اندازه گیری دما به روش امواج مادون قرمز (IR)

تاریخچه:

• تا آغاز قرن 17، رنگ بعنوان مخلوطی از نور و تاریکی تصور می‌شد.

در اواخر دهه ۱۶۴۰ میلادی نیوتن درباره شکست نور تحقیق می‌کرد. او در سال 1674 میلادی دریافت که نور سفید اگر از یک منشور عبور کند به طیفی از رنگ‌ها تجزیه می‌شود.

در آغاز قرن 19، ستاره شناس آلمانی-انگلیسی فردریک ویلیام هرشل از آزمایش نیوتن یک گام جلوتر رفت. او دماسنج را زیر قسمت قرمز رنگ منشور که تاریک بود گذاشت و دید که دمای دماسنج به سرعت بالا می‌رود. او اینچنین نتیجه گرفت که نوعی اشعه در این بخش وجود دارد که دیده نمی‌شود و نوعی اشعه گرمایی است. که در نهایت منجر به کشف اشعه مادون قرمز گردید.در سال 1859 میلادی روبرت کرشهوف ثابت کرد که جذب و نشر انرژی تابشی توسط یک جسم در حال تعادل است، بنابراین هر جسمی به همان اندازه که انرژی تابشی را جذب کند، به همان اندازه منتشر می‌کند. وی در سال 1860 برای نخستین بار «جسم سیاه» را بعنوان جسمی که تمام انرژی تابشی که به آن می‌رسد را جذب و تمامی آن را ساطع می‌کند، معرفی کرد.

در سال 1865 میلادی جیمز ماکسول نظریه جدیدی را ارائه نمود که فرضیه نیوتون را رد می‌کرد. وی وجود امواج الکترومغناطیسی را پیش‌بینی می‌کرد. که این نظریه بعدها در سال 1884 میلادی توسط هاینریش رودلف هرتز به اثبات رسید.

موفقیتی که منجر به درک امروزی از تابش الکترومغناطیسی شده است توسط فیزیکدان آلمانی، ماکس پلانک در سال 1900 به دست آمد.

قانون تابش پلانک بیان می‌دارد که: بين تابش الکترومغناطیسی یک جسم و دما، طول موج، و فرکانس رابطه ای وجود دارد.

این قانون همچنان بعنوان پایه فیزیکی برای ترموگرافی عمل می‌کند.

تعاریف و مفاهیم:

امواج الکترومغناطیسی – ضریب تابش – ضریب بازتابش – ضریب انتقال (عبور)

امواج مادون قرمز نوعی از امواج الکترومغناطیس هستند که طول موج آن‌ها بلندتر از دامنه نور مرئی و کوتاه‌تر از دامنه امواج رادیویی و ریزموج باشند.

تمامي اجسام كه دمايي بالاتر از صفر مطلق (273.15- درجه‌ي سلسيوس) دارند امواج الكترومغناطيس اين محدوده را تابش مي‌كنند.

مقدار انرژی تابشی فوق تابع دما است. يعنی اگر بتوانيم مقدار انرژی تابشی مزبور را اندازه‌گيری کنيم با کمک آن دمای جسم تعيين خواهد شد.

در 3 محدوده، جذب تابش امواج الکترومغناطیسی توسط بخار آب و دی اکسید کربن منحصراً کم است که اندازه گیری غیرتماسی در آن امکان پذیر می‌باشد:
1) محدوده  2.0 میکرون - 2.5 میکرون 2) محدوده  3.4 میکرون - 4.1 میکرون 3) محدوده  8.0 میکرون - 14 میکرون

همواره (8 - 14میکرون) در اندازه گیری های روزانه مادون قرمز مورد توجه است.

هر جسمي با توجه به خصوصيات و جنس خود برای ساطع کردن انرژی تابشی سه مشخصه‌ي خاص دارد.

ضريب‌ تابش                                

ضريب‌ بازتابش

ضريب ‌عبور(انتقال)‌

ضریب بازتابش (Reflectance)

توانایی یک ماده برای بازتاب اشعه مادون قرمز است.ضریب بازتابش به دو عامل کیفیت سطح و نوع مواد بستگی دارد.
ضریب انتقال یا عبور (Transmittance)

توانایی یک ماده برای انتقال اشعه مادون قرمز است.ضریب انتقال به دو عامل ضخامت و نوع مواد بستگی دارد.

ضریب تابش (Emissivity)

این یک خاصیت از ماده می‌باشد که بیان کننده نسبت انرژی ساطع شده توسط ماده مورد نظر به انرژی ساطع شده توسط یک جسم سیاه در همان درجه حرارت است. یک جسم سیاه رنگ ایده‌آل دارای ضریب انتشارε = 1 است. هر جسم دیگر بجز جسم سیاه مطلق دارای ضریب انتشار کمتر از یک خواهد بود.

بطور مثال اگر ضریب تابش جسمی 0.5 باشد بدین معناست که تنها 50% انرژی تابش مربوط به خود جسم است و 50% دیگر مجموع انرژی بازتاب شده و عبور کرده است.

جدول مقابل ضریب تابشی برخی از فلزات معمولی و غیر فلزات را نشان می‌دهد که از آن بعنوان یک راهنما برای تنظیم ضریب نشر هنگام اندازه‌گیری درجه حرارت استفاده می‌شود.

نکات کلیدی:

خصوصیات سطح جسم و خطاهای اندازه گیری

خصوصيات سطح جسمي كه مي‌خواهيم دماي آن را اندازه‌گيري كنيم تأثير شديدي بر اندازه‌گيري دما دارد. به ياد بياوريد كه تجهیزات اندازه‌گیری IR تنها امواج منتشر شده از يك‌هزارم اينچ سطح قابل رويت اجسام را نشان مي‌دهد و اين دقيقاً همان سطح جسم است، بنابراین...

1. وجود گرد و غبار، دوده و هر لايه‌ي اضافي مي‌تواند ضريب‌تابش سطح را تغيير دهد. براي همين ترموگرافي اين نوع از سطوح غير اصولي است.

در اين حالت شما به جاي دماي خود جسم، دماي لايه دوده يا غبار روي جسم را اندازه‌گيري مي‌كنيد.

*تمیزی لنز دستگاه اندازه گیری از گرد و غبار، دوده و بخار آب نیز بسیار حائز اهمیت است.

2. آب، برف و لايه يخ داراي ضريب‌تابش بالايي هستند و ضريب عبور(انتقال) بسيار ناچيزي دارند.

از سوي ديگر رطوبت يا تبخير موجب خنك شدن سطح مورد اندازه‌گيري مي‌شود.

بنابراين اندازه‌گيري تجهيزاتي كه با اين مواد پوشيده شده‌اند كار غير اصولي است!

3. سطوح صاف و براق و صيقل داده شده داراي ضريب‌تابش پايين‌تري نسبت به سطوح خشن و زبر هستند، همين مسأله ميتواند خطاي قابل توجهي در اندازه‌گيري دما به وجود آورد.

برای حل این این مشکل میتوان ضریب تابش رو بصورت دستی در دستگاه اندازه‌گیری تنظیم کنیم.

اگر ضریب تابش را نمی‌دانستیم چه کار کنیم؟

برای اینکار می‌توانیم از یک پراب تماسی استفاده کنیم!

بدین صورت که دمای جسم را با پراب اندازه می‌گیریم. سپس با تنظیم ضریب تابش دستگاه غیرتماسی دمای آن را با دمای نمایش داده شده پراب یکسان می‌کنیم و بدین ترتیب ضریب تابش را بدست می‌آوریم.

اگر امکان اتصال پراب وجود نداشت چه کنیم؟

اگر در این موارد اندازه‌گیری با تجهیزات تماسی امکان پذیر نباشد، با استفاده از پوشش‌هایی مثل نوار انـتشار، اجسام را برای اندازه‌گیری غیرتماسی آماده می‌کنیم.

4. رنگ سطح تأثير چنداني بر تابش مادون قرمز از نوع موج بلند ندارد زیرا ميزان تابش امواج مادون قرمز در موج بلند به دما وابسته بوده و از نوع رنگ سطح سوژه مستقل است.

**در رابطه با امواج مادون قرمز موج كوتاه قدري تفاوت دارد. سطوح تيره ميزان تابش مادون قرمز موج كوتاه بيشتري نسبت به سطوح روشن جذب مي‌كنند و لذا سريع‌تر گرم مي‌شوند.

طراحی و عملکرد

نحوه کار ترمومترهای لیزری و دوربین های ترموگرافی، D:S

دماسنج‌های مادون قرمز Infrared Thermometers

اين دماسنج‌ها دارای يک لنز هستند که انرژی مادون قرمز در محدوده ميدان ديد خود را بر روی يک عدد سنسور متمرکز مي‌کنند.

  •سنسور، انـرژی فوق را تبدیل به ولتـاژ الکتریکی می‌کند.

  •ولتاژ الکتریکی توسط Amplifier تقویت می‌شود.

  •سپس ولتاژ تقویت شده به ریزپردازنده می‌رسد.

  •و در آخر دمای محاسبه شده برروی نمایشگر نشان داده می‌شود.

D:S (Distance : Spot)

درجه حرارتی که ترمومتر غیرتماسی به نمایش می‌گذارد، از تبدیل انرژی مادون قرمزی که ترمومتر دریافت می‌کند، بدست می‌آید.لذا این درجه حرارت متوسط درجه حرارت هر آن چيزي است که در میدان دید ترمومتر قرار دارد.

اصولاً در استفاده از اين نوع از تجهيزات بايد تمامي نواحي سوژه مورد نظر كه دماي آن بايد اندازه‌گيري شود، ميدان ديد دماسنج يا ترمومتر راپر كند.

دقت كنيد بيم ليزري كه روي اين تجهيزات ديده مي‌شود تنها يك وسيله هدف‌يابي است كه اگر درست تنظيم شده باشد، درست وسط مساحتي كه در فاصله معين ميدان ديد را پر مي‌كند را هدف گرفته است.اين بيم ليزر تنها يك هدف‌ياب است!

دوربین های مادون قرمز Infrared Cameras

اصول کار در دوربين ترموگرافی مشابه ترمومترهای لیزری است، ولی در دوربين ترموگرافی بجای يک سنسور از هزاران سنسور استفاده مي‌شود که هر يک از سنسورها دمای بخش کوچکی از ميدان ديد لنز دوربين را اندازه‌گيری مي‌کند.

اين سنسورها روی صفحه‌ای که به آن ديتکتور مي‌گويند به صورت سطری/ستونی در کنار هم چيده شده‌اند.

برای مثال در دوربينی که در مشخصات فنی آن نوع ديتکتور 240×320 پيکسل قيد شده، تعداد سنسورها 76،800  عدد است.

دوربين بعد از قرائت دما به هر دمایی رنگی را اختصاص مي‌دهد و بدين ترتيب هريک از خانه‌های دیتکتور، رنگ اختصاصی مي‌يابد. در نهايت جدول رنگها به صفحه نمايش ارسال مي‌شود و آنچه ما در دوربين مي‌بينيم در واقع يک جدول دماست.

برای معرفی، کاربردها و راهنمای خرید دوربین‌ های ترموگرافی روی ایـنجا کلیک کنید