غالبًا ما تثبت طرق قياس درجة الحرارة التقليدية القائمة على التلامس عدم كفايتها في البيئات الحرارية سريعة التغير. ضع في اعتبارك الأجسام سريعة الحركة على خطوط الإنتاج أو الأماكن الخطرة مثل خطوط الطاقة ذات الجهد العالي - كيف يمكن قياس درجة الحرارة بأمان ودقة؟ توفر موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء الحل، مما يتيح قياس درجة الحرارة عن بعد دون اتصال مادي، مما يحدث ثورة في القطاعات الصناعية والطبية وغيرها.
نظرة عامة على موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء
تقوم موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء، والمعروفة أيضًا باسم موازين الحرارة غير التلامسية أو الإشعاعية، بقياس درجة حرارة السطح عن طريق اكتشاف الإشعاع تحت الأحمر المنبعث من الأجسام. تقوم هذه الأجهزة بتحويل طاقة الأشعة تحت الحمراء المستلمة إلى إشارات كهربائية، والتي تتم معالجتها بعد ذلك وعرضها كقراءات رقمية أو تناظرية لدرجة الحرارة. بالمقارنة مع موازين الحرارة التقليدية التي تعمل بالتلامس، تقدم النماذج التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء مزايا مميزة:
تجد هذه الأدوات تطبيقات عبر صناعات متعددة:
أساسيات الإشعاع تحت الحمراء
ينبع المبدأ التشغيلي لموازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء من الفيزياء الأساسية. تبعث جميع الأجسام فوق الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية) إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، وتشكل أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء جزءًا من هذا الطيف. ترتبط شدة وتوزيع الطول الموجي للإشعاع تحت الأحمر ارتباطًا مباشرًا بدرجة حرارة الجسم - تنتج درجات الحرارة المرتفعة شدة إشعاع أكبر عند أطوال موجية أقصر.
المفاهيم الأساسية
الطيف الكهرومغناطيسي: تشغل الأشعة تحت الحمراء أطوال موجية تتراوح بين 0.75 و 1000 ميكرومتر، وتقع بين الضوء المرئي والميكروويف.
إشعاع الجسم الأسود: باعث مثالي مثالي يتبع قانون بلانك، والذي يصف رياضيًا العلاقة بين شدة الإشعاع والطول الموجي ودرجة الحرارة.
إشعاع الجسم الرمادي: تبعث الأجسام الواقعية إشعاعًا أقل من الأجسام السوداء المثالية، وتتميز بعامل انبعاث أقل من 1.
آليات التشغيل
تتكون موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء من ثلاثة مكونات أساسية: الأنظمة البصرية، وأجهزة الكشف، ودوائر معالجة الإشارات. تتضمن عملية القياس أربع خطوات متتالية:
تصميم النظام البصري
تركز المكونات البصرية إشعاع الأشعة تحت الحمراء على أجهزة الكشف، مما يعزز الحساسية. تنقل المواد مثل الجرمانيوم أو السيليكون أو زجاج الكالكوجينيد الأشعة تحت الحمراء بشكل فعال، بينما توفر المرايا المطلية بالذهب أو الفضة انعكاسًا عاليًا. تشمل معلمات التصميم الهامة:
تقنيات الكشف
| النوع | المبدأ | المزايا | القيود |
|---|---|---|---|
| الثرموبيل | تأثير سيبك (الحراري إلى الكهربائي) | حساسية عالية، استجابة سريعة، مستقرة | حساسية درجة الحرارة البيئية |
| الكهروحرارية | تغيير استقطاب الكريستال | استجابة سريعة، حساسية جيدة | لا يمكن قياس درجات الحرارة الثابتة |
| الكهروضوئية | تحويل الفوتون الإلكترون | حساسية وسرعة ممتازة | يتطلب التبريد، وارتفاع التكلفة |
اعتبارات الدقة
تؤثر عوامل متعددة على دقة القياس:
قيم مرجعية للانبعاثية
| المادة | الانبعاثية |
|---|---|
| الألومنيوم المصقول | 0.05 |
| الألومنيوم المؤكسد | 0.20 |
| النحاس المصقول | 0.03 |
| النحاس المؤكسد | 0.60 |
| جلد الإنسان | 0.98 |
| الماء | 0.96 |
| الخرسانة | 0.95 |
طرق المعايرة
تضمن المعايرة المنتظمة الدقة المستمرة من خلال ثلاث تقنيات أساسية:
توفر خدمات المعايرة الاحترافية باستخدام المعدات المعتمدة النتائج الأكثر موثوقية.
التطبيقات المتقدمة: التصوير الحراري
تعمل كاميرات الأشعة تحت الحمراء على توسيع قدرات القياس أحادي النقطة عن طريق تصور توزيعات درجة الحرارة عبر الأسطح. تستخدم هذه الأنظمة صفائف الكاشف لإنشاء خرائط حرارية، وإيجاد تطبيقات في:
التطورات المستقبلية
تستمر تقنية قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء في التطور مع العديد من الاتجاهات:
