Θεωρητική Αρχή και Εφαρμογή Υπέρυθρων Θερμομέτρων
Στη φύση, όταν η θερμοκρασία ενός αντικειμένου είναι πάνω από το απόλυτο μηδέν, εκπέμπει συνεχώς ηλεκτρομαγνητικά κύματα στο περιβάλλον λόγω της εσωτερικής θερμικής κίνησης. Αυτά τα κύματα περιλαμβάνουν υπέρυθρη ακτινοβολία στην περιοχή μήκους κύματος από 0,75 μm έως 100 μm. Μια χαρακτηριστική ιδιότητα είναι ότι, σε μια δεδομένη θερμοκρασία και μήκος κύματος, η ενέργεια ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα αντικείμενο φτάνει στο μέγιστο. Μια τέτοια ιδανική ουσία ονομάζεται μαύρο σώμα, με εκπομπή σε 1. Όλες οι άλλες ουσίες, με ικανότητα εκπομπής μικρότερη από 1, αναφέρονται ως γκρίζα σώματα.
Η φασματική ισχύς ακτινοβολίας P(λ,T) ενός μαύρου σώματος ακολουθεί το νόμο του Planck ως συνάρτηση της απόλυτης θερμοκρασίας T. Αυτός ο νόμος περιγράφει την ισχύ ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας ενός μελανού σώματος σε μήκος κύματος λ και απόλυτη θερμοκρασία T.
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η ενέργεια ακτινοβολίας ενός αντικειμένου γίνεται ισχυρότερη. Αυτό είναι το θεμέλιο της θεωρίας της υπέρυθρης ακτινοβολίας και η βάση σχεδιασμού για θερμόμετρα υπέρυθρης μονής ζώνης.
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η κορυφή της ακτινοβολίας μετατοπίζεται προς μικρότερα μήκη κύματος (στα αριστερά), υπακούοντας στον νόμο μετατόπισης του Wien: το μήκος κύματος κορυφής είναι αντιστρόφως ανάλογο με την απόλυτη θερμοκρασία T. Η διακεκομμένη γραμμή αντιπροσωπεύει τον τόπο αυτών των τιμών κορυφής. Αυτή η σχέση εξηγεί γιατί τα θερμόμετρα υψηλής θερμοκρασίας λειτουργούν κυρίως σε μικρά μήκη κύματος, ενώ τα θερμόμετρα χαμηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιούν μεγαλύτερα μήκη κύματος.
Ο ρυθμός μεταβολής της ενέργειας ακτινοβολίας σε σχέση με τη θερμοκρασία είναι μεγαλύτερος σε μικρότερα μήκη κύματος από ό,τι σε μεγαλύτερα. Με άλλα λόγια, τα θερμόμετρα που λειτουργούν σε μικρότερα μήκη κύματος έχουν υψηλότερο λόγο σήματος προς θόρυβο (μεγαλύτερη ευαισθησία) και ισχυρότερη απόδοση κατά των παρεμβολών. Τα θερμόμετρα θα πρέπει ιδανικά να σχεδιάζονται για να λειτουργούν κοντά στο μέγιστο μήκος κύματος, ειδικά για χαμηλές θερμοκρασίες και μικρούς στόχους, όπου αυτός ο παράγοντας είναι ιδιαίτερα κρίσιμος.
Μέρος Δεύτερο
Ένα υπέρυθρο θερμόμετρο αποτελείται από ένα οπτικό σύστημα, έναν φωτοηλεκτρικό ανιχνευτή, έναν ενισχυτή σήματος, ένα κύκλωμα επεξεργασίας σήματος και μια μονάδα εξόδου οθόνης. Η ακτινοβολία από το μετρούμενο αντικείμενο και μια πηγή αναφοράς διαμορφώνεται από έναν διαμορφωτή και στη συνέχεια εισάγεται στον ανιχνευτή υπερύθρων. Η ακτινοβολία ταιριάζει με αυτή του μετρούμενου αντικειμένου. Στη συνέχεια, η οθόνη δείχνει τη θερμοκρασία φωτεινότητας του μετρούμενου αντικειμένου.
