Казалось бы – что тут сложного? Взять пирометр, включить его, навести на измеряемый объект, нажать кнопку “Измерение” – и результат вот он, на дисплее. А если надо измерить поточнее? Так возьмите более точный пирометр, с меньшей погрешностью, сделайте все то же самое, и получите результат, с более высокой точностью. И нечего ломать себе голову, всё так измеряется, что напряжение, что масса – возьми хороший прибор, посмотри, как им пользоваться, да измерь. И запиши результат.
Да, если речь идёт об измерении электрических величин, геометрических размеров, весов, да и вообще большинства технических величин, то именно так всё и измеряется. Но не в пирометрии. Напомню, что пирометрия – это измерение температуры нагретых объектов по их тепловому излучению. Для этих измерений используются специальные приборы – пирометры. Если вы не знаете, как они выглядят, какие у них характеристики – наберите слово “пирометр” в поисковике, прочитайте пяток из найденных им материалов, и многое вам станет понятно.
Первые пирометры появились в конце XIX века в Европе и в России. И сразу с их появлением встал вопрос – как их калибровать? Вроде бы очевидно – взять какой-то объект и нагревать его до определённых температур, к примеру, до 100, 200, 300 и т.д. градусов Цельсия, и отмечать, где останавливается стрелка измерительной головки пирометра при этих 100, 200, 300 и т.д. градусах. Но увы, здесь есть проблема…
Уже тогда, в конце XIX – начале XX веков было замечено, что разные материалы излучают по-разному, даже если их температуры одинаковы. Например, заготовка из меди излучает процентов на 30 меньше, чем заготовка из стали при той же температуре. И по какой из этих заготовок калибровать пирометр? Откалибруешь по меди – так сталь такой пирометр будет измерять с завышением. Откалибруешь по стали - измерит медь с занижением. А ведь есть еще вольфрам, молибден, титан, не говоря уже о всяких редкозёмах, пластиках, стёклах, огнеупорах, и вообще расплавах. И все они излучают не как медь, и не как сталь – и по интенсивности, и по спектру. И по какому бы из них мы не откалибровали пирометр – всё остальное вышеперечисленное будет измеряться с ошибками, зачастую очень значительными. Как тут быть?
К счастью, выход был найден практически одновременно с изготовлением этих первых пирометров. Почти за полвека до их появления немецкий ученый Кирхгоф в своих работах по термодинамике описал объект, названный им “Абсолютно Чёрным Телом”, или АЧТ. Главное его свойство – оно полностью поглощает любое излучение, падающее на его поверхность, и абсолютно ничего не отражает. При этом Кирхгоф, а затем и другие физики, определили законы излучения этого АЧТ. Естественно, что они одинаковы, что в Европе, что в Австралии, что на Северном полюсе, что на экваторе. А в конце XIX века появились и первые модели АЧТ, по которым стали калибровать пирометры. И, замечу, калибруют по ним и по сей день. Ибо АЧТ – это единственный объект, излучение которого всегда и везде повторяемо. И пирометр, правильно откалиброванный, к примеру, во Франции, также правильно измерит температуру АЧТ что в США, что на Багамских островах.
Но нам ведь нужно измерять пирометрами не температуру АЧТ, а температуру реальных объектов – расплавов металлов, стенок нагретых печей, нагреваемых перед экструзией заготовок из алюминия, и т.д. А любой из этих объектов излучает слабее, чем АЧТ – какой-то процентов на 20, а какой-то и в разы меньше. И как поступить?
Осознав это, учёные предложили каждому из измеряемых объектов поставить в соответствие некий коэффициент, который показывает, какую часть от излучения АЧТ излучает этот объект (при равной с АЧТ температуре). У алюминия, например, этот коэффициент близок к 0,1, у стали – к 0,7, у вольфрама – к 0,4, и т.д. Учёные назвали его “излучательной способностью” и полагали, что рано или поздно удастся составить базу данных из этих коэффициентов для всех измеряемых объектов и материалов. И корректировать ими показания пирометров, калиброванных по АЧТ – в результате должны получаться правильные значения температуры измеряемых объектов.
Гладко было на бумаге … . Уже к 1916 году выяснилось, что эта излучательная способность – не константа, а переменная величина, зависящая от длины волны излучения λ. У большинства металлов, например, излучательная способность (её обозначают буквой ε) для длин волн вблизи λ=0,4 мкм (фиолетовый свет) на 25-50% больше, чем для длин волн вблизи λ=0,65 мкм (красный свет), и почти вдвое больше, чем для длин волн вблизи λ=1-2 мкм (инфракрасное излучение). Поэтому получается, что один и тот же объект как правило, характеризуется несколькими коэффициентами излучения – для пирометров в инфракрасной области, для пирометров в красной области, и т.д. А ограничиться пирометрами только в одной области спектра не получается – у коротковолновых погрешности измерений ниже, чем у длинноволновых, но зато вторые могут измерять гораздо более низкие температуры, чем первые.
Чтобы последнее было понятнее, скажу следующее. По давно существующим методикам, в обычные пирометры (с одним приёмником излучения) перед измерением так или иначе вводят значение ε, той самой “излучательной способности”, её сейчас называют коэффициентом излучения. Ввели правильное значение ε – получили после коррекции правильный результат измерения. Естественно, если введённый коэффициент ε определён неправильно, то и результат измерения пирометра, скорректированный этим коэффициентом, также будет неверным. Так вот, известные расчёты показывают, что для пирометров, в диапазоне вблизи λ=1 мкм 10%-я ошибка в измерении ε приведет к ошибке в скорректированном результате на 1,5-2,5%. А если ваш пирометр работает в диапазоне длин волн λ=8-14 мкм, то 10%-я ошибка в измерении ε приведет к ошибке в скорректированном результате на 10-12%. При этом именно последние пирометры, с рабочими длинами волн λ=8-14 мкм, являются наиболее распространенными, т.к. они позволяют измерять температуры вплоть до комнатных (и даже до отрицательных).
Казалось бы – ну поточнее измерьте эту ε, или поройтесь в литературе, найдите более достоверные данные. Не получится. Все данные, которые имеются в литературе, получены учеными-энтузиастами в разное время, на разных установках, в разных странах, в разных условиях. Их не так уж и много, и различия между схожими измерениями нередко достигают 50%. И не потому, что кто-то из учёных халтурил. Один и тот же материал в разных производственных циклах имеет разные коэффициенты излучения. Торец куска меди после распила обычной ножовкой будет характеризоваться значением ε≈0,5-0,6. А для полированной меди ε≈0,2. Причем для механической полировки и для электрополировки значения ε различаются на 20-25% (ниже будет первое, т.к. при механической полировке микроструктура поверхности более гладкая, ибо имевшиеся до полировки выпуклость “забили” промежутки между микробугорками; а при электрополировке они были удалены в процессе полировки с поверхности, и в промежутках между микробугорками остались микровпадины, работающие каждая как маленькое слабенькое АЧТ, увеличивающее ε).
Добавлю, что производственная грязь на поверхности образца (пыль, влага, масляные пятна и т.д.) также увеличивает его ε, и чем больше этой грязи, тем выше ε. Поэтому искать в литературных данных точные значения ε для измеряемых вами материалов в ваших производственных условиях абсолютно бессмысленно, вы легко найдёте несколько значений, которые запросто будут различаться в полтора раза. В свете сказанного, думаю, понятно, почему найти ε для вашего материала в ваших условиях с погрешностью ниже 5-10% почти невозможно.
А если попытаться измерить ε? Увы, приборов для измерения ε как не было 50 лет назад, так нет и до сих пор.
Но даже если вам по счастливой случайности удалось найти в литературе правильное для вашего случая значение ε для вашего материала, вылезет следующая проблема. Дело в том, что излучательная способность зависит ещё и от температуры. У многих сортов стали на любой длине волны излучательная способность при 1000°С примерно вдвое выше, чем при 500. Соответственно, и “правильное” значение ε для любого образца из такой стали при температуре, равной 1000°С, будет вдвое выше, чем для 500°С. Если вы не знаете температуру металла, который вы хотите измерить пирометром, вы не сможете ввести в него правильное значение коэффициента излучения. А не введя правильное значение коэффициента излучения, вы не сможете адекватно измерить температуру. Замкнутый круг.
Из вышесказанного может возникнуть впечатление, что пирометрами вообще невозможно ничего измерить. Нет, это не так. Многие объекты при невысоких температурах характеризуются коэффициентом излучения, близким к 1. Это и кожа человека или животного, и приготавливаемая пища, и ткани, и покрашенные обычной краской поверхности, что стен, что электрооборудования, и много что еще. И их температуру можно легко измерить простыми ручными пирометрами, получившими очень широкое распространение в постковидное время. Да, при этом измерения будут с погрешностями, но это очень часто неважно. Например, запечённая в духовке индейка будет иметь реальную температуру при открывании дверцы духовки 150 градусов, а пирометр покажет вам 146. Но в подавляющем большинстве случаев в таких измерениях важна не аптекарская точность в измерении, а исключение заметного недогрева или перегрева. Поэтому пирометром в подобных случаях может весьма успешно пользоваться и домохозяйка, ничего не знающая про вышеупомянутые проблемы, снижающие точность измерений в пирометрии.
Но в то же время все описанные проблемы актуальны при применении пирометров в тех производствах, где температуры значительно выше, а требования к точности измерений гораздо жестче. И вот здесь нельзя их игнорировать. Нельзя считать, что заморачиваться надо лишь тем, где найти пирометр с минимальной погрешностью за минимальные деньги, а там всё автоматом получится. Не получится, если вам нужны погрешности измерений ниже 5-6% (а то и 1-2%). О научных исследованиях при этом и вовсе промолчим – там желательно иметь погрешности если не в доли процента, то уж во всяком случае не выше 1%. И как быть, с учётом груза всех тех проблем, о которых было сказано?
Опытные производственники проводят на своём производстве так называемую “тарировку”. В объект, температуру которого нужно будет измерять в данном технологическом цикле, зачеканивают термопару, применимую в этом температурном диапазоне. Далее объект нагревают до требуемой в этом процессе температуры, контролируя ее значение термопарой. Затем пирометр наводят на объект так, чтобы его кружок поля зрения был неподалеку от места зачеканивания термопары. Изменяя значение вводимого в пирометр коэффициента излучения (т.е. ε), находят такое его значение, при котором расхождение результатов измерения температуры пирометром и термопарой будут минимально возможными. А далее найденное таким образом значение ε записывают в технологическую карту этого процесса. И вводят в пирометр перед измерением именно этих объектов именно такими пирометрами. При этом надо помнить, что если этот же объект надо измерять в другом технологическом цикле, где он имеет заметно отличающуюся температуру, тарировку надо провести и для этого технологического цикла, т.к. “правильные” для этих разных циклов значения коэффициентов ε могут заметно различаться, и неучет этого может привести к существенным ошибкам при измерении в том технологическом цикле, где не была сделана тарировка.
Также необходимо отметить, что если в рассматриваемом случае по тем или иным причинам пришлось использовать пирометр другого типа, или от другого производителя, то тарировку также нужно повторить с вновь применённым пирометром. “Правильное” для него значение ε большой долей вероятности будет другим. Причина в том, что пирометр может работать в другом спектральном диапазоне, или в том, что разные производители корректируют результат введённым в пирометр значением ε несколько по-разному. Да и ошибки в алгоритмах коррекции также могут затесаться – аппаратуры, на которой можно было бы проверить правильность коррекции, сегодня нет.
Как видите, измерения пирометрами в условиях реальных производств весьма сложны. Для получения правильных результатов нужно принимать во внимание множество факторов. Но дорогу осилит идущий!