[열화상 카메라] 방사율이란

방사율

흑체는 이상적이지만 실제 물체는 주어진 온도에서 최대 열복사를 방출할 수 없습니다. 그러나 어떤 물체로부터의 실제 열복사 방출은 방사율 ε을 곱하여 쉽게 계산할 수 있습니다.

 

즉, 물체의 방사율은 표면에서 실제로 방출되는 복사량과 동일한 온도에서 흑체에서 방출되는 복사량의 비율입니다.

 

방사율에 따른 물체 분류

방사율의 크기는 0 ≤ ε ≤ 1 사이의 값입니다. 다음 그림은 주어진 온도에서 스펙트럼 반구형 방사율과 해당하는 열복사 방출 스펙트럼을 보여줍니다.

 

방사율과 키르히호프의 법칙

방사율은 키르히호프의 법칙에서 추측할 수 있습니다. 이 법칙은 어떤 물체에 의해 흡수된 방사선의 양이 이 물체에서 방출되는 방사선의 양과 같다는 것을 나타냅니다.

 

ε = α

 

여기서 ε 및 소위 흡수율 α는 방출되거나 흡수되는 방사선의 비율을 나타냅니다.

 

에너지 보존을 위해서는 물체에 입사하는 모든 복사선(Φ0)이 반사(ΦR)(반사 법칙에 따라 지향되거나 거친 표면에서 확산 산란됨), 물체를 통해 투과(ΦT) 또는 흡수(ΦA)되어야 합니다.

 

Φ0 = ΦR + ΦT + ΦA

 

방사율 값에 영향을 미치는 매개변수

1.     재료

대부분의 비금속 재료는 피부, 종이, 페인트, 돌, 유리 등과 같은 경우 방사율이 0.8이상의 값을 갖습니다.

대조적으로, 금속, 특히 광택이 나는 금속은 0.2 미만의 매우 낮은 방사율로 인해 측정의 어려움이 있습니다.

 

2.     불규칙한 표면 구조

주어진 재료에 대해 방사율은 표면 구조에 따라 상당히 다를 수 있습니다.

 

일부 연마된 금속은 0.02만큼 낮은 ε 값에 도달할 수 있지만 표면이 거칠어지면 방사율이 훨씬 더 커질 수 있으며 심지어 0.8 이상의 값에 도달할 수도 있습니다. 원래 금속 부품에 대한 가장 높은 값은 시간이 지남에 따라 산화/부식을 통해 표면이 변형된 곳에서 발견됩니다. 예를 들어, 요소, 공기의 산소, 비의 물 등에 노출된 상태에서 수년 동안 작동되는 전기 연결의 금속 볼트를 상상해 보십시오. 표면의 이러한 화학적 변형으로 인해 강하게 산화된 Cu의 경우 0.78, 일부 강 화합물의 경우 0.90만큼 높은 값이 보고되었습니다.

 

3.     시야각

방사율은 동일한 온도에서 흑체에서 방출되는 복사량에 대한 표면에서 실제로 방출되는 복사량의 비율로 정의됩니다.

복사 방향은 방출 방향에 따라 변화를 보입니다.

 

실제 표면은 동일한 온도(왼쪽: 빨간색 실선)에서 흑체보다 적은 복사를 방출한다는 사실 외에도 실제 회색 물체의 복사는 일반적으로 방출 각도에 따라 달라집니다.

 

다음 그림에서 실제 광도(오른쪽: 파란색 실선)와 회색 물체의 Lambertian 동작(오른쪽: 빨간색 파선) 사이의 편차로 나타납니다. 이 동작은 IR 카메라를 사용하는 비접촉 온도 측정에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 물체의 표면에 수직인 방향(δ = 0º)에서 관찰되는 물체는 비스듬한 각도에서 관찰할 때보다 더 많은 복사를 방출하기 때문입니다. 이것은 방사율이 표면 법선에 대한 관찰 각도에 의존한다는 것을 의미합니다.

 

 

다음 그림은 물체의 방향에 따른 방사율의 변화를 보여주고 있습니다.

 

 

실제 작업을 위한 방사율 측정/추측 기술

가장 쉬운 방법은 복사율이 알려진 테이프나 페인트를 연구 대상에 부착하는 것입니다. 분석에서 테이프 또는 페인트의 표면 온도는 알려진 ε을 따릅니다. 양호한 열 접촉을 가정하고 열 평형이 확립될 때까지 기다리면 물체의 인접 표면 온도가 동일한 것으로 가정됩니다. 따라서 물체 방사율은 물체 온도가 알려진 테이프 표면 온도와 같아질 때까지 카메라 소프트웨어에서 ε을 변경하여 찾습니다.

 

열전대로 여러 지점 표면 온도를 직접 측정하고 IR 이미지를 보정하는 데 사용할 수도 있습니다. 이 경우 좋은 열 접촉이 이루어지고 열 평형이 설정되고 열전대 자체가 열 전도를 통해 물체 온도를 변경하지 않는지 확인해야 합니다. 유용한 조건은 열전대의 열용량이 물체의 열용량보다 훨씬 작아야 한다는 것입니다.