ترمومتر لیزری | دماسنج تماسی و مادون قرمز

معرفی ترمومتر یا دماسنج مادون قرمز ( حرارتی – لیزری )
ترمومتر مادون قرمز، دستگاهی است که دما را از روی بخشی از تابش گرمایی که از جسم مورد نظر منتشر می‌شود (گاهی اوقات به آن، تابش جسم سیاه هم گفته می‌شود) اندازه‌گیری می‌کند. بعضاً به آن‌ها ترمومترهای لیزری (دماسنج لیزری) هم گفته می‌شود، به خاطر اینکه در آن‌ها از یک لیزر استفاده می‌شود تا به هدف‌گیری ترمومتر کمک کنند؛ ترمومترهای غیرتماسی یا ترمومتر های تفنگی هم عبارت‌های دیگری برای توصیف این ابزار هستند، به خاطر اینکه می‌توانند توانایی این دستگاه‌های دماسنج حرارتی در اندازه‌گیری دما از یک فاصله‌ی دورتر را توصیف کنند. با دانستن مقدار انرژی مادون قرمز تابیده‌شده و ضریب تابش آن، می‌توان دمای شیء را در محدوده‌ی خاصی از دمای واقعی آن تعیین کرد. ترمومترهای حرارتی، زیرمجموعه‌ای از تجهیزات معروف به “ترمومترهای تابش حرارتی” هستند.

گاهی اوقات و به‌خصوص در دماهای نزدیک به دمای محیط، ممکن است خوانش‌ها با خطا همراه باشند؛ دلیل این امر آن است که بازتاب تابش‌ها از یک شیء داغ‌تر بیشتر از این تابش‌ها از جسم مدنظر است، همچنین این امر می‌تواند ناشی از فرض اشتباه ضریب تابش هم باشد.
طراحی این دستگاه‌ها در اصل شامل یک عدسی برای متمرکز کردن تابش حرارتی مادون قرمز روی آشکارسازی است که توان تابشی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند؛ می‌توان این سیگنال‌های الکتریکی را پس از هماهنگی با دمای محیط، در واحدهای مرتبط با درجه‌ی حرارت نمایش داد. این دستگاه های دماسنج لیزری امکان اندازه‌گیری دما از یک فاصله را فراهم می‌کند، بدون آنکه نیازی به تماس با جسم مدنظر باشد. ترمومترهای لیزری غیرتماسی برای اندازه‌گیری دما تحت شرایطی که نتوان از ترموکوپل‌ها یا سایر حسگرهای دارای پروب استفاده کرد و یا اینکه در صورت استفاده از آن‌ها بنا به هر دلیلی نتوان به نتایج دقیقی دست یافت، مفید هستند.
نمونه‌هایی از کاربرد دستگاه ترمومتر لیزری و تماسی:
برخی از شرایط محیطی که استفاده از ترمومترهای لیزری به ترمومترهای تماسی ارجحیت دارد ، به این صورت است:

هنگامی که جسم مدنظر در حال حرکت باشد؛ هنگامی که جسم با یک میدان الکترومغناطیسی احاطه شده باشد، مانند گرمایش القایی؛ هنگامی که جسم در شرایط خلأ یا در هر جو کنترل‌شده‌ی دیگری نگه‌داشته شده باشد؛ یا در شرایطی که نیاز به پاسخ سریع وجود داشته باشد؛ دمای سطحی دقیق مدنظر باشد و یا اینکه دمای جسم بالاتر از محدوده‌ی مجاز برای حسگرهای تماسی باشد؛ یا در صورتی که تماس حسگر منجر به آسیب دیدن جسم یا خود حسگر شود و یا اینکه گرادیان دمایی قابل توجهی روی سطح جسم وجود داشته باشد.

می‌توان از ترمومترهای مادون قرمز برای انجام طیف گسترده‌ای از عملکردهای نظارت دمایی استفاده کرد. چند مثال در این زمینه به شرح زیر است: چک کردن دما یا نقاط داغ تجهیزات مکانیکی یا الکتریکی، اندازه‌گیری دمای بدن بیماران در بیمارستان‌ها بدون تماس با آن‌ها، چک کردن دمای گرماساز یا کوره، انجام کالیبراسیون و کنترل، بررسی نقاط داغ در آتش‌نشانی، نظارت بر مواد در فرآیندهای گرمایشی یا سرمایشی و اندازه‌گیری دمای آتش‌نشان‌ها.

می‌توان از این دستگاه‌های دماسنج حرارتی در موارد زیر هم بهره برد: هنگام شیوع بیماری‌های همه‌گیری که موجب تب می‌شوند مانند بیماری‌های ناشی از ویروس‌های سارس و ابولا ؛ می‌توان از ترمومترهای اینفرارد با دقت بالا با نام تب سنج لیزری برای بررسی تب مسافران ورودی هم استفاده کرد بدون اینکه سرایت‌های مضری در بین افراد مورد آزمایش ایجاد شود.
در سال 2020 زمانی که همه‌گیری ویروس کووید 19 در جهان ایجاد شد، ترمومترهای لیزری یا تب سنج تفنگی برای انجام آزمایش‌های ایمن و دقیق به کار گرفته شدند. سازمان‌های بهداشت عمومی مانند FDA در ایالات‌متحده قوانینی را وضع کردند تا از دقت و صحت ترمومترهای مادون قرمز اطمینان حاصل شود.

انواع مختلفی از دستگاه‌های مادون قرمز برای سنجش دما وجود دارد که هم برای کاربردهای دستی و قابل‌حمل و هم به صورت تأسیسات ثابت طراحی شده‌اند.
دقت ترمومترهای تماسی با ویژگی‌های از قبیل دقت و زاویه تست مشخص می‌شوند. تجهیزات ساده‌تر ممکن است خطاهای دمایی در حدود 2± درجه‌ی سلسیوس یا 4± درجه‌ی فارنهایت داشته باشند.

نسبت فاصله به نقطه (D:S)، نسبت فاصله به سطح اندازه‌گیری و قطر ناحیه‌ی اندازه‌گیری دما است. مثلاً اگر نسبت D:S برابر با 12:1 باشد، آنگاه قطر ناحیه‌ی اندازه‌گیری، یک دوازدهم فاصله تا جسم خواهد بود. ترمومتری که نسبت D:S آن بیشتر باشد، نسبت به ترمومترهایی که این نسبت در آن‌ها کمتر است، قادر به اندازه‌گیری دمای سطوح باریک‌تر و ویژه‌تر در فاصله‌ی دورتری خواهد بود. یک دستگاه با نسبت 12:1 می‌تواند یک دایره‌ی یک اینچی را در فاصله‌ی یک فوتی اندازه‌گیری کند؛ در حالی که دستگاهی با نسبت 10:1 می‌تواند همان دایره‌ی یک اینچی را در فاصله‌ی 10 اینچی اندازه‌گیری کند؛ و یا اینکه می‌تواند یک دایره‌ی بزرگ‌تر و عمومی‌تر با قطر 2/1 اینچ را در فاصله‌ی 12 اینچی اندازه‌گیری نماید.

ناحیه‌ی هدف ایده آل باید حداقل دو برابر اندازه‌ی نقطه در آن فاصله باشد، با نواحی کوچک‌تر متناسب با فاصله که منجر به دقت کمتر در امر اندازه‌گیری می‌شود. نباید یک ترمومتر مادون قرمز را در فاصله‌ی نزدیکی تا جسم هدف قرار داد؛ به خاطر اینکه این مجاورت می‌تواند منجر به بالا رفتن دمای محفظه‌ی ترمومتر شده و به حسگر آن آسیب بزند. معمولاً خطای اندازه‌گیری به خاطر اثرات بازتابندگی و گنجانده شدن سایر منابع گرمایی در میدان دید حسگر، تنها با فاصله‌ی بسیار زیاد کاهش پیدا می‌کند.

بنا به قانون استفان – بولتنزمن، توان تابشی متناسب با توان چهارم دما است؛ بنابراین هنگامی که سطح اندازه‌گیری هر دوی نواحی گرم و سرد را دارد، دمای نشان داده‌شده ممکن است بیشتر از میانگین دمای واقعی و یا نزدیک به توان چهارم مقدار متوسط باشد.
بیشتر سطوح، ضریب تابش بالایی دارند (بالاتر از 9/0 برای اکثر سطوح بیولوژیکی)، و اکثر ترمومترهای لیزری بر این فرض ساده‌سازی تکیه دارند؛ با این حال، سطوح بازتاب‌دهنده ضریب تابش کمتری نسبت به سطوح غیر بازتاب‌دهنده دارند. برخی از حسگرها، ضریب تابش قابل تنظیمی دارند و می‌توان آن‌ها را برای اندازه‌گیری دمای سطوح بازتاب‌دهنده و غیر بازتاب‌دهنده تنظیم کرد. می‌توان با اعمال یک برچسب یا رنگ غیر بازتاب‌دهنده، از یک ترمومتر غیر تنظیم شونده برای اندازه‌گیری دمای یک سطح بازتاب‌دهنده استفاده کرد؛ اما در این شرایط، دقت کمی می‌تواند افت کند.

همچنین می‌توان از یک حسگر با ضریب تابش قابل تنظیم، به منظور کالیبره کردن آن حسگر برای یک سطح معین و یا برای اندازه‌گیری ضریب تابش یک سطح استفاده کرد. در صورتی که دمای یک سطح به طور دقیق معلوم باشد (مثلاً در صورتی که با یک ترمومتر تماسی اندازه‌گیری شده باشد)، آنگاه می‌توان ضریب تابش حسگر را آن‌قدر تنظیم کرد که اندازه‌گیری دما با روش مادون قرمز با دمای اندازه‌گیری شده توسط روش تماسی تطابق پیدا کند. تنظیم ضریب تابش، قابلیت انتشار آن سطح را نشان می‌دهد؛ پارامتری که می‌توان آن را برای اندازه‌گیری‌های بعدی سطوح مشابه در نظر گرفت.
پیرومترهای مادون قرمز
پیرومتر‌های مادون قرمز نقطه‌ای یا پیرومتر‌های مادون قرمز، رایج‌ترین نوع ترمومترهای مادون قرمز هستند که دما را در یک نقطه روی یک سطح اندازه‌گیری می‌کنند (در واقع یک ناحیه‌ی نسبتاً کوچک که با نسبت D:S تعیین می‌شود). این دستگاه‌ها معمولاً یک نقطه‌ی مرئی قرمزرنگ را در مرکز ناحیه‌ی مورد اندازه‌گیری می‌تابانند که نقطه‌ی مورد اندازه‌گیری را مشخص می‌کند؛ اما این نقطه هیچ نقشی در فرآیند اندازه‌گیری دما ندارد. ناحیه‌ی زاویه‌ای واقعی که اندازه‌گیری می‌شود، در بین دستگاه‌ها مختلف متفاوت بوده و به نقطه‌ی قابل مشاهده محدود نیست.

تجهیزات مرتبط با دماسنج های حرارتی، اگرچه که به طور صریح ترمومتر هم نباشند، شامل سیستم‌های اسکن مادون قرمز و دوربین‌های حرارتی دیجیتال هستند. سیستم‌های اسکن مادون قرمز، معمولاً با استفاده از آنچه که در واقع یک دماسنج نقطه‌ای بوده که روی یک آینه‌ی چرخان هدف‌گیری شده است، نواحی بزرگ‌تری را اسکن می‌کنند. از این دستگاه‌ها به طور گسترده در فرآیند تولید استفاده می‌شود؛ از جمله در عملیات‌های تولیدی شامل نوارهای نقاله یا فرآیندهای شبکه‌ای، مانند ورقه‌های بزرگ شیشه‌ای یا فلزی که در یک کوره وجود دارند؛ و یا پارچه و کاغذ یا توده‌های پیوسته‌ای از مواد در امتداد نوارهای نقاله.

دوربین‌های تصویربرداری حرارتی مادون قرمز یا دوربین های مادون قرمز، ذاتاً ترمومترهای تابش مادون قرمزی هستند که دما را در نقاط زیادی از یک ناحیه‌ی نسبتاً بزرگ اندازه‌گیری می‌کنند تا یک تصویر دوبعدی به نام ترموگرام را ایجاد کنند؛ به این صورت که در آن‌ها هر پیکسل نمایانگر یک دما است. این فناوری به نرم‌افزار و پردازنده‌ی قوی‌تری نسبت به ترمومترهای نقطه‌ای نیاز دارد و از آن‌ها برای نظارت بر نواحی بزرگ‌تر استفاده می‌شود. کاربردهای مرسوم این دستگاه‌ها شامل موارد زیر است: نظارت محیطی که توسط پرسنل نظامی یا امنیتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، انجام بازرسی و نظارت بر کیفیت فرآیندهای تولیدی و نظارت بر نقاط داغ یا سرد تجهیزات یا فضاهای محصور به منظور حفظ بهره‌وری و تأمین ایمنی.

همچنین به یک دوربین تصویربرداری که از فیلم مادون قرمز و عدسی‌های مناسب و غیره استفاده می‌کند هم “دوربین مادون قرمز” گفته می‌شود. این تجهیزات فقط امواج نزدیک به مادون قرمز را گرفته و نسبت به تابش گرمایی از اشیای نزدیک به دمای اتاق حساس نیستند.