Ποιες είναι οι αρχές και οι ταξινομήσεις των υπέρυθρων θερμομέτρων
1. Αρχή υπέρυθρων
Οποιοδήποτε αντικείμενο με θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273 βαθμοί ) εκπέμπει θερμική ακτινοβολία προς τα έξω. Οι διαφορές στη θερμοκρασία του αντικειμένου οδηγούν σε διακυμάνσεις της ακτινοβολούμενης ενέργειας και του μήκους κύματος της ακτινοβολίας, με την υπέρυθρη ακτινοβολία να περιλαμβάνεται πάντα στο φάσμα. Για αντικείμενα κάτω των 1000 μοιρών, τα υπέρυθρα κύματα αποτελούν τα κυρίαρχα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στη θερμική ακτινοβολία. Επομένως, η μέτρηση της εγγενούς υπέρυθρης ακτινοβολίας ενός αντικειμένου επιτρέπει την ακριβή ανίχνευση της θερμοκρασίας της επιφάνειάς του, η οποία αποτελεί το αντικειμενικό θεμέλιο και την βασική αρχή της μέτρησης της υπέρυθρης θερμοκρασίας.
Ένα μαύρο σώμα είναι ένα ιδανικό θερμαντικό σώμα που απορροφά όλη την προσπίπτουσα ενέργεια ακτινοβολίας σε μήκη κύματος χωρίς ανάκλαση ή μετάδοση, με επιφανειακή εκπομπή 1. Ωστόσο, σχεδόν όλα τα φυσικά αντικείμενα δεν είναι μαύρα σώματα. Για να αποσαφηνιστούν και να ποσοτικοποιηθούν οι νόμοι της κατανομής της υπέρυθρης ακτινοβολίας, απαιτείται ένα θεωρητικό μοντέλο για την έρευνα. Ο Planck πρότεινε το μοντέλο κβαντισμένου ταλαντωτή για την ακτινοβολία κοιλότητας και εξήγαγε τον νόμο του Planck για την ακτινοβολία του μαύρου σώματος, ο οποίος ορίζει τη φασματική ακτινοβολία των μαύρων σωμάτων κατά μήκος κύματος. Λειτουργώντας ως ο ακρογωνιαίος λίθος όλων των θεωριών υπέρυθρης ακτινοβολίας, αυτό είναι επίσης γνωστό ως νόμος της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος.
Εκτός από το μήκος κύματος ακτινοβολίας και τη θερμοκρασία του αντικειμένου, η ακτινοβολία εξόδου των πραγματικών αντικειμένων επηρεάζεται από τον τύπο του υλικού, τις μεθόδους επεξεργασίας, τη θερμική ιστορία, τις συνθήκες επιφάνειας και τους περιβαλλοντικούς παράγοντες. Για την εφαρμογή του νόμου της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος σε πρακτικά αντικείμενα, εισάγεται ένας αναλογικός συντελεστής που σχετίζεται με τις ιδιότητες του υλικού και τις συνθήκες της επιφάνειας, δηλαδή την εκπομπή. Αυτός ο συντελεστής δείχνει πόσο πολύ προσεγγίζει η θερμική ακτινοβολία ενός πραγματικού αντικειμένου με εκείνη ενός μαύρου σώματος, που κυμαίνεται μεταξύ 0 και 1. Σύμφωνα με τους νόμους της ακτινοβολίας, τα χαρακτηριστικά υπέρυθρης ακτινοβολίας οποιουδήποτε υλικού μπορούν να προσδιοριστούν μόλις γίνει γνωστή η εκπεμπόμενη του ικανότητα. Οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εκπομπή περιλαμβάνουν τον τύπο υλικού, την τραχύτητα της επιφάνειας, τη φυσικοχημική δομή και το πάχος του υλικού.
2. Αρχή λειτουργίας και δομή των υπέρυθρων θερμομέτρων
Στη φύση, όλα τα αντικείμενα πάνω από το απόλυτο μηδέν εκπέμπουν συνεχώς υπέρυθρη ακτινοβολία στον περιβάλλοντα χώρο. Το μέγεθος και η κατανομή μήκους κύματος της υπέρυθρης ακτινοβολίας ενός αντικειμένου συσχετίζονται στενά με τη θερμοκρασία της επιφάνειάς του. Έτσι, η ακριβής μέτρηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας μπορεί να επιτευχθεί με τη σύλληψη της αυτοεκπεμπόμενης υπέρυθρης ενέργειας ενός αντικειμένου, η οποία είναι η θεμελιώδης βάση της θερμομετρίας υπέρυθρης ακτινοβολίας.
Η αρχή λειτουργίας των υπέρυθρων θερμομέτρων είναι να μετατρέπουν την ενέργεια υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από μετρούμενα αντικείμενα (π.χ. λιωμένο ατσάλι) σε ηλεκτρικά σήματα. Η ένταση της υπέρυθρης ακτινοβολίας αντιστοιχεί άμεσα στη θερμοκρασία του αντικειμένου και η μετρούμενη θερμοκρασία προσδιορίζεται με βάση την ισχύ του ηλεκτρικού σήματος που έχει μετατραπεί.
Ένα υπέρυθρο θερμόμετρο αποτελείται από ένα οπτικό σύστημα, φωτοηλεκτρικό ανιχνευτή, ενισχυτή σήματος, μονάδα επεξεργασίας σήματος και μονάδα εξόδου οθόνης. Το οπτικό σύστημα συλλέγει ενέργεια υπέρυθρης ακτινοβολίας από τον στόχο εντός του οπτικού πεδίου, η κάλυψη του οποίου καθορίζεται από τα οπτικά εξαρτήματα και τη διάταξη του θερμομέτρου. Η εστιασμένη υπέρυθρη ενέργεια μετατρέπεται σε αναλογικά ηλεκτρικά σήματα από τον φωτοηλεκτρικό ανιχνευτή. Μετά την ενίσχυση και την επεξεργασία από ειδικά κυκλώματα, τα σήματα βαθμονομούνται μέσω ενσωματωμένων αλγορίθμων και παραμέτρων εκπομπής στόχου για την έξοδο της τελικής μετρούμενης τιμής θερμοκρασίας.
Κατά τη μέτρηση της θερμοκρασίας στόχου με ένα υπέρυθρο θερμόμετρο, η συσκευή συλλαμβάνει πρώτα την υπέρυθρη ακτινοβολία εντός της καθορισμένης φασματικής ζώνης και υπολογίζει τη θερμοκρασία στόχου ανάλογα. Με βάση τις αρχές λειτουργίας, τα υπέρυθρα θερμόμετρα ταξινομούνται σε θερμόμετρα ενός χρώματος και σε θερμόμετρα δύο χρωμάτων (θερμόμετρα ακτινοβολίας αναλογίας). Τα μονόχρωμα θερμόμετρα μετρούν τη θερμοκρασία ανάλογη με την ένταση της ακτινοβολίας σε μία μόνο ζώνη, ενώ τα θερμόμετρα δύο χρωμάτων υπολογίζουν τη θερμοκρασία με βάση την αναλογία ακτινοβολίας δύο ξεχωριστών φασματικών ζωνών.
3. Ανάπτυξη και Ταξινόμηση Υπέρυθρων Θερμομέτρων
Η σύγχρονη τεχνολογία υπέρυθρης μέτρησης θερμοκρασίας υποστηρίζει τη σάρωση θερμικής ανίχνευσης σε επιφάνειες μεταβλητής θερμοκρασίας για τη δημιουργία εικόνων κατανομής θερμοκρασίας και τον αποτελεσματικό εντοπισμό κρυφών διαφορών θερμοκρασίας, μια λειτουργία που πραγματοποιείται από τους υπερύθρους θερμικής απεικόνισης.
Η τεχνολογία υπέρυθρης θερμικής απεικόνισης εφαρμόστηκε αρχικά σε στρατιωτικό εξοπλισμό. Η Texas Instruments (TI) ανέπτυξε το πρώτο στον κόσμο σύστημα ανίχνευσης υπέρυθρης σάρωσης. Έκτοτε, οι δυτικές χώρες έχουν υιοθετήσει ευρέως τεχνολογία υπέρυθρης θερμικής απεικόνισης για στρατιωτικές πλατφόρμες, συμπεριλαμβανομένων αεροσκαφών, τανκς και πολεμικών πλοίων ως συστήματα θερμικής στόχευσης, ενισχύοντας σημαντικά τις δυνατότητες αναζήτησης και χτυπήματος στόχων.
Ο εξοπλισμός μέτρησης θερμοκρασίας υπερύθρων γενικά κατηγοριοποιείται σε τρεις τύπους:
(1) Θερμόμετρα υπέρυθρων σημείων: συμπεριλαμβανομένων φορητών και σταθερών μοντέλων τοποθέτησης.
(2) Σαρωτές υπερύθρων.
(3) Θερμικές εικόνες υπερύθρων.
