Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром

в 6:10, , рубрики: MT4004, Блог компании Даджет, гаджеты, дистанционные измерения, Железо, измерение температуры, ИК-термометр не излучает, Лайфхаки для гиков, Носимая электроника, шнобелевская премия

Часть 1.

Если станет “Бо-бо” при обработке царапинки йодом, мы начинаем дуть, чтобы охладить рану и уменьшить чувствительность кожи.
Если необходимо определить направление ветра, мы слюнявим палец и по охлаждающейся стороне решаем вопрос.
Если в поезде отсутствует холодильник – заворачиваем бутылку в мокрое полотенце и выставляем её за окно охладиться.
Если даже взятый с краю тарелки суп (об этом ниже) по-прежнему горяч, мы принимаем экстренные меры охлаждения, дуя на него.

На Geektimes был продемонстрирован эксперимент по охлаждению воды при дутье.
Там датчик температуры размещен в толще жидкости. Но при данном способе, охлаждение начинается именно с поверхности. Увидеть динамику процесса поможет инфракрасный термометр. Результат показан в заявке на Шнобелевскую премию (за достижения, которые заставляют сначала засмеяться, а потом — задуматься).
В начале фильма происходит сравнительно медленное естественное охлаждение с 63,7 до 62,4 градуса.
Затем начинается обдув ртом. Как говорил Амаяк Акопян: “Нужно обязательно дунуть! Если не дунуть — чуда не произойдёт”.

Дуем: за пять секунд температура чудесным образом снизилась с 62,4 до 43,4 градуса.
Не дуем: за счет смешивания с более горячими нижними слоями, температура поднялась до 56,3 градуса за пять секунд.
Общее охлаждение составило 6,1 градуса.
Второй раз дуем — не дуем. Соответствующие показатели: 56,3 — 39,4 — 51,8 градусов.
Охлаждение еще на 4,5 градуса.
Третий обдув: 51,8 — 37,9 — 47,7 градуса.
Охлаждение на 4,1 градуса.
За 42 секунды фильма жидкость охладилась на 16 градусов.

После “бури в ложке” легко представить, как происходит охлаждение поверхности морей и океанов, а также перемещение охлажденных масс при воздействии сильных ветров.
Теперь понятно, что испарение является одной из причин нашего охлаждения и замерзания, когда дует даже теплый ветер.

Принцип работы инфракрасного термометра достаточно прост – излучение от предмета изучения поступает на чувствительный элемент термометра через оптическую систему, подобно тому, как мы концентрируем солнечный свет при попытке зажечь бумагу при помощи линзы. Всё подчиняется законам оптики.
Сам прибор является пассивным — ничего не излучает, несмотря на угрожающий “пистолетный” корпус у некоторых моделей инфракрасных термометров (про лазер-целеуказатель речь пока не идет).

Для точного измерения температур, идеальный прибор помимо значения температуры(!), должен иметь информацию о материале объекта, в том числе, состоянии его поверхности (шероховатости, окислении, и т. д.), от которых зависит выбор правильного коэффициента излучения.
Логично, что прибор не может получить абсолютно точно всю эту информацию, поэтому говорить о высокой точности измерений не приходится.

Вот результат измерения температуры колбы ламп: накаливания, компактной люминесцентной и светодиодной.

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 1

Попытка приблизиться к истинному значению температуры осуществляется при помощи введения спектрального коэффициента излучения – отношение энергетической яркости реального излучателя к яркости абсолютно черного тела при той же температуре для данной длины волны.
В описаниях приборов излучательная способность (коэффициент излучения, коэффициент эмиссии, степень черноты) обозначается буквой ε (эпсилон в греческом алфавите) и определяется для разных материалов, температур и типов поверхности.
По сути, установка правильного коэффициента и является одним из залогов точного измерения температуры.
В имеющихся таблицах данный коэффициент как правило, имеет некоторый диапазон, так как невозможно абсолютно точно определить условия измерения, состав материала и его покрытия.
Как все непросто в этом вопросе, достаточно посмотреть на значения эпсилон для алюминия, железа или стали.

В некоторых приборах имеется возможность изменения коэффициента излучения, в других такой возможности нет – в них выставлено фиксированное значение 0,95. По таблице можно понять, для каких материалов подходит данный коэффициент, и ясно, что показания температуры для других поверхностей будут искажены.
Выходом из положения для приборов с фиксированным коэффициентом может послужить таблица пересчета показаний прибора. Необходимо умножить показания прибора на коэффициент в левом столбце таблицы коэффициентов излучения материалов. Возможно, я что-то и намудрил в формуле для вычисления левого столбца, но суть в том, что имея показания измерителя при ε = 0,95 и зная коэффициент излучения материала, можно определить его температуру.

Инфракрасный термометр поможет вычислить коэффициент излучения практически любого материала по следующей методике.
Сначала любым точным термометром определяют температуру поверхности объекта: Тэталона.
Затем производят измерение температуры поверхности материала при помощи инфракрасного пирометра: Тпирометра.
Имея значение Тэталона, Тпирометра и фиксированного ε = 0,95, можно определить значение коэффициента излучения испытуемого материала.

Одним из способов повышения точности измерения, связанный с коэффициентом излучения, является метод “наклейки”. На поверхность малоизлучающего материала (полированной хромированной детали) можно нанести краску или наклеить полоску тонкого материала с известным коэффициентом излучения, например – малярную ленту. За счет теплопроводности, полоска приобретает температуру измеряемого материала и излучает с бОльшим и самое главное – известным коэффициентом излучения.
При необходимости проведения частых измерений можно использовать данный метод, наклеив метки-полоски в необходимых для снятия температур местах.

Помимо знания коэффициентов излучения поверхности, для точного определения температуры необходимо обеспечение оптимальных условий измерения.
1. Выбор центра области измерения на объекте, имеющем различную температуру поверхности.
2. Определение размера поверхности, с которой происходит измерение температуры.
3. Подбор расстояние до объекта по характеристикам оптической системы термометра и безопасности работы.
4. Обеспечение стабильности температуры корпуса прибора (у гремучей змеи в этом плане все хорошо).
5. Отсутствие посторонней засветки или её учёт в результате измерения.

Приемник излучения инфракрасного термометра работает в той части электромагнитного излучения, где функционируют инфракрасные пульты дистанционного управления бытовой техникой. Влияние излучения инфракрасного светодиода на показания инфракрасного термометра показано в короткометражке “Пульт”.

Обратите внимание, что пульт находится в прозрачной пленке, а светодиод работает в режиме большой скважности. Тем не менее, явление имеет место и его можно использовать для проверки как пульта управления, так и инфракрасного термометра.
ИК-пульт управления проверяется многими способами, но термометра среди них ещё не было.

Так как инфракрасное излучение соблюдает законы оптики, то ему присуще явление отражения от поверхности, что показано в фильме “Отражение”. Термометр установлен под углом 45 градусов к поверхности. Излучаемое рукой тепло (ИК-излучение) отражается от бумаги и поступает в термометр, увеличивая его показания.

Оба эти фильма демонстрируют то, что при измерениях температуры необходимо учитывать фактор посторонней (паразитной) засветки, к примеру – при измерениях в солнечный день.

Измерения? Сравнительные измерения!

Хотя желание узнать точную температуру важно, в абсолютном большинстве случаев её точное значение не имеет большого значения.
На практике, гораздо информативнее являются результаты сравнения температуры в разных местах данного или других объектов. В этом заключается “конек” инфракрасного термометра и его старшего брата – тепловизора. Кстати, на базе пирометра, любители электроники, при помощи механической развертки изготавливают аналог тепловизора.

Использование температурных аномалий позволяет найти множество применений термометру.

Начнем с популярной технологии “теплый пол”, владельцы которого боятся пробить водяные трубки (или повредить электрический кабель) при сверлении пола.
Чтобы узнать местоположение трубок работающего пола, можно взять тепловизор и увидеть всю картину на экране.
Но можно обойтись и меньшими затратами, использовав инфракрасный термометр. Для демонстрации технологии, в целях одновременного наблюдения за точкой измерения на полу, линейкой и индикатором прибора, в фильме использован “пистолетный” термометр, но и с обозреваемым прибором результат будет аналогичным – местоположение определяется с легкостью!

Коль упомянут другой прибор, остановимся на их сравнении.

Картинка, где роль “пули” играет термометр МТ4004.

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 2

Различные модели пирометров могут оснащаться дополнительными аппаратными средствами и возможностью настройки режимов работы.
Инфракрасный термометр с желтым корпусом имеет подсветку шкалы и лазер для указания центра области измерения температур.
Поэтому, если вдруг обнаружите лазерное пятно на лбу соседа или своем, не надо сильно пугаться. Вполне возможно, что это работает не снайпер, а всего лишь ребенок, измеряющий температуру. Хотя его обязательно надо предупредить об опасности лазерного излучения.
Неправильно считать, что термометр измеряет температуру в точке, на которую указывает пятно лазера.
Во-первых, ось лазера конструктивно, и в результате неточной юстировки смещена от оси датчика термометра. В лучшем случае может существовать только одна точка пересечения этих двух прямых, расположенная на неизвестном расстоянии от прибора. Лазер можно использовать лишь для облегчения предварительного наведения на цель с последующим поиском наиболее горячей точки по показаниям на индикаторе.
Во-вторых, температура измеряется с области, образованной кругом, диаметр которого зависит от расстояния до измерителя. Эта зависимость определяется оптической системой, называется “field of vision” (поле зрения), ”оптическое разрешение” или “показатель визирования”, и выражается в виде отношения диаметра пятна, с которого измеряется излучение, к расстоянию до него – D:S. К примеру, для желтого термометра это соотношение равно 12:1, оно указывается в виде картинки на корпусе, из которой понятно, что на расстоянии 1,5 метра, диаметр измеряемого пятна составит 13,2 см.
Если измерить температуру мухи с данного расстояния, то ничего хорошего не получится, так как кроме мухи с длиной тела 8 мм в поле измерения термометра попадет тепловое излучение с огромной (по сравнению с размером мухи) площади поверхности, окружающей данное насекомое.
Соотношение D:S у различных термометров простирается вплоть до 400:1 (наверное бывает и выше), что позволяет на удалении 28 метров измерить излучение от пятна диаметром 8 см.

Чтобы владельцы не путали расстояние с диаметром, в инфракрасном термометре MT4004 все элементарно просто: D:S=1:1. На расстоянии 1 метр определяется излучение с диаметра 1 метр, на 1 см – 1 см.
При измерениях, диаметр пятна должен как минимум – вписываться в размер объекта.

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 3

То есть, это термометр ближнего радиуса действия. На небольших расстояниях применение лазера нецелесообразно, поэтому он отсутствует в данном термометре, что положительно сказывается на размерах и электрическом потреблении.
Таким прибором легко измерить “среднюю температуру по больнице”. Для этого надо подойти к больнице на такое расстояние, чтобы она полностью поместилась в круг измерения. Но такая температура имеет минимальное количество полезной информации. Гораздо важнее локальные измерения. К примеру, электрики могут обнаружить перегретый контакт в щитовой, розетке или выключателе, быстро “пробежаться” по автоматам, чтобы определить самую нагруженную линию без вскрытия щитка и применения измерителей тока. Для теплотехников этот прибор по определению является кладезем информации.

Теперь о цветках и пчёлках с “тепловой” версией поиска.
Обращали внимание, что цветы в раскрытом виде чем-то похожи на компакт-параболики или фазированную антенную решётку? Они также ловят сигнал (солнечное тепло) и транслируют его своим почитателям – пчелкам/бабочкам в виде теплового луча.
Если измерить температуру цветка, то можно обнаружить интересный эффект, что показания прибора несколько выше, чем температура листьев. Улавливая тепловые аномалии, насекомые быстрее находят цветок (а может принимают в нём солнечные ванны?) – чем не версия?
Одним специалистом также была высказана версия, что листья холоднее из-за происходящего на них испарения жидкости.

На фотографиях показана разница температур цветка и листа для одуванчика. Другие растения приведены в фотоальбоме, ссылка на который имеется в конце статьи.
Интересно, что для увядших тюльпанов такой разницы в температурах нет. По всей видимости, изменяется структура поверхности лепестков или уменьшается испарение с листьев.

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 4

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 5

Прибор позволяет с легкостью (если не считать 10 минут ожидания, когда объект устанет от непрерывного полета) измерить температуру осы. Главное в этом деле – не бояться. Для сравнения, температура рамы и стекла составляла примерно 26 градусов.

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 6

После съёмок насекомое было отпущено на свежий воздух.

Кстати, о воздухе.
Интересным фактом является то, что инфракрасный термометр радиационного типа позволяет измерять температуру объекта через воздух, имеющий высокую температуру (даже через огонь).
Это продемонстрировано в фильме “Инфракрасный термометр и воздух 650 градусов”, где дует специальный инструмент.
При отсутствии фена, термометр показывал температуру экрана монитора 26,4 градусов. После того, как между объектом съёмки и термометром была направлена струя разогретого до 650 градусов воздуха, температура практически не изменилась (незначительное увеличение вызвано попаданием сопла в видимую прибором область).

Хотя, как было показано в предыдущем фильме, влияние воздуха на показания прибора незначительно, интересные результаты получаются именно при измерении температуры воздуха.
Очень много воздуха над нами. Вот так холодно наверху, в то время, когда температура травы под прибором составляет +21,3 градуса.

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 7

Температура “неба” зависит от времени года и суток, состояния атмосферы, наличия туч и облаков, количества водяного пара, взвешенных в воздухе пылинок и т. д.
К примеру, при затягивании неба облаками, температура переходит из отрицательной области в положительную.

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 8

Результаты измерений в первые дни июня. Диапазон изменения температуры “там” (брови наверх) значителен даже летом.

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 9

Инфракрасным термометром можно измерить температуру со стороны Солнца, определить местоположение и границы облаков, даже небольших.
Вот такое видео “Температура неба и тучи”, из которой через пару минут начался сильный дождь.
А так выглядит температура неба и облака на gif-ке.

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 10

Наверняка многие люди наблюдали, что при наличии облаков в зимнее или ночное время температура воздуха выше, чем без них. Одна из причин в том, что облака блокируют тепловое излучение от поверхности земли и отражают его обратно. Но если днем небо затянуто тучами (препятствующими Солнцу нагреть землю), а ночью тучи расходятся (увеличивая тепловое излучение в космос), и так продолжается несколько дней, то температура заметно снижается. Таким образом, данный способ измерения позволяет получить много интересной информации для прогноза погоды, оценки радиационного выхолаживания, загрязненности атмосферы, величины и типа облачности.
Инфракрасная съемка поверхности планеты, в том числе и облаков, проводится с космического спутника NOFF-16. Но не менее интересные данные могут быть получены при измерении температуры облаков и с поверхности планеты. Как раз в этом случае, “средняя температура по больнице” будет полезна.
Только не надо измерять температуру неба с включенным лазерным целеуказателем, когда там пролетает самолет, чтобы не превратиться из исследователя в хулигана.
Исследовать на нагрев летящие самолеты также не нужно, все придумано до нас.

Займемся более приземленным и массовым продуктом – автомобилем.
Из автомобиля можно на скорости производить измерение температуры неба или дорожного полотна, но гораздо интереснее исследовать сам автомобиль, в котором имеется много нагревающихся элементов. Электромобили уменьшают их количество, но то, что мы будем измерять, имеется даже у них.
Речь идет о колесах.
Колеса разогреваются в результате трения о дорожное покрытие, об ось вращения и при работе тормозной системы. При движении они вращаются и охлаждаются. В итоге возникает некое тепловое равновесие.
Но иногда, в этой сбалансированной системе что-то нарушается, происходит перегрев с последующим взрывом покрышки, разрушением узла, блокировкой или отказом тормозов. Последствия легко представить, и они могут привести к человеческим жертвам.

Если в поисковой системе произвести поиск по словам “авария из-за лопнувшего колеса” или посмотреть видео на тему “лопнувшее колесо”, то можно встретить ситуацию со счастливым концом, но иногда, все заканчивается не столь радужно.
Одной из причин взрыва шин является перегрев колес. Можно ли предупредить водителя о начале возникновения аварийной ситуации? С этой целью необходимо производить измерение температуры колес автомобиля, как это реализовано в болидах “Формулы-1”.
В идеале измеритель должен быть встроен в каждый автомобиль будущего, но для уже выпущенных машин это невозможно.
Водители старшего поколения проверяют перегрев колеса рукой при остановках, но сейчас эта привычка встречается достаточно редко. На помощь может придти инфракрасный термометр, измеряющий температуру на расстоянии.
Вот результат измерения инфракрасным термометром только что остановившегося автомобиля.

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 11

После 15-минутной поездки по городу наблюдаются различия в температурах колес. То, что передние нагрелись сильнее задних, это логично, но разница температур между передними, заставляет задуматься. Причиной может быть какая-либо неисправность, причем не только в правом, но и левом колесе. Таким образом, при помощи инфракрасного термометра можно проверять ходовую и тормозную системы автомобиля.
Преимуществом раннего обнаружения неисправности, помимо увеличения безопасности и снижения аварийности, являются экономия топлива и увеличение срока службы деталей, что не идёт ни в какое сравнение со стоимостью инфракрасного термометра.

В настоящее время, помимо измерения скорости, при движении автомобиля можно произвести его взвешивание, определить содержание паров алкоголя в салоне.
Для обнаружения разогревшихся колес при движении автомобиля, можно разработать и внедрить систему автоматического измерения температуры на расстоянии.

Устройство можно реализовать на базе тепловизора или пирометра. К примеру, установить линейку из нескольких пирометров по высоте с каждой стороны дороги, по которой проезжает автомобиль (аналог ПЗС матрицы в сканерах). Механическая развертка осуществляется в результате перемещения автомобиля.
При реализации идеи возникнут различные инженерные задачи, к примеру — исключить влияние солнечного нагрева, снега и дождя. Но в любом случае, температура колес будет интересной информацией для водителя.

Все мы были маленькими, и помним, что если каша слишком горячая, то лучше зачерпнуть её ложкой с краю тарелки.
И вот эти чувства получили экспериментальное подтверждение.

Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром - 12

Считается, что инфракрасный термометр измеряет температуру верхнего слоя материала, толщиной в несколько микрон. А если толщина будет меньше, например – графен?

Из других интересных опытов намечались:
1. Определение температуры теплых и холодных цветов на экране ЖК-монитора. По идее, температура для различных цветов должна отличаться, так как в их формировании участвует различное количество включенных светодиодов RGB-подсветки.
2. Магнитный разогрев золотого кольца до температуры его расплавления :)
В самой бесполезной в мире установке для остановки золотых колец, при вращении немагнитного кольца в магнитном поле происходит их некое взаимодействие (которое легко объясняется), показанное в фильме “Властелин кольца”.
Логично предположить, что если вместо нитки использовать стержень от пластиковой авторучки, который закреплен в быстровращающемся патроне электродрели, то произойдет разогрев кольца, который можно зафиксировать инфракрасным термометром. Но, скорее всего, при вращении кольцо работало как лопасти вентилятора, охлаждалось, и увеличение температуры заметить не удалось, поэтому кольцо осталось в целости и сохранности. Как говорится – миф разрушен… хотя можно провести другой опыт: вращать магнит, помещенный для исключения ветра в тонкую пластиковую оболочку рядом с этим же кольцом.

Где прибор чувствует себя “как рыба в воде”?

Принцип измерения температуры на расстоянии позволяет производить измерения в условиях, когда к объекту измерения невозможно или опасно подойти: мартеновские печи, высоковольтные устройства, движущиеся или вращающиеся механизмы, агрессивные среды, мощное электромагнитное поле и т. п.
Для проведении измерения температуры нет необходимости прерывать процесс, отсутствует влияние прибора на измеряемую среду.
Отсутствие инертности датчика способствует практически мгновенному получение результата, что ускоряет скорострельность прибора и позволяет наблюдать быстротекущие процессы.
Огромный объём полезной информации получается не при определении значения температуры, а при сравнительном анализе температур или динамики её изменения в различных точках как предмета измерения, так и его окружения.

Преимущества
1. Малогабаритный прибор удобен в ношении и эксплуатации.
2. Простота использования.
3. Стильный металлический корпус.
4. Возможность закрепления на кармане, исключающая случайное выпадение и потерю прибора.
5. Выбор единицы измерения температуры.

Недостатки
Любым инфракрасным радиационным термометром, в том числе и тепловизором, трудно определить точную температуру, так как необходимо владение определенными знаниями и соблюдение правильной методики измерений:
— знание точного! коэффициента излучения материала и его поверхности при данной температуре;
— необходимость коррекции коэффициента излучения (на что тратится определенное время) при смене объекта измерения для “продвинутых” моделей;
— необходимость вычисления температуры объектов с коэффициентом излучения отличным от 0,95 для термометров, в которых отсутствует возможность корректировки данного коэффициента;
— запоминание характеристик оптической системы конкретной модели инфракрасного термометра, и соответственно – правильный выбор диаметра измеряемого пятна и расстояние до объекта;
— исключение боковой засветки от окружающих объектов или учет её влияние на результат измерения;
— правильная настройка и выбор различных режимов работы.

Несоблюдение данных условий приводит к искажению результата измерения температуры.

К недостаткам конкретно этой модели термометра можно отнести:
1. Маленький размер и возможность легко его потерять.
2. Боковое расположение индикатора.
3. Возможность самопроизвольного нажатие кнопки при нахождении в тесном кармане.
Выходом из положения является крепление к карману при помощи имеющегося зажима. Тогда прибор станет карманным для людей многих специальностей.
4. Ошибка в инструкции прибора, где указано время измерения 1 секунда. В моем экземпляре измерения происходили два раза в секунду. Это может быть связано с изменением прошивки устройства.

Заключение

Несколько примеров практического использования инфракрасного термометра показано в фотоальбоме “Инфракрасный термометр”. Они показывают, что помимо автовладельцев, прибор должен стать карманным другом электрикам, механикам, теплотехникам и работникам ЖКХ для профилактики, наладки и определения различных неисправностей оборудования.
В общем, тема измерений инфракрасным термометром неисчерпаема, как атом, и продолжать можно бесконечно долго.

После съемок фильмов “Пульт” и “Отражение”, в которых принимала участие дочь, по привычке положил прибор в карман ушел придумывать другие эксперименты. Через некоторое время получил говорящее сообщение по электронной почте: “Ты мой прибор случайно унес, видимо”.
Так что, этот термометр однозначно понравился и нашел своего хозяина.
О судьбе других инфракрасных термометров можно позаботиться по ссылке.

Вопрос на внимательность. В каком месте обзора присутствует фрагмент фильма “Ирония судьбы, или с легким паром!”?

Автор: Kidar

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля