پیرومتر تابشی: سنسور دما بدون تماس

پیرومتر تابشی دستگاهی است که با شناسایی تابش حرارتی منتشر شده توسط یک شیء دور، دمای آن را اندازه‌گیری می‌کند. این نوع حسگر دما نیازی به تماس فیزیکی با شیء یا تماس حرارتی با آن ندارد، بر خلاف سایر ترمومترها مانند ترموجفت‌ها و حسگرهای مقاومت دمایی (RTDs). پیرومترهای تابشی عمدتاً برای اندازه‌گیری دماهای بالای ۷۵۰ درجه سانتیگراد استفاده می‌شوند، جایی که تماس فیزیکی با شیء داغ امکان‌پذیر یا مطلوب نیست.

چیست یک پیرومتر تابشی

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

که در آن،

• Q تابش حرارتی در واحد وات بر متر مربع (W/m²) است

• ϵ ضریب تابشی جسم (0 < ϵ < 1) است

• σ ثابت استفن-بولتزمن در واحد وات بر متر به توان چهار کلوین (W/m²K⁴) است

• T دمای مطلق در کلوین است

پیرومتر تابشی شامل سه مؤلفه اصلی است:

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

• المان دریافت‌کننده که تابش حرارتی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این می‌تواند یک ترمومتر مقاومتی، یک ترموجفت یا یک فوتودتکتور باشد.

• وسیله ثبت کننده که مقدار دما را بر اساس سیگنال الکتریکی نمایش می‌دهد یا ثبت می‌کند. این می‌تواند یک میلی ولتمتر، یک گالوانومتر یا نمایشگر دیجیتال باشد.

نوع‌های پیرومتر تابشی

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

پیرومتر تابشی با تمرکز ثابت

پیرومتر تابشی با تمرکز ثابت یک لوله بلند با یک دهانه تنگ در انتهای جلویی و یک آینه مقعر در انتهای عقبی دارد.

یک ترموجفت حساس در مقابل آینه مقعر در فاصله مناسبی قرار داده شده است، به طوری که تابش حرارتی از شیء توسط آینه بازتابیده و روی نقطه گرم ترموجفت متمرکز می‌شود. ولتاژ تولید شده در ترموجفت سپس توسط یک میلی ولتمتر یا گالوانومتر اندازه‌گیری می‌شود که می‌تواند مستقیماً با دما کالیبره 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 ترموجفت متمرکز می‌کند. با این حال، این نوع پیرومتر دامنه اندازه‌گیری محدودی دارد و ممکن است توسط گرد و غبار روی آینه یا لنز تحت تأثیر قرار گیرد.

پیرومتر تابشی با تمرکز متغیر

پیرومتر تابشی با تمرکز متغیر یک آینه مقعر تنظیم‌پذیر از فولاد پلمپ شده است.

تابش حرارتی از شیء ابتدا توسط آینه دریافت می‌شود و سپس روی یک ترموجفت سیاه که شامل یک دیسک کوچک از مس یا نقره است که سیم‌های تشکیل‌دهنده ترموجفت به آن سربسته شده‌اند، بازتابیده می‌شود. تصویر قابل مشاهده شیء می‌تواند از طریق یک لنز و یک سوراخ مرکزی در آینه اصلی روی دیسک دیده شود. موقعیت آینه اصلی تنظیم می‌شود تا تمرکز با دیسک همزمان شود. گرم شدن ترموجفت به دلیل تصویر حرارتی روی دیسک یک ولتاژ تولید می‌کند که توسط یک میلی ولتمتر یا گالوانومتر اندازه‌گیری می‌شود. مزیت این نوع پیرومتر این است که می‌تواند دماهایی را در محدوده گسترده‌ای اندازه‌گیری کند و همچنین می‌تواند پرتوهای نامرئی را نیز 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 سایر انواع حسگرهای دما دارند.

بعضی از مزایا عبارتند از:

• آنها می‌توانند دماهای بالای ۶۰۰ درجه سانتیگراد را اندازه‌گیری کنند، جایی که سایر حسگرهای دما ممکن است ذوب شده یا خراب شوند.

• آنها نیازی به تماس فیزیکی با شیء ندارند، که این موضوع آلودگی، فرسودگی یا تداخل را از بین می‌برد.

• آنها سرعت پاسخ سریع و خروجی بالایی دارند.

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

بعضی از معایب عبارتند از:

• آنها مقیاس‌های غیرخطی دارند و ممکن است خطاهایی به دلیل تغییرات ضریب تابشی، گازها یا بخارهای میانجی، تغییرات دمای محیط یا گرد و غبار روی مولفه‌های نوری داشته باشند.

• آنها نیاز به کالیبره‌سازی و نگهداری برای خواندن‌های دقیق دارند.

• آنها ممکن است گران و پیچیده برای عملکرد باشند.

کاربردهای پیرومترهای تابشی

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

برخی از نمونه‌ها عبارتند از:

پاداش