دماسنج های مادون قرمز یکی از پر کاربرد ترین وسایل اندازه گیری دمای پرتابل در صنعت می باشد که برای اندازه گیری دمای یک سطح یا منطقه بدون نیاز به لمس جسم مورد استفاده قرار می گیرد.
دماسنج های تشعشعات مادون قرمز (Infrared Radiation Thermometers)
تمام اجسام در دماهای مختلفی که قرار دارند از خود رنگ و نور به خصوصی را منتشر می نمایند. که از این نور یا همان توان حرارتی منتشر شده از یک جسم، می توان به عنوان اندازه گیری دما استفاده کرد. بدین صورت که بر اساس طیف نور منتشر شده از اجسام می توان دمای اجسام را بدست آورد.
طيف مادون قرمز از طیف امواجی است که شامل نورهای مرئی و امواج فرابنفش می باشد. طيف مادون قرمز انرژی ارسال شده در طول موجهای 0.75 تا 100 میکرو متر می باشد که به عنوان تابش مادون قرمز شناخته می شود.
امواج مادون قرمز
مادون قرمز نوعی تابش الکترو مغناطیسی است که در اثر ارتعاش و چرخش اتمها و مولکول های ماده در دمای بیشتر از صفر مطلق تولید می شود. اگر دمای منبع تابش کننده 1000 کلوین باشد، انرژی ارسال شده به صورت نور قرمز با طول موج 0.75 میکرو متر قابل رویت است. در واقع با افزایش درجه حرارت امواج مادون قرمز با طول موج کمتر ولی انرژی بیشتر ساطع می شوند.
محدوده طول موج های امواج مختلف
میزان توانایی یک جسم در انتشار انرژی مادون قرمز حساسیت گفته میشود که با استفاده از این انرژی می توان دمای یک جسم را تعیین کرد. به عبارت دقیق تر، نسبت انرژی منتشر شده توسط یک جسم، به انرژی منتشر شده توسط یک جسم سیاه در همان دما را قابلیت انتشار یا حساسیت گویند. در این تعريف جسم سیاه عبارت است از جسمی که قابلیت جذب همه طول موج های الکترو مغناطیس را دارد. حساسیت می تواند از صفر (آینه براق) تا یک (جسم سیاه) تغییر کند.
آشکار ساز دما سنج های مادون قرمز
در ساختار آشکار ساز با در نظر گرفتن محدوده طول موجی که جسم یا محیط از خود، امواج مادون قرمز ساطع می کند، فیلتر IR انتخاب می گردد. این فیلتر امواج مادون قرمز را از خود عبور داده و بقیه امواج مزاحم را حذف می نماید.
به طور مثال فیلتر با طول موج 3.43 میکرو متر برای اندازه گیری درجه حرارت پلی اتیلن و طول موج یک میکرو متر برای فلزات مناسب می باشد. در زیر اجزای یک نمونه سنسور اندازه گیری دمای تشعشع مادون قرمز نشان داده شده است.
اجزای سنسور اندازه گیری دمای مادون قرمز
انواع مختلف آشکارساز های دما سنج های مادون قرمز
مهم ترین بخش دما سنج های مادون قرمز، آشکار ساز IR می باشد که این آشکار سازها به دو دسته آشکار ساز حرارتی (Thermal Detectors) و آشکار ساز کوانتومی (Quantum Detectors) تقسیم می شوند که در ادامه به تشریح هر یک پرداخته شده است.
الف) آشکار ساز حرارتی
در آشکار سازهای حرارتی، آشکار سازی دمای المان با توجه به میزان جذب پرتوهای الکترو مغناطیس تغییر می کند. در نتیجه می توان از تغییرات پارامتر دما به عنوان معیار مناسبی جهت اندازه گیری انرژی جذبی استفاده نمود. به منظور اندازه گیری پارامتر دما می توان از آشکار ساز ترموکوپل (Thermopile Detector) و یا آشکار ساز پیرو الکتریک (Pyro electrical Detector) استفاده کرد. در ادامه به بررسی ویژگی هر یک پرداخته شده است.
- آشکار ساز ترموکوپل
مطابق آنچه در مبحث ترموکوپل بیان شد، ترموکوپل از دو فلز غیر هم جنس تشکیل شده است که با حرارت دادن نقطه اتصال آنها یک ولتاژ الکتریکی ضعیف در حد میلی ولت ایجاد می گردد. ترموکوپل های تابشی از دو فلز Bismuth و Antimony تشکیل شده است که در اثر جذب انرژی مادون قرمز و افزایش درجه حرارت، در خروجی یک ولتاژ ضعیف تولید می نمایند که میتوان با اندازه گیری آن دما را اندازه گیری کرد.
- آشکار ساز پیرو الکتریک
المان پیرو الکتریک شامل دو الکترود میباشد که با جذب انرژی مادون قرمز موجب تغییر دما و بار سطحی ماده پیرو الکتریک می شود که در خروجی به صورت ولتاژ یا جریان ظاهر می شود. به منظور رسیدن به نسبت سیگنال به نویز مناسب از یک چاپر برای قطع و وصل جریان تابشی به المان استفاده می گردد. در نتیجه با تقویت سیگنال متناوب خروجی و حذف سیگنال مستقیم می توان نویز را تا حد زیادی حذف کرد.
شکل زیر نحوه عملکرد یک آشکار ساز پیرو الکتریک را نشان میدهد.
نحوه عملکرد آشکار ساز پیرو الکتریک
ب) آشکار ساز کوانتومی
در این آشکار ساز ها جذب امواج مادون قرمز موجب افزایش تعداد الکترون ها با سطح انرژی بالاتر در مواد نیمه هادی می شود. این آشکار ساز ها دارای سرعت بسیار بالایی می باشند و سرعت پاسخ دهی آنها در حد نانو ثانیه نیز می رسد. در صورتی که سرعت پاسخ آشکار ساز های حرارتی در حد میکرو ثانیه می باشد.
تجهیزات اندازه گیری دما به روش تشعشعات مادون قرمز
تجهیزات اندازه گیری دما به روش تشعشعات مادون قرمز به دو صورت قابل حمل و ثابت ساخته می شوند. در واقع با استفاده از نوع قابل حمل آن که به صورت تفنگی ساخته می شوند، می توان به صورت سیار دمای هر نقطه را اندازه گیری کرد. بر روی این تجهیز یک لیزر نصب می گردد که از این لیزر برای تنظیم کردن نقطه ای که نیاز به اندازه گیری دمای آن می باشد، استفاده می گردد.
در نوع ثابت این تجهیز با نصب سنسور به طور ثابت و تنظیم آن بر روی یک نقطه از یک جسم میتوان دمای آن نقطه را اندازه گیری کرد و بر روی صفحه مانیتور نشان داد و یا از طریق سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر یا یکی از پورت های ارتباطی مانند RS232 مقدار اندازه گیری شده را ارسال کرد.
شکل زیر تجهیزات اندازه گیری دما به روش تشعشعات مادون قرمز را نشان میدهد.
تجهیزات اندازه گیری دما مادون قرمز
از روش اندازه گیری دما با تشعشعات مادون قرمز، میتوان برای اندازه گیری دمای مواد مذاب و یا سایر اجسام استفاده کرد. این روش اندازه گیری دما علیرغم داشتن دقت پایین و قیمت بالای تجهیزات آن به دلیل مزایای زیر در صنایع مختلف از جمله صنایع ذوب فلزات و لاستیک سازی کاربرد فراوان دارد.
- قابلیت اندازه گیری دما به صورت سیار
- امکان اندازه گیری دماهای بسیار بالا (تا چند هزار درجه)
- امکان اندازه گیری دما از راه دور بدون تماس فیزیکی
- زمان پاسخ بسیار خوب
- راحتی نصب و اندازه گیری آسان دما
- سهولت اندازه گیری دمای مواد شیمیایی خورنده