Коэффициент эмиссии: значения для разных материалов

Пирометр или тепловизор не измеряет температуру напрямую – он улавливает инфракрасное излучение поверхности и пересчитывает его в градусы. Но разные материалы при одинаковой температуре излучают по-разному, и именно эту разницу учитывает коэффициент эмиссии. Если он выставлен неправильно, прибор покажет температуру, которая не будет иметь ничего общего с реальностью.

Что такое коэффициент эмиссии

Коэффициент эмиссии (излучательная способность, ε) показывает, насколько эффективно поверхность излучает тепловую энергию по сравнению с идеальным излучателем – так называемым абсолютно чёрным телом. Значения лежат в пределах от 0 до 1:

• ε=1 – идеальный излучатель (в природе не существует);
• ε≈0,95 – типичное значение для большинства неметаллов (краски, керамики, бетона, дерева, ткани, пластика);
• ε<0,3 – блестящие металлы, которые почти не излучают собственного тепла, зато хорошо отражают чужое.

Простое правило: матовое и шероховатое тело имеет высокую эмиссию, блестящее и зеркальное – низкую. То, что отражается как в зеркале в видимом свете, так же ведёт себя и в инфракрасном диапазоне.

Почему это важно

Ошибка в настройке эмиссии приводит не к мелкой неточности, а к принципиально ложному результату. Вот что покажет прибор в реальных ситуациях (расчёт для температуры окружающей среды +20°C):

Самый опасный случай – вторая строка. Раскалённая до 200°C алюминиевая деталь будет выглядеть едва тёплой. В то же время последняя строка показывает обратную ситуацию – прибор «увидит» перегрев там, где его нет.

Утешительная новость: небольшая погрешность в настройке почти не вредит. Если для кирпичной стены (ε=0,95) выставить коэффициент 0,90, то ошибка составит лишь около 1°C при температуре 50°C. Поэтому для бытовых поверхностей достаточно ориентироваться на типичное значение коэффициента 0,95.

Значения коэффициента эмиссии для неметаллов

Это самая распространённая группа – и самая удобная для измерения, поскольку почти все значения близки к 0,95 (значения коэффициента для длины волны 8-14 мкм).

Строительные материалы:

• Бетон – 0,95
• Кирпич, глина – 0,95
• Керамика, керамическая плитка – 0,95
• Штукатурка, гипс – 0,80-0,95
• Асфальт – 0,95
• Известняк – 0,98
• Гравий – 0,95
• Песок – 0,90
• Базальт – 0,70

Дерево и бумага:

• Древесина (натуральная) – 0,90–0,95
• Бумага (любого цвета) – 0,95

Другие материалы:

• Краска (кроме алюминиевой) – 0,90-0,95
• Пластик (непрозрачный) – 0,95
• Резина – 0,95
• Ткань – 0,95
• Стекло (листовое) – 0,85
• Углерод, сажа – 0,80-0,90
• Графит – 0,70-0,80

Природные поверхности:

• Вода – 0,93-0,96
• Лёд – 0,98
• Снег – 0,90
• Грунт – 0,90-0,98
• Кожа человека – 0,98

Обратите внимание на воду. Несмотря на блестящую поверхность, её эмиссия очень высокая – около 0,95. Это распространённая ошибка, когда воде приписывают низкое значение из-за её «зеркальности» в видимом свете.

Значения коэффициента эмиссии для металлов

Здесь ситуация сложнее, и главное, что нужно знать: эмиссия металла зависит не от самого металла, а от состояния его поверхности. Один и тот же алюминий может иметь ε от 0,05 до 0,4 в зависимости от того, полированный он, шероховатый или окисленный (значения коэффициента для длины волны 8-14 мкм).

Сталь и железо:

• Сталь окисленная – 0,70-0,90
• Сталь холоднокатаная – 0,70-0,90
• Сталь шлифованная – 0,40-0,60
• Сталь полированная – 0,10 (!)
• Нержавеющая сталь – 0,10-0,80 (!)
• Железо окисленное – 0,50-0,90
• Железо ржавое – 0,50-0,70
• Чугун окисленный – 0,60-0,95
• Чугун неокисленный – 0,20 (!)

Цветные металлы:

• Алюминий окисленный – 0,20-0,40 (!)
• Алюминий шероховатый – 0,10-0,30 (!)
• Алюминий полированный – измерение не рекомендуется
• Медь окисленная – 0,40-0,80
• Медь полированная – измерение не рекомендуется
• Латунь окисленная – 0,50
• Латунь матированная – 0,30 (!)
• Свинец шероховатый – 0,40
• Цинк окисленный – 0,10 (!)
• Никель окисленный – 0,20-0,50
• Титан окисленный – 0,50-0,60

Электротехника:

• Медные клеммные колодки – 0,60

Отметкой (!) выделены значения, для которых измерение технически возможно, но ненадёжно. Чем ниже эмиссия, тем большую долю показаний составляет отражённое от окружающей среды излучение, и тем сильнее прибор «усиливает» любую погрешность.

Для полированных металлов – алюминия, меди, серебра – производители прямо не рекомендуют бесконтактное измерение. Эти поверхности работают как инфракрасные зеркала: пирометр покажет температуру того, что в них отражается, а не самой детали. Здесь скорее нужен контактный метод – термопара.

Как измерить температуру блестящей поверхности

Если всё же нужно знать температуру полированного металла, применяют один из трёх приёмов.

Матовая наклейка или изолента. На поверхность металла наклеивают кусок матовой чёрной изоленты, ждут одну-две минуты, пока он прогреется до температуры детали, и измеряют по нему, выставив ε=0,95. Это самый простой и распространённый способ.

Матовая краска или сажа. Участок закрашивают матовой чёрной краской – принцип тот же, но способ пригоден там, где наклейка не держится (например, на горячих поверхностях).

Подбор по термопаре. Если ваш пирометр укомплектован термопарой – измерьте температуру контактно, а затем, не меняя точки измерения, подбирайте коэффициент эмиссии на приборе, пока бесконтактный показатель не совпадёт с контактным. Найденное значение и будет правильным для этого материала. Именно поэтому пирометры с термопарой удобны для работы с неизвестными поверхностями.

Практические советы

Не полагайтесь только на таблицу. Приведённые значения – это ориентир. Реальная эмиссия зависит от шероховатости, степени окисления, загрязнения, влажности и даже толщины материала. Влажный бетон и сухой бетон дадут разные значения (расхождение может превышать 10%).

Следите за отражённым излучением. Если рядом работает печь, прожектор или есть прямое солнце, их тепло отражается от объекта и попадает в объектив. По возможности заслоните объект от посторонних источников тепла или измеряйте под другим углом.

Для большинства бытовых задач достаточно 0,95. Стены, пол, радиаторы, окна, мебель, продукты, кожа – всё это имеет эмиссию в пределах 0,90-0,98.

Окисление повышает эмиссию. Старая, ржавая или закопчённая металлическая поверхность измеряется значительно надёжнее, чем свежеполированная. Это не недостаток, а преимущество для практики: большинство реальных промышленных поверхностей уже окислены.

ПИРОМЕТРЫ

ТЕПЛОВИЗОРЫ