مقياس الإشعاع الحراري: جهاز استشعار درجة الحرارة اللا ملامس

البيرومتر الإشعاعي هو جهاز يقيس درجة حرارة الجسم البعيد عن طريق اكتشاف الإشعاع الحراري الذي يصدره. هذا النوع من أجهزة قياس الحرارة لا يحتاج إلى ملامسة الجسم أو التواصل الحراري معه، على عكس الأجهزة الأخرى مثل أزواج الحرارة و أجهزة قياس درجة الحرارة المقاومة (RTDs). تستخدم البيرومترات الإشعاعية بشكل أساسي لقياس درجات الحرارة العالية التي تتجاوز 750 درجة مئوية، حيث يكون اللمس الجسدي للجسم الساخن غير ممكن أو مرغوب فيه.

ما هو البيرومتر الإشعاعي؟

البيرومتر الإشعاعي هو جهاز قياس درجة الحرارة بدون ملامسة يستنتج درجة حرارة الجسم من خلال اكتشاف الإشعاع الحراري الذي يصدره بشكل طبيعي. يعتمد الإشعاع الحراري أو التشعيع من الجسم على درجة حرارته وإشعاعيته، وهي مقياس لكيفية تشعيع الحرارة مقارنة بجسم أسود مثالي. وفقًا لقانون ستيفان بولتزمان، يمكن حساب الإشعاع الحراري الكلي الصادر من الجسم كما يلي:

حيث،

• Q هو الإشعاع الحراري بوحدة W/m²

• ϵ هي إشعاعية الجسم (0 < ϵ < 1)

• σ هي ثابت ستيفان-بولتزمان بوحدة W/m²K⁴

• T هي درجة الحرارة المطلقة بالكلفن

يتكون البيرومتر الإشعاعي من ثلاثة مكونات رئيسية:

• عدسة أو مرآة تجمع وتركز الإشعاع الحراري من الجسم على العنصر المستقبل.

• عنصر مستقبل يحول الإشعاع الحراري إلى إشارة كهربائية. يمكن أن يكون هذا مقاومة حرارية أو زوج حراري أو مُستشعر ضوئي.

• جهاز تسجيل يعرض أو يسجل قراءة درجة الحرارة بناءً على الإشارة الكهربائية. يمكن أن يكون هذا ميليفولتميتر أو غالفانوميتر أو شاشة رقمية.

أنواع البيرومترات الإشعاعية

هناك نوعان رئيسيان من البيرومترات الإشعاعية: النوع ذو التركيز الثابت والنوع ذو التركيز المتغير.

البيرومتر الإشعاعي ذو التركيز الثابت

يحتوي البيرومتر الإشعاعي ذو التركيز الثابت على أنبوب طويل به فتحة ضيقة في النهاية الأمامية ومرآة مقعرة في النهاية الخلفية.

يتم وضع زوج حراري حساس أمام المرآة المقعرة على مسافة مناسبة بحيث يتم عكس الإشعاع الحراري من الجسم بواسطة المرآة ويتم تركيزه على نقطة الربط الساخنة للزوج الحراري. يتم قياس الفرق الكهربائي المولد في الزوج الحراري بواسطة ميليفولتميتر أو غالفانوميتر، والذي يمكن معايرته مباشرة مع درجة الحرارة. ميزة هذا النوع من البيرومترات أنه لا يحتاج إلى التعديل لمسافات مختلفة بين الجسم والجهاز، حيث تركز المرآة دائمًا الإشعاع على الزوج الحراري. ومع ذلك، فإن هذا النوع من البيرومترات له نطاق قياس محدود وقد يتأثر بالغبار أو الأوساخ على المرآة أو العدسة.

البيرومتر الإشعاعي ذو التركيز المتغير

يحتوي البيرومتر الإشعاعي ذو التركيز المتغير على مرآة مقعرة قابلة للتعديل مصنوعة من الفولاذ المصقول بدرجة عالية.

يتم استقبال الإشعاع الحراري من الجسم أولاً بواسطة المرآة ثم عكسه على مفصل حراري مسود يتكون من قرص صغير من النحاس أو الفضة حيث يتم لحام الأسلاك التي تشكل المفصل. يمكن رؤية صورة الجسم المرئية على القرص من خلال عينية وفتحة مركزية في المرآة الرئيسية. يتم تعديل موقع المرآة الرئيسية حتى يتطابق التركيز مع القرص. يؤدي تسخين المفصل الحراري بسبب الصورة الحرارية على القرص إلى إنتاج فرق كهربائي يتم قياسه بواسطة ميليفولتميتر أو غالفانوميتر. ميزة هذا النوع من البيرومترات أنه يمكنه قياس درجات الحرارة على نطاق واسع ويمكنه أيضًا قياس الأشعة غير المرئية من الإشعاع. ومع ذلك، يتطلب هذا النوع من البيرومترات تعديلًا ومحاذاة دقيقين للقراءات الدقيقة.

مزايا وعيوب البيرومترات الإشعاعية

لدى البيرومترات الإشعاعية بعض المزايا والعيوب مقارنة بأنواع أخرى من أجهزة قياس الحرارة.

بعض المزايا هي:

• يمكنها قياس درجات الحرارة العالية فوق 600 درجة مئوية، حيث قد تنصهر أو تتلف أجهزة الاستشعار الأخرى.

• لا تحتاج إلى ملامسة الجسم، مما يتجنب التلوث والتآكل أو التداخل.

• لديها سرعة استجابة سريعة وإخراج عالي.

• تأثر أقل بالأجواء المسببة للتآكل أو المجالات الكهرومغناطيسية.

بعض العيوب هي:

• لديها مقياس غير خطي وأخطاء محتملة بسبب الاختلافات في الإشعاعية، الغازات أو الأبخرة الوسيطة، تغييرات درجة الحرارة المحيطة، أو الأوساخ على المكونات البصرية.

• تتطلب المعايرة والصيانة للحصول على قراءات دقيقة.

• قد تكون باهظة الثمن ومعقدة في التشغيل.

تطبيقات البيرومترات الإشعاعية

تستخدم البيرومترات الإشعاعية بشكل واسع في التطبيقات الصناعية حيث توجد درجات حرارة عالية أو حيث يكون اللمس الجسدي للجسم غير ممكن أو غير مرغوب فيه.

بعض الأمثلة هي:

• قياس درجة حرارة الأفران والغلايات والأفران والفرن.

• قياس درجة حرارة المعادن الذائبة والزجاج والسيراميك.

• قياس درجة حرارة النيران والبلازما والليزر.

• قياس درجة حرارة الأجسام المتحركة مثل الأسطوانات والناقلات والأسلاك.

• قياس درجة حرارة المتوسطة للأسطح الكبيرة مثل الجدران والسقف والأنابيب.

الخاتمة

البيرومتر الإشعاعي هو جهاز يقيس درجة حرارة الجسم البعيد عن طريق اكتشاف الإشعاع الحراري الذي يصدره. هذا النوع من أجهزة قياس الحرارة لا يحتاج إلى ملامسة الجسم أو التواصل الحراري معه، على عكس الأجهزة الأخرى مثل أزواج الحرارة و أجهزة قياس درجة الحرارة المقاومة