м2). Из этого следует, что все окружающие нас объекты испускают тепловое излучение, так как всегда имеют температуру выше абсолютного нуля 0 К или минус 273єС. При повышении абсолютной температуры в два раза, мощность излучения увеличится в 16 раз. Закон справедлив для излучения абсолютно черного тела.

Для перехода к реальным объектам (серым телам) необходимо умножить результат на коэффициент излучения (степень черноты) объекта е, который всегда меньше 1. Важно отметить, что закон говорит только об общей излучаемой энергии. Распределение энергии по длинам волн описывается формулой Планка.

Закон излучения Кирхгофа

Немецкий физик Густав Кирхгоф (Gustav Kirchhoff), работая работая над основами спектрального анализа, в 1859 году опубликовал статью «О связи между излучением и поглощением света и теплоты», в которой установил общее положение, «что для лучей одной и той же длины волны, при одной и той же температуре, отношение лучеиспускательной способности к поглощательной для всех тел одинаково». В более подробной работе 1861 года Кирхгоф детально и строго обосновал это положение, известное в настоящее время как закон Кирхгофа. Закон получен на основании второго начала термодинамики и затем подтвержден опытным путём. Отношение излучательной способности (E) к поглощательной способности (A) одинаково для всех тел при данной температуре (T) для данной длины волны (л) и не зависит от формы тела, его химического состава и проч.

E(л,T) / A(л,T) = e(л,T)

Закон излучения Кирхгофа является одним из основных законов теплового излучения и не распространяется на другие виды излучения. Из закона следует -- чем тело больше поглощает при температуре T на длине волны л, тем оно больше излучает при данных температуре и длине волны. Таким образом, поверхности с высокой степенью черноты (коэффициентом излучения) хорошо поглощают падающее излучение и сами являются хорошими излучателями. Блестящие зеркальные поверхности с низким коэффициентом излучения мало излучают и плохо поглощают падающее на них излучение. Эта связь очень важна в инфракрасной термографии.

Реальные тела имеют поглощательную способность меньше единицы, а значит, и меньше чем у абсолютно чёрного тела излучательную способность. Тела, поглощательная способность которых одинакова для всех длин волн, называются «серыми телами». Их спектр имеет такой же вид, как и у абсолютно чёрного тела. В общем же случае поглощательная способность тел зависит от длины волны и температуры, и их спектр может существенно отличаться от спектра абсолютно чёрного тела. Изучение излучательной способности разных поверхностей впервые было проведено шотландским ученым Лесли при помощи его же изобретения -- куба Лесли (Leslie cube).

Формула Планка

Выдающийся немецкий физик Макс Планк (Max Planck), изучая тепловое излучение, открыл его атомный характер. Он рассматривал модель черного тела, представлявшую собой совокупность электромагнитных осцилляторов, излучающих и поглощающих электромагнитную энергию каждый определенной частоты. Планк принял гипотезу, что каждый осциллятор излучает и поглощает энергию конечными порциями -- квантами. В 1900 году Планк доложил Берлинскому физическому обществу о своей гипотезе и новой формуле излучения.

Распределение энергии по спектру излучения описывается формулой Планка, в соответствии с которой в спектре имеется единственный максимум, положение которого определяется законом Вина. Открытие Планка заложило основу развития квантовой физики.

Закон Вина

Важные результаты в термодинамике излучения были получены немецким физиком Вильгельмом Вином (Wilhelm Wien). В 1893 году Вин на основе термодинамических соображений впервые вывел закон, определяющий положение максимума в распределении энергии в спектре излучения АЧТ. Закон показывает, как смещается максимум распределения энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела при изменении температуры.

Длина волны (лмакс), на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре (Т) абсолютно черного тела.

лмакс = b / T

В приведенной формуле постянная b = 2,897?10-3 м·К, чтобы получить результат вычисления лмакс в мкм следует взять значение b = 2897 мкм·К. Например, при температуре 36°С максимум излучения приходится на 9,4 мкм. При температуре порядка 6000 К (темература поверхности Солнца) максимум излучения приходится на 0,47 мкм (соответствует желтовато-белому). Законы Планка и Вина объясняют, почему вещество при нагреве начинает светиться в видимом спектре. Как видно из формул, при повышении температуры объекта, все больше излучения испускается с короткими длинами волн. Начиная с температуры около 500°С это излучение уже можно наблюдать невооруженным глазом. Вместе с тем, при понижении температуры нагретых тел в их спектре все сильнее преобладает длинноволновое излучение (например, переход белого каления в красное при остывании металла).

2. Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение -- электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны л = 0,74 мкм и частотой 430 ТГц) и микроволновым радиоизлучением (л ~ 1--2 мм, частота 300 ГГц).

Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с л = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приёмниками, а также специальными фотоматериалами.

Весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

- коротковолновая область: л = 0,74--2,5 мкм;

- средневолновая область: л = 2,5--50 мкм;

- длинноволновая область: л = 50--2000 мкм.

Длинноволновую окраину этого диапазона иногда выделяют в отдельный диапазон электромагнитных волн -- терагерцевое излучение(субмиллиметровое излучение).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем. Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.

Раньше лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскалённые тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней инфракрасной-области (до ~1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы ифоторезисторы. Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами -- детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением.

ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решётки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте.

Поскольку инфракрасные спектры связаны с вращательными и колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а также о зонной структуре кристаллов.

3. Терморезисторы

Терморезистор -- полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от еготемпературы.

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году.

Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который обычно на порядки выше, чем ТКС металлов и металлических сплавов.

Резистивный элемент терморезистора изготавливают методом порошковой металлургии из оксидов, галогенидов, халькогенидов некоторых металлов, в различном конструктивном исполнении, например в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок, тонких пластинок, и размерами от 1--10 микрометров до нескольких сантиметров.

Терморезисторы способны работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках. Однако, с течением времени, при жёстких условиях его эксплуатации, например, термоциклировании, происходит изменение его исходных термоэлектрических характеристик, таких как:

- номинального (при 25 °C) электрического сопротивления;

- температурного коэффициента сопротивления.

По типу зависимости сопротивления от температуры различают терморезисторы с отрицательным (термисторы или NTC-термисторы, от слов «Negative temperature coefficient») и положительным (позисторы или PTC-термисторы, от слов «Positive temperature coefficient») температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС). Для позисторов -- с ростом температуры растёт их сопротивление; для термисторов -- увеличении температуры приводит к падению их сопротивления.

Терморезисторы с ТКС (термисторы) изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoOx, NiO и CuO), полупроводников типа AIII BV, стеклообразных, легированных полупроводников (Ge и Si), и других материалов. Представляют интерес терморезисторы изготовленные из твёрдых растворов на основе BaTiO3, имеющие положительный ТКС.

Условно терморезисторы классифицируют как низкотемпературные (предназначенные для работы при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (от 170 до 510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Выпускаются терморезисторы, предназначенные для работы при температурах от 900 до 1300 К.

Также существуют комбинированные приборы, такие как терморезисторы с косвенным нагревом. В этих приборах в одном корпусе совмещены терморезистор с гальванически изолированным нагревательным элементом, задающего температуру терморезистора, и, соответственно, его сопротивление. Такие приборы могут использоваться в качестве переменного резистора, управляемого напряжением, приложенным к нагревательному элементу такого терморезистора.

4. Пирометрия

Пирометрия - (от греч. pyr -- огонь и metreo -- измеряю), совокупность оптических (бесконтактных) методов измерения температуры. Почти все оптических методы основаны на измерении интенсивности теплового излучения тел(иногда -- п глния). Поскольку интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры Т тел, методы П. применяют для измерения относительно высоких температур. При Т 1000°C они играют в целом второстепенную роль, при Т> >1000°С становятся главными, а при T>3000°С -- практически единственными методами измерения Т. Связано это с тем, что методы П. не требуют контакта датчика измеритего прибора с телом, температуpa которого измеряется. Методами П. в промышленных и лабораторных условиях определяют температуру в печах и др. нагревательных установках, температуру расплавленных металлов и изделий из них (проката и т.п.), температуру пламени, нагретых газов, плазмы. Основные усл вие применимости методов П.: излучение тела должно быть чисто тепловым, т. е. оно должно подчиняться Кирхгофа закону излучения. Тв. тела и жидкости при высоких температуpax обычно удовлетворяют этому требованию, в случае же газов и плазмы необходима специальная проверка его выполнения. Так излучение однородного слоя плазмы подчиняется закону Кирхгофа, если распределения молекул, атомов, ионов и электронов плазмы по скоростям соответствуют Максвелла распределению, заселённости возбуждённых уровней энергии -- распределению Больцмана, а диссоциация и ионизация определяются законом действующих масс, причём во все эти соотношения входит одно и то же значение Т. Такое состояние плазмы наз. Термически равновесным.

Интенсивность излучения однородной равновесной плазмы однозначно определяется её химическим составом, давлением, константами и равновесной темп-рой. Если плазма неоднородна, то даже в условиях термического равновесия её непосредственно наблюдаемое излучение не подчиняется закону Кирхгофа. В этом случае необходимо специальными приёмами определить локальные интенсивности излучения. Методы П. плазмы весьма многообразны и сложны. Они являются составной частью диагностики плазмы. Наоборот, для твердых тел и жидкостей, спектр излучения которых сплошной, методы П. довольно просты. В этом случае измерение температуры осуществляют пирометрами, действие которых основано на законах излучения абсолютно чёрного тела. Обычно в исследуемых телах вытачивают полость с небольшим выходным отверстием. Полость по отношению к попадающему в неё излучению обладает коэфф. поглощения, близким к единице (т. е. по оптическим свойствам близка к абсолютно чёрному телу). Наиболее универсальны методы П., основанные на измерении интенсивностей спектр. линий. Они обеспечивают максимальную точность, если известны абсолютная вероятность соответствующего энергетического перехода и концентрация атомов данного сорта. Если же концентрация атомов не известна с достаточной точностью, применяют метод относит. интенсивностей, в котором температуру вычисляют по отношению интенсивностей двух (или нескольких) спектр. линий. В др. группе методов П. температура определяется по форме или ширине спектр. линий, которые зависят от температуры либо непосредственно (благодаря Доплера эффекту), либо косвенно (благодаря Штарка эффекту и зависимости плотности плазмы от температуры). В некоторых методах Т определяют по абс. или относительно интенсивности сплошного спектра («континуума»). Особое значение имеют методы определения Т по спектру рассеянного плазмой излучения лазера, позволяющие исследовать неоднородную плазму. К недостаткам методов П. следует отнести трудоёмкость измерений, сложность интерпретации результатов, невысокую точность (напр., погрешности измерений температуры плазмы в лучших случаях составляют 3--10%).

5. Достоинства и недостатки пирометрического метода по сравнению с другими методами измерения температуры

В пирометрии с самого момента ее появления и до наших дней используется всего два основных метода измерения температуры нагретых тел по излучению: оптический и радиационный. Конечно, с течением времени технология измерения изменялась и усложнялась, но суть осталась той же.

Основным достоинством радиационных пирометров является простая конструкция и, как следствие, умеренная цена, высокая надежность и компактность. Оптические пирометры менее удобны в применении, стоят дороже и ломаются чаще, так как обладают как минимум двумя приемниками, преобразователями и усилителями, в то время как любой радиационный пирометр имеет всего один комплект узлов.

Другое преимущество радиационных пирометров -- хорошая разрешающая способность (гораздо выше, чем у оптических пирометров той же ценовой категории). Как отмечают специалисты, радиационные пирометры идеально подходят для измерения температур ниже 300-400° С, а также для работы в достаточно узких спектральных диапазонах (к примеру, для проведения измерения через пламя). И, наконец, только радиационные пирометры могут измерять низкие температуры (до -50° C).

Все указанные выше преимущества обусловили широкую популярность радиационных пирометров. Но несмотря на все свои достоинства, они обладают и рядом серьезных недостатков.

Первым и самым существенным недостатком является зависимость результатов измерения от излучательной способности объекта. Что это значит на практике? Допустим, имеется две металлические емкости -- одна новая (светлая и блестящая), а другая сильно окисленная (темная и матовая). Если залить обе емкости водой, довести до кипения (100° С) и измерить температуру радиационным пирометром, то для окисленной емкости значение будет соответствовать реальному (около 95° С), а для новой -- не достигнет и 50° С. Объясняется это тем, что при прочих равных условиях и одинаковой температуре разные объекты излучают разное количество энергии из-за различной излучательной способности.

На величину излучательной способности оказывает влияние состояние объекта (твердое тело, жидкость или газ), фактура поверхности (гладкая, шероховатая), наличие защитных покрытий, пленок, естественных образований вроде ржавчины, накипи и другие факторы. Принято считать, что излучательная способность абсолютно черного тела равна 1, а зеркала -- 0, однако на практике этот показатель обычно колеблется в диапазоне от 0,02 до 0,99.

Мультиспектральные пирометры измеряют температуру, вычисляя отношение сигналов от двух приемников, которые работают на разных длинах волн. Такой метод, вроде бы, должен избавлять от основных проблем, присущих радиационным пирометрам: поскольку зависимость сигнала от расстояния для обоих датчиков одинакова и не сказывается на отношении сигналов, точность не зависит ни от расстояния, ни от излучательной способности объекта. Но к сожалению на практике все происходит не совсем так. Как подтвердили многочисленные исследования, даже при использовании оптического метода излучательная способность, хоть и косвенно, но все же влияет на результат измерения и приводит к значительным погрешностям (более 10%) при измерении температур многих материалов (в частности, металлов). А если учесть другие недостатки оптических пирометров (высокая стоимость, меньшая надежность и т.п.), становится ясно, почему они не так популярны, как радиационные.

Теоретически данную погрешность можно исключить также, как и в случае с радиационными дозиметрами. Но на практике это нереально из-за широкой полосы пропускания датчиков и из-за того, что в отличие от корректирующих коэффициентов для радиационных пирометров, информация по спектральной зависимости излучательной способности для разных материалов в справочной литературе чрезвычайно скудна. Правда, современные цифровые технологии обработки информации позволили создать особые алгоритмы расчета корректирующего сигнала. Погрешность измерений таких "улучшенных" оптических пирометров при температурах 600-2400° С составляет всего 1-1,5%. Но и стоят они существенно больше, чем обычные.

Список литературы

1. Физика: Энциклопедия./Под. Ред. Ю.В. Прохорова. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2003 г.

2. Федин Л.А., Барский И.Я., Микрофотография, Л., 1971.

3. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики: Учебник. В 3-х тт. Т.3 Оптика. Атомная физика. 8-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2006 г.

4. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. - М.: Мир, 1982.

Размещено на Allbest.ru