N-фактор

Реакция ИК-термометров на излучение.
ИК-термометр состоит из оптической системы, приемника теплового излучения (детектора) и электронного
тракта. Чувствительность детектора может быть различна на разной длине волны. Объекты с температурой от –30 до
2300ºС основную долю энергии излучают в диапазоне длин волн от 0,3 до 20 мкм. Длина волны, на которой объект
излучает максимальную энергию в зависимости от собственной температуры, определяется по формуле Вина:
λмакс=2898/Тк, где Тк- температура объекта в градусах Кельвина
Тк = Тс+273, где Тс- температура в градусах Цельсия.
Например, для комнатной температуры 20ºС максимум излучения лежит на длине волны
λмакс= 2898/293=9,9мкм, а для температуры 2000ºС λмакс=2898/2273=1,3мкм.
В ИК-термометрах «КМ» детектором теплового излучения является пироэлектрический приемник.
Он неселективен, т.е. его чувствительность не зависит от длины волны принимаемого теплового излучения.
Спектральные диапазоны, в которых работают ИК-термометры «КМ», определяются полосой пропускания
дополнительных селективных фильтров, устанавливаемых перед пироприемником.
Различные модели ИК-термометров «КМ» работают в разных диапазонах длин волн:
1-2,6мкм; 1-4,5мкм; 2,5-3мкм; 2,5-4,5мкм; 3,86мкм; 4,8-5,2мкм; 7-14мкм; 1-15мкм.
В ИК-термометрах «КМ-Термикс» и «КМ-ТермиксК» детекторами теплового излучения являются
германиевый и кремниевый фотодиоды соответственно, чувствительность которых зависит от длины волны.
Поэтому спектральный диапазон работы «КМ-Термикс»- 1-1,6мкм, а «КМ-ТермиксК»- 0,8-1,1мкм.
Коэффициент передачи тепловой энергии оптических элементов может также зависеть от длины волны.
В «КМ» в качестве оптической системы применяется зеркальная оптика, коэффициент отражения которой не зависит
от длины волны. В «КМ-Термикс» и «КМ-ТермиксК» применяется линзовая оптика с пропусканием
теплового излучения в диапазоне длин волн от видимого до 2,5÷3мкм.
Электрический сигнал на выходе детектора (Uдет) на определенной длине волны пропорционален величине
излучения объекта, коэффициенту пропускания оптической системы и чувствительности детектора на этой длине
волны.
Калибровочная функция термометра, т.е., то, как электрический сигнал на выходе детектора (Uдет) меняется от
температуры, есть сумма сигналов на всех длинах волн на каждой температуре.
Каждый термометр может быть охарактеризован эффективной длиной волны λэ. Эффективная длина волны
изменяется с температурой, но ее можно посчитать для калибровочной функции термометра в узком интервале
температур.
N-фактор.
На отдельной температуре или узком диапазоне (интервале) температур, калибровочная функция может быть
приближена к форме: Uдет(Т) =КТ
Пирометр, измеряющий излучение от высокотемпературного объекта в широком диапазоне длин волн, должен
калиброваться приблизительно по форме закона Стефана-Больцмана, т.е. N должно быть около 4.
Для пирометров с узким диапазоном длин волн значение N выше.
Если Uдет(Т)=КТ , пирометр может быть охарактеризован как подчиненный закону N-ой силы.
Приблизительно N можно выразить как:
N= С/λэT,
где: С-константа,
λэ - эффективная длина волны в мкм,
Т-температура объекта в градусах Кельвина.
Значение величины N ИК-термометра таково, что позволяет легко оценить эффект влияния коэффициента
излучения (излучательной способности) объекта на чувствительность термометра, когда температура объекта стойкая константа.
Если объект нагрет до температуры Т и имеет коэффициент излучения ε, то уровень сигнала равен:
U(Т)=εКТ
где К – константа, зависящая от конструкции термометра.
Uдет термометра прямо пропорционально коэффициенту излучения.
Если коэффициент излучения изменяется на 10%, но температура остается неизменной, Uдет изменится на 10%.
Однако электрический сигнал на выходе детектора преобразуется в показания температуры. Как отображаемая
температура зависит от изменения коэффициента излучения?
Изменение уровня сигнала Uдет связано с изменением абсолютной температуры следующим образом:
ΔТ/Т=(1/N)×(ΔU/U)
Следовательно, если уровень сигнала на выходе детектора Uдет изменится на 10%, указанная абсолютная температура изменится на 10%/N. Т.к. Uдет пропорционально ε, то чем выше значение N, тем меньше зависимость
считываемой температуры от изменения коэффициента излучения объекта.
Помня, что N = C/λэТ, можно сделать вывод о том, что при прочих равных условиях, термометр с самой
короткой эквивалентной длиной волны позволяет получить самое высокое значение N и наименьшую
зависимость от изменения коэффициента излучения объекта.
Преимущество большого значения N простирается на эффекты любой переменной, которая изменяет уровень
сигнала Uдет.
Таким образом, загрязненная оптическая система или поглощение теплового излучения частицами,
газами или испарениями оказывают меньшее действие, если N имеет более высокое значение.