Повышение коэффициента эмиссии объектов при измерении их температуры ИК приборами

Совсем недавно на сайте был опубликован обзор очередного ИК термометра, и как обычно, в комментариях появилось множество требований о проверке точности показаний прибора в сравнении с контактными термометрами. Кроме того, там же развернулась небольшая дискуссия о различных способах повышения коэффициента эмиссии используемого в качестве образца объекта. В качестве чуть ли не наилучшего метода была предложена черная изолента. Поскольку изолента (обычно синяя) — наше фсё, я решил проверить на практике, так ли она хороша, поставив небольшой эксперимент. Подробности ниже.

В ходе вышеупомянутого спора мною было высказано предположение, что вследствие невысокой теплопроводности материала изоленты температура на ее поверхности будет отличаться от температуры объекта, на который она наклеена. Цитата:

В стационарном режиме с наружной стороны куска изоленты происходит теплоотдача во внешнюю среду посредством излучения и конвекции. То есть через изоленту существует постоянный поток тепла Q, и если теплопроводность материала не является бесконечно большой, то на толщине накладки будет существовать градиент температур ΔT. Чем больше разница температур объекта и окружающей среды — тем выше будет эта дельта.

Можно попробовать её очень грубо оценить. Для простоты расчетов приму площадь куска изоленты S=1 см², толщину d=0.2 мм, теплопроводность из интернета 0.2 Вт/(м*К), температура объекта Т=400 К, окружающей среды Та=300 К.
Поток излучения Qr=S*σ*(Т⁴ — Ta⁴) примерно 0.1 Вт
Рассчитать конвективную теплоотдачу Qc не знаю как, поэтому с некоторым запасом (в меньшую сторону) возьму 0.4 Вт. (Пассивные радиокомпоненты с номинальной мощностью рассеяния 1 Вт, например резисторы, имеют площадь поверхности порядка нашего 1 см², но при рассеивании 0.4 Вт имеют перегрев относительно окр среды точно не больше 100 К).
Тепловое сопротивление куска изоленты с нашими размерами составит 10 К/Вт (его теплопроводность равна 0.2 Вт/(м*К)*0.0001 м²/0.0002 м = 0.1 Вт/К), соответственно градиент температур при суммарном потоке тепла Q = Qr + Qa 0.5 Вт — 5 градусов Цельсия!

Идея экспериментальной проверки очень проста — нужно взять какой-то предмет, наклеить кусочек изоленты, а рядом с ним закрасить такой же участок и «посмотреть» на результат тепловизором. На практике же есть две серьезные трудности. Первая — что использовать в качестве краски. В этом мне помогла статья с сайта ведущего производителя тепловизионной техники Flir под названием «Дешёвые материалы для повышения излучательной способности». Дешёвые — это именно то, что нам нужно :))). В качестве одного из вариантов предложено использовать… канцелярский корректор :)). Весьма контринтуитивно, я бы сказал, так как корректор белый. Тем не менее, в статье утверждается, что важен не столько цвет краски, сколько матовая внешняя поверхность. Практически сразу же был найден небольшой флакончик продукта высоких космических нанотехнологий ака канцелярского корректора PILOT


Вторая сложность — найти предмет, который можно было бы разогреть до температуры хотя бы немного выше 100 градусов, обеспечив при этом равномерность нагрева — сравнивать температуру то мы будем в разных точках.
После нескольких неудачных попыток был использован небольшой толстостенный сантехнический удлинитель на полдюйма, который с помощью сантехнического же уголка и уже алюминиевого скотча прикручен к соплу строительного фена.

Фен с электронным поддержанием температуры


Удлинитель, на который слева приклеена изолента в три слоя, в центре корректор, затем изолента в один слой.


Установка в сборе


Еще по одной грани во всю длину наклеена полоска все той же изоленты, чтобы можно было оценить равномерность нагрева всей детали.

Для начала включаю фен на температуру 60℃. После примерно десяти минут нагрева температура практически перестает меняться, в этот момент проверяю, что образец прогрет равномерно


и делаю первый снимок


Как видим, тепловизор считает, что температура среднего прямоугольника выше на 1℃, чем у одного слоя изоленты и на 2℃ в сравнении с тремя слоями. И если разницу между корректором и изолентой еще можно объяснить, например, отличиями в коэффициентах эмиссии, то между крайними прямоугольниками уже нет: изолента то одна и та же! И это всего 60℃.

Увеличиваем нагрев до 140 ℃, так как именно для такой температуры я делал теоретическую оценку


Разница в температурах возрастает: 3℃ между корректором и изолентой в один слой, и уже почти 9℃ между корректором и изолентой в три слоя! Если учесть, что использованная мной изолента имела толщину 0.15 мм, а в теоретических оценках я взял 0.2 мм, то имеем просто удивительно точное совпадение :))). 6℃ между одной и той же изолентой разной толщины — это тоже впечатляет.

Разницу можно еще усилить, если обеспечить небольшой принудительный обдув. Я взял обычный фен, включил его на самые низкие обороты и подул с расстояния примерно метр. Результат сразу же виден


Как видим, использовать синюю чёрную изоленту в целях дистанционного измерения температуры ИК приборами — не самая лучшая затея. По крайней мере, в тех случаях, когда хочется достичь более или менее высокой точности. Уже при температурах порядка сотни градусов Цельсия она может существенно искажать точность, а при наличии даже небольшого принудительного обдува сделать результаты совершенно недостоверными.

Остается один вполне закономерный вопрос: как влияют на показания толщина слоя корректора и его теплопроводность? Они ведь тоже имеют какие-то конечные значения. Поиски в интернете не принесли результатов, которым можно было бы безоговорочно доверять, поэтому опять «сама-сама-сама» :)))).

Для приблизительной оценки толщины слоя корректора нанес два слоя на полоску алюминиевой фольги


Устанавливаем ноль микрометра на фольгу без корректора

и делаем замеры



Результат вполне предсказуем — порядка 0.1 мм, тоньше, чем изолента, но и не мыльная пленка в детских пузырях :)).

С теплопроводностью сложнее. Как уже сказал, найти в интернете каких-либо данных не смог, поэтому воспользовался методикой, изложенной в моем обзоре керамических термопрокладок.
На фланец транзистора нанес два слоя корректора, дал немного подсохнуть и прикрутил транзистор на радиатор. Наружу вылезло совсем чуть-чуть

так что можно предположить — толщина слоя будет в пределах 0.1 — 0.05 мм, вряд ли меньше. При рассеивании на транзисторе мощности 50 Вт


разница температур между фланцем и радиатором непосредственно под транзистором составила примерно 4℃. При площади фланца 2.1 см² расчет дает теплопроводность корректора в пределах от 6 Вт/(м*К) до 3 Вт/(м*К) (при толщине слоя от 0.1 до 0.05 мм соответственно). Даже если сильным прижимом удалось распределить корректор еще более тонким слоем, скажем, 0.025 мм, то теплопроводность составит 1.5 Вт/(м*К), что всё равно в семь (!) раз выше таковой у изоленты. Плюс к этому толщина слоя корректора на поверхности в полтора раза меньше, чем толщина изоленты. Итог — термическое сопротивление слоя корректора в 7-30 раз ниже, чем одного слоя изоленты!

Для чистоты эксперимента проделаем опыт с транзистором, заменив корректор на изоленту. Её толщина известна — 0.15 мм, теплопроводность ПВХ приводится вполне точно — 0.2 Вт/(м*К). Если результаты на практике совпадут с теорией — всем остальным выводам также вполне можно доверять. При мощности 50 Вт транзистор должен сгореть, для 20 Вт перепад температур на слое изоленты должен составить 20 Вт * 0.00015 мм / (0,000210 м² * 0.2 Вт/(м*К)) = 70℃.

Клеим изоленту на фланец

устанвливаем на радиатор, устанавливаем рассеиваемую мощность примерно 20 Вт (по факту получилось 19 Вт), измеряем


48℃. Это несколько лучше теоретического прогноза и соответствует теплопроводности изоленты примерно 0.3 Вт/(м*К). Вполне возможно, что материал, используемый для электрической изоляции, имеет несколько лучшую теплопроводность, нежели «средний ПВХ». Тем не менее, он все равно очень сильно уступает канцелярскому корректору.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данный материал задумывался в качестве первоапрельского шуточного баттла «Чёрная изолента VS Канцелярский корректор», но, к сожалению, я не успел его закончить вовремя. Тем не менее, решил не отказываться от публикации — надеюсь, что шуточное первоапрельское настроение еще не покинуло муськовчан. К тому же, обзор может быть полезен всем, использующим пирометры и тепловизоры.

В качестве вполне серьезного вывода добавлю, что канцелярский корректор показал выдающиеся качества при дистанционном измерении температуры — он широко доступен, дешев, легко наносится и удаляется, быстро сохнет, не пахнет.

Всем добра и хорошего настроения!