1. 방사율(Emissivity)이란?
열화상 카메라로 절대 온도를 측정하려면 "방사율"에 대한 실질적인 이해가 있어야 합니다.
방사율은 재료가 열을 얼마나 잘 방출하는지를 측정한 것입니다. 동일한 온도에서 완벽한 라디에이터(흑체)가 방출하는 열에 대한 재료가 방출하는 열의 비율입니다. 0(완벽한 리플렉터의 경우)과 1(완벽한 이미터의 경우) 사이의 무차원 숫자입니다.
열화상 카메라로 캡처한 온도 측정값은 객관적으로 이해하기 쉬워 보일 수 있습니다. 실제로 온도 측정은 전송 에너지, 반사 에너지, 방출 또는 복사 에너지의 세 가지 구성 요소로 구성됩니다.
전달된 에너지는 물체를 통과하는 에너지 구성 요소입니다. 에너지 전송의 일반적인 예는 유리창을 통해 들어오는 햇빛입니다.
반사된 에너지는 대상에서 카메라로 튕겨 나오는 에너지입니다. 광택이 나는 거울이 당신의 모습을 비출 수 있는 것과 거의 같은 방식으로, 열 에너지도 반사될 수 있습니다. 반사 정도는 재료와 표면에 따라 다릅니다.
방출된(또는 방사된) 에너지는 대상에 내재된 에너지입니다. 이러한 유형의 에너지는 물체에 의해 생성되거나 물체와 주변 환경 간의 온도 차이의 결과로 생성됩니다. 열 에너지는 전도, 대류 또는 복사에 의해 더 높은 온도의 물체에서 더 낮은 온도의 물체로 흐릅니다.
유용한 예는 전구의 빛이나 전기 히터의 열 에너지에서 찾을 수 있습니다. 이러한 에너지원은 주변 환경으로 열열을 방출하거나 방출하여 온도 불균형을 균등하게 하는 역할을 합니다.
대부분의 경우 물체의 온도를 측정할 때 우리는 주로 방출되는 복사 에너지에 관심이 있습니다. 전송 및 반사된 에너지는 시스템에 바이어스 또는 측정 오류를 추가하고 측정 정확도를 저하시킵니다. 따라서 방사율, 투과 및 반사 간의 관계를 표현할 수 있는 실용적인 방법을 갖는 것이 유용합니다.
2. 방사율 공식(Emissivity Formula)
방사율 공식은 에너지 성분의 상대 강도를 계산하는 수단을 제공합니다.
공식은 다음과 같이 표현됩니다.
1 = 투과 + 반사 + 방출
이 공식은 모든 에너지원(전송, 반사 및 방출)의 합이 1의 결합 값을 갖는다는 아이디어를 기반으로 합니다. 각 구성 요소는 총계에 해당하는 분수 또는 백분율을 기여합니다. 모든 구성 요소의 합이 1이라고 가정했기 때문에 방출되는 총 에너지를 계산할 수 있습니다. 1에서 분수 투과 및 반사 구성 요소를 빼면 됩니다.
따라서 원래 공식을 재배열하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
1 – (투과 + 반사) = 방출
정확한 온도 측정이 중요한 경우 반사 및 전달 에너지를 최소화해야 합니다. 이는 방출된 에너지와 다른 에너지 구성 요소 간의 신호 대 바이어스 비율을 최적화하는 데 필요합니다.
3. 전송 고려 사항
일반적으로 대부분의 재료는 열 에너지나 열 복사를 특별히 잘 전달하지 않습니다. 이러한 이유로 열화상 카메라용 렌즈는 특이하고 종종 희귀한 재료로 구성되어야 합니다. 게르마늄 (Ge), 사파이어 또는 셀렌 아연 (ZnSe)과 같은 재료입니다.
IR 렌즈 재료를 선택할 때는 전송해야 하는 IR 스펙트럼 부분에 따라 올바른 재료를 선택하는 데 주의를 기울여야 합니다. 일반적으로 반사 에너지는 전송 에너지보다 더 우려되는 경향이 있습니다. 일부 플라스틱, 특히 얇은 플라스틱 필름은 IR 스펙트럼에서 에너지를 전달할 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 반사는 대부분의 상황에서 측정 정확도에 더 많은 영향을 미치지만, 응용 분야에 따라 투과를 고려해야 할 수 있습니다.
4. 리플렉션 고려 사항
(적외선) 불투명 물체를 측정하는 경우 투과율은 0이 되고 방사율 공식은 다음과 같습니다.
1 – 반사 = 방출
이렇게 하면 방정식이 단순화되지만 처음 상상했던 것만큼 복잡성이 줄어들지 않을 수 있습니다. 투과율이 일반적이지는 않지만 많은 재료가 열 에너지를 반사합니다. 이로 인해 두 가지 잠재적인 문제가 발생하는데, 첫 번째는 반사율이 높은 측정 대상에서 신뢰할 수 있는 측정을 얻는 것과 관련이 있습니다. 두 번째는 관심 물체 근처에 있는 다른 열원의 영향입니다.
광택이 나는 금속과 같은 반짝이는 반사 표면은 가장 까다롭습니다. 광택 알루미늄의 경우 투과율은 0입니다. 열 에너지는 금속을 직접 통과하거나 전달하지 않습니다. 그러나 반사율은 0.9로 높습니다.
모든 에너지의 합이 1이고 반사율이 0.9 또는 90%이면 방사율이 매우 낮습니다. 방사율은 신호의 약 0.1 또는 10%일 수 있습니다. 반면에 동일한 알루미늄 표면의 표면이 흐릿하고 어두우면 반사가 크게 줄어듭니다. 반사율이 낮고 재료를 통한 투과가 없으면 측정된 열 에너지의 더 큰 비율이 에너지로 방출됩니다.
실질적으로 광택 알루미늄의 방사율은 0.1입니다. 그러나 알루미늄을 아노다이징하면 표면의 방사율을 최대 0.65 이상까지 높일 수 있습니다. 이것은 양극 산화 처리된 알루미늄의 금속 표면 마감과 거칠기에 따라 다릅니다.
방사율이 0.65보다 훨씬 작은 측정 물체는 일반적으로 더 이상 매우 좋거나 정확한 결과를 얻지 못합니다. 그러나 응용 분야, 부품 형상, 환경 및 특정 요구 사항에 따라 다릅니다.
5. 방사율 표
일반적인 물질의 방사율은 그 구성과 표면 특성에 따라 다릅니다. 표준화된 방사율 테이블은 많은 일반적인 물체와 표면을 나열하여 작성되었습니다. 특정 대상 물체의 방사율을 결정해야 하는 경우 방사율 표가 유용한 참조를 제공할 수 있습니다.
방사율 표는 온라인의 여러 소스에서 사용할 수 있습니다.
6. 측정 정확도에 영향을 미치는 다른 요인
대기의 주변 온도(본질적으로 반사된 표유 방사선)도 측정에 약간의 영향을 미칩니다. 측정 정확도를 최적화하려면 열화상 카메라에서 주변 온도 구성을 설정하는 것이 좋습니다.
물체 온도가 주변 공기 온도에 가까우면 환경 복사가 정확도에 더 많은 영향을 미칩니다. 이는 대상의 방사율 값이 더 낮기 때문입니다. 대상의 방사선을 기반으로 하는 방사율 구성 요소는 측정된 값의 더 작은 부분을 차지합니다. 대기와 반사는 값이 더 낮지만 아래 그림과 같이 방사율 "파이"의 더 큰 부분을 차지합니다.
시야각은 온도 측정에도 영향을 미칠 수 있습니다. 카메라를 비스듬히 장착하면 방출되는 에너지의 백분율이 손실됩니다. 손실 금액은 각도에 따라 다릅니다. 가장 정확한 온도 측정은 카메라 센서의 평면이 표면과 평행할 때 수집됩니다.
각도가 증가할수록 카메라 센서가 감지하는 방출 에너지가 줄어듭니다. 또한 환경 방사선이 측정 결과에 더 많은 영향을 미칩니다.
7. 대상에 근접한 뜨거운 물체가 측정에 미치는 영향
반사율의 영향은 대상 근처에 뜨거운 물체가 있는 경우 더 복잡해집니다. 반짝이는 물체의 표면에서 반사되는 뜨거운 물체는 훨씬 더 작은 방사율 출력을 압도할 수 있습니다.
매끄러운 표면에서 반사되는 밝은 햇빛은 거의 항상 측정 값에 영향을 미칩니다. 앞서 언급했듯이 총 온도에는 반사된 에너지가 포함되므로 뜨거운 물체의 반사는 노이즈를 추가하고 결과를 저하시킵니다. 대상에 대한 카메라의 위치를 결정할 때 항상 이 점을 염두에 두는 것이 중요합니다.
대상의 물리적 특성에 따라 뜨거운 물체는 예기치 않은 전송 문제를 일으킬 수도 있습니다. 열화상 카메라가 대상 물질을 통해 볼 수 있는 경우 그 뒤에 있는 뜨거운 물체로 인해 측정이 갑자기 왜곡될 수 있습니다.
특히 일부 플라스틱의 표면을 측정하려는 경우 이 점을 알고 있어야 합니다. 대상을 통해 상당한 양의 에너지를 전달하고 있지 않은지 확인하십시오. 목표의 온도가 아니라 목표의 뒤에서 온도를 포착하고 있음을 알 수 있습니다.
렌즈의 투과 특성과 같은 다른 고려 사항도 있습니다. 대기 효과는 카메라와 물체 사이의 거리 등을 기반으로 합니다.
방사율은 온도 정확도와 응용 분야에 대한 열화상 장비의 적합성을 평가할 때 고려해야 할 많은 고려 사항 중 하나일 뿐입니다.
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