Физические основы теплового излучения
Бесконтактные методы теплового контроля основаны на использовании инфракрасного излучения, испускаемого всеми нагретыми телами. Инфракрасное излучение занимает широкий диапазон длин волн от 0,76 до 1000 мкм. На практике преимущественно используются два спектральных диапазона 3.5 и 8.14 мкм, совпадающие с окнами максимальной прозрачности атмосферы и являющиеся наиболее информативными. Спектр, мощность и пространственные характеристики этого излучения зависят от температуры тела и его излучательной способности, обусловленной, в основном, его материалом и микроструктурными характеристиками излучающей поверхности. Например, шероховатые поверхности излучают сильнее, чем зеркальные. При повышении температуры мощность излучения быстро растет, а ее максимум сдвигается в область более коротких длин волн. Эта закономерность характеризуется законом смещения Вина.
Объект (в том числе и кожный покров человека) с температурой около 300 К (30°С) имеет максимум излучения на длине волны 10 мкм, солнце - 0,5 мкм, а жидкий азот с Тот = 77 К - 38 мкм. Спектр излучения может быть непрерывным или дискретным.
Характер спектра зависит, в основном, от агрегатного состояния вещества. Для твердых и жидких тел, как правило, характерны непрерывные спектры излучения, а для газообразных - линейчатые, которые при больших давлениях или больших толщинах чаще переходят в непрерывный.
Для характеристики теплового излучения удобным оказалось понятие абсолютного черного тела (АЧТ), т е тела, поглощающего все падающее на него излучение. Излучение АЧТ описывается аналитически, оно является функцией только его температуры. Физической моделью АЧТ может служить замкнутая полость с отверстием значительно меньшим ее габаритов.
Законы изучения АЧТ могут применяться с известной поправкой для большинства реальных тел, что определяет их значение.
Суммарную плотность потока излучения АЧТ в зависимости от его температуры определяет закон Стефана-Больцмана (получаемый интегрированием закона Планка).
Физические основы измерения температур
Практика неразрушающих испытаний привела к необходимости точного количественного описания энергетического состояния контролируемых объектов, естественной мерой которого является их температура.
В распространившейся шкале Цельсия в качестве опорных точек приняты температуры замерзания, и кипения воды. Рабочими веществами в этой шкале служат спирт или ртуть.
Если начало отсчета установлено от абсолютного нуля температур, то получаем абсолютную термодинамическую шкалу, единицей которой служит градус К. Значения температур по этим шкалам соотносятся Т (К) = Т (°С) + 273,15 К.
Международная практическая температурная шкала (МПТШ) основана на шести реперных точках, соответствующих температурам равновесия фазовых переходов ряда веществ, численные значения которых определены в ряде стран по термодинамической шкале с большой точностью.
Для определения температур в промежуточных точках МПТШ служат эталонные приборы - платиновый термометр сопротивления в диапазонах (0.630°С и - 182,97.0°С) и платинородийплатиновой термопары (630.1063°С).
Однозначная связь между мощностью и спектром излучения и температурой тела существует только для АЧТ. Для реальных объектов введены понятия эквивалентных температур.
При определении температуры изделий, находящихся в непосредственной близости от высоконагретых тел, необходимо учитывать излучение фона, отраженное от объекта контроля.
При контроле реальных объектов необходимо учитывать также эффекты ослабления инфракрасного излучения в атмосфере или среде, отделяющих изделие о детектора. Спектр пропускания инфракрасных лучей атмосферой имеет два характерных "окна" прозрачности (.5 и 8…14 мкм).