پیرومتر پرتو: حسگر دمای غیرمستقیم

پیرومتر تابشی دستگاهی است که با تشخیص تابش حرارتی انتشاری از یک شیء دور، دما را اندازه‌گیری می‌کند. این نوع حسگر دما نیازی به تماس فیزیکی یا تماس حرارتی با شیء ندارد، مانند ترمومترهای دیگر مانند ترموجونکتورها و حسگرهای دمای مقاومتی (RTDs). پیرومترهای تابشی عمدتاً برای اندازه‌گیری دماهای بالاتر از ۷۵۰ درجه سانتیگراد استفاده می‌شوند، جایی که تماس فیزیکی با شیء داغ امکان‌پذیر یا مطلوب نیست.

چه چیزی است پیرومتر تابشی

پیرومتر تابشی به عنوان یک حسگر دما بدون تماس تعریف می‌شود که با تشخیص تابش حرارتی طبیعی منتشر شده از یک شیء، دمای آن را تعیین می‌کند. تابش حرارتی یا تابش از یک شیء بستگی به دمای آن و ضریب تابشی دارد که معیاری از این است که چقدر خوب گرما را نسبت به یک جسم سیاه کامل تابش می‌کند. بر اساس قانون استفن-بولتزمن، تابش حرارتی کلی منتشر شده توسط یک جسم می‌تواند با استفاده از فرمول زیر محاسبه شود:

که در آن،

• Q تابش حرارتی در وات/متر مربع است

• ϵ ضریب تابشی جسم (0 < ϵ < 1) است

• σ ثابت استفن-بولتزمن در وات/متر²کلوین⁴ است

• T دمای مطلق در کلوین است

پیرومتر تابشی شامل سه مؤلفه اصلی است:

• یک لنز یا آینه تابش حرارتی را از شیء جمع‌آوری و روی عنصر دریافت‌کننده متمرکز می‌کند.

• عنصر دریافت‌کننده که تابش حرارتی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این می‌تواند یک ترمومتر مقاومتی، یک ترموجونکتور یا یک فوتودیتکتور باشد.

• یک دستگاه ثبت‌کننده که مقدار دما را بر اساس سیگنال الکتریکی نمایش می‌دهد یا ثبت می‌کند. این می‌تواند یک میلی‌ولتمتر، یک گالوانومتر یا نمایشگر دیجیتال باشد.

نوع‌های پیرومتر تابشی

دو نوع اصلی پیرومتر تابشی وجود دارد: نوع تمرکز ثابت و نوع تمرکز متغیر.

پیرومتر تابشی نوع تمرکز ثابت

پیرومتر تابشی نوع تمرکز ثابت یک لوله بلند با یک منفذ باریک در انتهای جلو و یک آینه مقعر در انتهای عقب دارد.

یک ترموجونکتور حساس در مقابل آینه مقعر در فاصله مناسبی قرار داده شده است، به گونه‌ای که تابش حرارتی از شیء توسط آینه بازتابیده شده و روی گره داغ ترموجونکتور متمرکز می‌شود. ولتاژ القایی تولید شده در ترموجونکتور سپس توسط یک میلی‌ولتمتر یا یک گالوانومتر اندازه‌گیری می‌شود که می‌تواند مستقیماً با دما هم‌سنجی شود. مزیت این نوع پیرومتر این است که نیازی به تنظیم برای فواصل مختلف بین شیء و دستگاه ندارد، زیرا آینه همیشه تابش را روی ترموجونکتور متمرکز می‌کند. با این حال، این نوع پیرومتر دامنه محدودی از اندازه‌گیری دارد و ممکن است توسط غبار یا آلودگی روی آینه یا لنز تحت تأثیر قرار بگیرد.

پیرومتر تابشی نوع تمرکز متغیر

پیرومتر تابشی نوع تمرکز متغیر یک آینه مقعر قابل تنظیم از فولاد پلیش‌شده دارد.

تابش حرارتی از شیء ابتدا توسط آینه دریافت می‌شود و سپس روی یک گره ترمی سیاه‌رنگ که شامل یک دیسک کوچک از مس یا نقره است که سیم‌های تشکیل‌دهنده گره به آن لحیم شده‌اند، بازتابیده می‌شود. تصویر قابل مشاهده از شیء می‌تواند از طریق یک لنز و یک سوراخ مرکزی در آینه اصلی روی دیسک دیده شود. موقعیت آینه اصلی تا زمانی که تمرکز با دیسک همزمان شود تنظیم می‌شود. گرم شدن گره ترمی به دلیل تصویر حرارتی روی دیسک یک ولتاژ القایی تولید می‌کند که توسط یک میلی‌ولتمتر یا یک گالوانومتر اندازه‌گیری می‌شود. مزیت این نوع پیرومتر این است که می‌تواند دماهایی را در محدوده وسیعی اندازه‌گیری کند و همچنین می‌تواند نورهای نامرئی از تابش را اندازه‌گیری کند. با این حال، این نوع پیرومتر نیاز به تنظیم و هم‌خطی دقیق برای خواندن‌های دقیق دارد.

مزایا و معایب پیرومترهای تابشی

پیرومترهای تابشی مزایا و معایبی نسبت به سنسورهای دمایی دیگر دارند.

برخی از مزایا عبارتند از:

• آنها می‌توانند دماهای بالای ۶۰۰ درجه سانتیگراد را اندازه‌گیری کنند، جایی که سنسورهای دیگر ممکن است ذوب یا خراب شوند.

• آنها نیازی به تماس فیزیکی با شیء ندارند، که از آلودگی، فرسودگی یا تداخل جلوگیری می‌کند.

• آنها سرعت پاسخ سریع و خروجی بالا دارند.

• آنها کمتر تحت تأثیر محیط‌های فرسایشی یا میدان‌های الکترومغناطیسی قرار می‌گیرند.

برخی از معایب عبارتند از:

• آنها مقیاس‌های غیرخطی دارند و خطاهای ممکن به دلیل تغییرات ضریب تابش، گازها یا بخارهای میانی، تغییرات دما محیطی یا آلودگی اجزای نوری.

• آنها نیاز به کالیبراسیون و نگهداری برای خوانده‌های دقیق دارند.

• آنها ممکن است گران و پیچیده برای عملکرد باشند.

کاربردهای پیرومترهای تابشی

پیرومترهای تابشی به طور گسترده برای کاربردهای صنعتی که دماهای بالا درگیر هستند یا جایی که تماس فیزیکی با شیء امکان‌پذیر یا مطلوب نیست، استفاده می‌شوند.