Дослідження відбивної здатності поверхонь у діапазоні інфрачервоного випромінювання

Блок 1. Резюме

Проект присвячено вивченню явища відбивання інфрачервоного випромінювання різноманітними поверхнями за допомогою тепловізора.

Мета роботи: визначити коефіцієнти відбиття для різноманітних поверхонь та дослідити їхню залежність від інтенсивності падаючого випромінювання.

Завдання роботи:

1. Вивчити принципи роботи інженерного тепловізора.
2. Використовуючи випромінювач інфрачервоних хвиль, отримати термограми різноманітних поверхонь.
3. За допомогою програмного забезпечення визначити температуру випромінювача, еквівалент температури відбиваючої поверхні та розрахувати коефіцієнт відбиття.
4. Побудувати графічну залежність еквівалента температури відбиваючої поверхні від температури випромінювача.

Блок 2. Попередня інформація

Інфрачервона термографія — це процес отримання термограми. Термограма – це зображення, яке в кольорах відтворює розподіл температур по поверхні тіл, що досліджуються в інфрачервоних променях. Термографію здійснюють із використанням тепловізійного обладнання (тепловізора).

Тепловізори використовують два діапазони інфрачервоного випромінювання: далекий (8-14 мкм) і середній (3-5,5 мкм). Тепловізори здатні розрізняти різницю в температурі поверхонь, яка складає 0,1К. На основі виміряної інтенсивності інфрачервоного випромінювання, що надходить від різних точок поверхонь, тепловізор будує візуальну картину в штучних кольорах, кожен з яких відповідає певному значенню температури.

Дослідження  свідчать, що в плані прозорості та відбивної здатності поведінка різних поверхонь речовин в інфрачервоному діапазоні суттєво відрізняється від їхньої поведінки в традиційному оптичному діапазоні. Речовини, які характеризуються гарною прозорістю в інфрачервоному діапазоні і непрозорі в оптичному діапазоні, використовують, щоб створювати елементи оптики для тепловізійних приладів. Для характеристики різноманітних тіл або поверхонь в інфрачервоному діапазоні використовують умовні параметри: коефіцієнт випромінювання, коефіцієнт відбиття та коефіцієнт пропускання. Тепловізор фіксує і випромінене, і відбите, і пропущене крізь тіло випромінювання.

Коефіцієнт випромінювання (ε) характеризує ступінь здатності матеріалу випромінювати інфрачервоне випромінювання. Максимальна випромінювальна здатність оцінюється у 100% і приймається як одиниця. Тіл із максимальною випромінювальною здатністю в природі не існує, але решта предметів може бути порівняна за цією якістю. Багато поверхонь, зокрема поверхні органічних сполук, бетону, живих істот мають високу випромінювальну здатність  (ε ≈ 0,8-0,95). Металеві поверхні, особливо з дзеркальною поверхнею, мають низьку випромінювальну здатність. Тепловізор має налаштування, в якому можна задати орієнтовний коефіцієнт випромінювання поверхні матеріалу; це дає змогу підвищити точність вимірювання температури.

Коефіцієнт відбиття (ρ) характеризує ступінь здатності матеріалу відбивати інфрачервоне випромінювання. Гладкі, дзеркальні поверхні зазвичай мають високий коефіцієнт відбиття.

Коефіцієнт пропускання (τ) характеризує ступінь здатності матеріалу пропускати інфрачервоне випромінювання. Він зазвичай залежить від типу й товщини шару речовини. У більшості випадків, пов’язаних із процесом вимірювання, цей коефіцієнт незначний і ним нехтують. Сума всіх коефіцієнтів завжди дорівнює 1.  Спрощена формула має вигляд:

(1).

У роботі пропонується отримати термограми для тіл із різною температурою, випромінювальною та відбивною здатністю.  Як  тіло з великою випромінювальною здатністю використовують заповнений гарячою водою калориметричний стакан, поверхня якого вкрита чорною матовою фарбою. Як досліджувані поверхні використовуються пластини, виготовлені з різних матеріалів. Пластини встановлюють вертикально недалеко від розігрітого стакана.

Реальна температура поверхонь пластин на початку дослідження дорівнює температурі навколишнього середовища. Для визначення коефіцієнта відбиття встановлюють еквівалентну температуру за рівнем відбитого інфрачервоного випромінювання, яка реєструється тепловізором. При обробці даних коефіцієнт випромінювання стакана приймається близьким до абсолютного – 0,95. Еквівалентна температура відбиваючої поверхні визначається з урахуванням цього коефіцієнта. За відношенням виміряних тепловізором значень температури випромінювача T₁ та відбиваючої поверхні T₂ розраховується коефіцієнт відбиття:

 (2).

Друга частина роботи полягає в отриманні термограм та їх опрацюванні для однієї і тієї самої відбиваючої поверхні при зміні температури випромінювача (остиганні води в калориметричному стакані). За даними, отриманими під час опрацювання термограм, пропонується побудувати залежність еквівалентної температури T₂ від температури випромінювача T₁.

Блок 3. Обладнання

ПК, тепловізор, калориметричний стакан із чорною поверхнею, пластини з різних матеріалів, гаряча вода, штатив.

Програмне забезпечення: SmartView (https://s3-us-west-2.amazonaws.com/dam-assets.fluke.com/s3fs-public/flukeig/assets/SmartView+desktop+software/Setup.exe)