لا يخفى على أحد أهمية قياس درجات الحرارة في كثير من مجالات العمل.
أحياناً، لا يمكننا قياس درجة الحرارة بشكل مباشر ولذلك نلجأ إلى أجهزة قياس تعتمد على الأشعة تحت الحمراء Infrared التي يُطلقها الجسم المُراد فحصه؛ يُطلق على هذه الأجهزة اسم مقاييس IR.
بداية، لنذكر بعض حسنات مقاييس IR:
- تقيس درجة الحرارة عن بعد، فلا داعي أن يحدث تماس بين المقياس والهدف المُراد فحصه، وبذلك نضمن السلامة إذا كان الهدف المُراد فحصه خطراً (كالمولّدات الكهربائية).
- تقيس درجة حرارة الأجسام المتحرّكة.
- تمتاز بسرعة القياس.
- تقيس درجات الحرارة المرتفعة (فوق 1300˚C).
- لا تؤذي الأجسام المُراد فحصها.
ولكن الأمر ليس بهذه البساطة، إذ يتوجّب علينا فهم آلية عمل هذه الأجهزة للحصول على قراءات دقيقة.
■ المبدأ:
تنبعث الأشعة الكهرومغناطيسية من كل جسم له درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق (-273.15˚C)، تمثّل الأشعة تحت الحمراء جزءاً من الأشعة المنطلقة وتتوافق كميتها مع درجة حرارة الجسم.
يعود سبب انبعاث الأشعة تحت الحمراء إلى الحركة الداخلية للجزيئات. لا يمكن رؤية الأشعة تحت الحمراء بالعين المجرّدة إذ تتراوح أطوال موجاتها بين 0.78 و1000 ميكرومتر، ولكن عند ارتفاع درجة الحرارة ستنطلق بعض الأشعة المرئية (كالاحمرار الذي نشاهده على القضبان الحديدية المسخّنة).
عملياً، فإن مقاييس IR تقوم بكشف الأشعة تحت الحمراء التي تقلّ أطوال موجاتها عن 14 ميكرومتر (بسبب صغر طاقة الأمواج التي يزيد طولها عن ذلك بحيث لا يتأثر كاشف المقياس بها). للمزيد عن مجالات الأطوال المثالية: راجع فقرة الوسط المحيط.
بعد معالجة الإشارة الكهربائية التي يولّدها كاشف المقياس ستظهر لدينا درجة الحرارة المُقاسة.
كما هو واضح، فإن الطاقة الواصلة إلى المقياس لا تقتصر على الطاقة المنبعثة وإنما تشمل الطاقة المنعكسة والطاقة النافذة.
ولكن، هل لكل المواد نفس القدرة على تحرير الإشعاعات؟ الجواب: لا.
لذلك قبل البدء باستخدام مقاييس IR، علينا معرفة انبعاثية المادة المُراد قياس درجة حرارتها.
■ الانبعاثية:
في حالتنا، تُعرّف الانبعاثية Emissivity بمدى قدرة المادة على تحرير الأشعة تحت الحمراء، وتساوي نسبة (الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من المادة المدروسة) إلى (الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الجسم الأسود) وذلك عند نفس درجة الحرارة ونفس طول الموجة المنبعثة. يُرمز للانبعاثية بـ ε.
يُعرّف الجسم الأسود Black Body بأنه جسم مثالي له القدرة على امتصاص كل الأشعة الساقطة عليه وينبعث عنه الحدّ الأعظمي من الطاقة الممكنة بغض النظر عن أطوال الموجات المنبعثة ( = 1ε).
هناك عدّة طرق لتحديد انبعاثية المواد المُراد قياس درجة حرارتها.
عملياً، يمكننا مراجعة عدّة جداول تتضمّن انبعاثية أهم المواد الشائعة؛ ولكن يجب الانتباه أن هذه الجداول غير دقيقة دائماً وتُستعمل كمُرشد عام خصوصاً في حالة الفلزات (تؤثر حالة الفلز جداً على قيم الانبعاثية كأن يكون الفلز ملمّعاً أو متأكسداً).
تذكّر: تختلف الانبعاثية باختلاف درجات الحرارة وباختلاف أطوال الموجات المنبعثة، ويؤثّر الوسط المحيط بشكل لا يمكن تجاهله. قبل استعمال مقاييس IR: يجب التأكد من قيمتي “الانبعاثية” و”مجال أطوال الموجات التي يكشفها المقياس”.
فيما يلي انبعاثية بعض المواد الشائعة وفقاً لأطوال موجات الأشعة المنبعثة (المصدر: شركة Raytek):
| من الفلزات | طول الموجة | |||
| 1.0 µm | 1.6 µm | 8-14 µm | ||
| الألومنيوم | غير متأكسد | 0.1-0.2 | 0.02-0.2 | لا يوجد قيمة مستحسنة |
| متأكسد | 0.4 | 0.4 | 0.2-0.4 | |
| الحديد | غير متأكسد | 0.35 | 0.1-0.3 | لا يوجد قيمة مستحسنة |
| متأكسد | 0.4-0.8 | 0.5-0.9 | 0.5-0.9 | |
| صدئ | 0.6-0.9 | 0.5-0.7 | لا يوجد قيمة مستحسنة | |
| مصهور | 0.35 | 0.3-0.4 | 0.2-0.3 | |
| الذهب | 0.3 | 0.01-0.1 | لا يوجد قيمة مستحسنة | |
| من غير الفلزات | طول الموجة | |||
| 1.0 µm | 5.0 µm | 7.9 µm | 8-14 µm | |
| الاسبستوس | 0.90 | 0.90 | 0.95 | 0.95 |
| السيراميك | 0.4 | 0.85-0.95 | 0.95 | 0.95 |
| الخرسانة | 0.65 | 0.90 | 0.95 | 0.95 |
| الورق | لا يوجد قيمة مستحسنة | 0.95 | 0.95 | 0.95 |
- الفلزات:
تعتمد انبعاثية الفلزات على طول الموجة المنبعثة ودرجة الحرارة. للفلزات انبعاثية صغيرة وقد يؤدي ذلك إلى نتائج مختلفة.
يُفضّل اختيار أجهزة تقيس الأشعة تحت الحمراء عند طول موجة محدّد وفي مجال من درجات الحرارة بحيث تكون الانبعاثية أعلى ما يمكن. في الكثير من الحالات، يزداد خطأ القياس بازدياد طول الموجة المنبعثة، ولذلك يُفضل القياس عند أقصر طول موجة ممكنة.
- البلاستيك:
تختلف نفاذية البلاستيك باختلاف أطوال الموجات التي تدخله وطبعاً باختلاف سماكته، فالبلاستيك الرقيق له نفاذية أكبر من البلاستيك السميك.
للحصول على نتائج دقيقة يجب اختيار أطوال الموجات التي يكشفها المقياس بحيث تكون النفاذية قريبة من الصفر بغض النظر عن سماكة البلاستيك.
تبيّن أن كلاً من (البولي ايتيلين، البولي بروبيلين، النايلون، البولي ستيرين) تكون غير نافذة عند طول موجة 3.43 ميكرومتر. أمّا (البولي استر، البولي يوريثان، البولي أميد) فتكون غير نافذة عند طول موجة 7.9 ميكرومتر.
في حالة البلاستيك السميك أو الرقائق البلاستيكية الملوّنة: يُفضّل استعمال مقاييس تكشف أطوال موجات بين 8 و14 ميكرومتر.
■ ماذا تعني نسبة D:S؟
هي نسبة تحدّد قدرة مقياس IR على الابتعاد عن الهدف وذلك تبعاً لقطر الهدف.
كلما كان المقياس أبعد عن الهدف فستزداد مساحة البقعة التي تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء الواصلة إلى المقياس.
يرمز الحرف “D” إلى المسافة Distance التي يبعدها المقياس عن الهدف، أما الحرف “S” فيرمز إلى قطر البقعة الهدف Spot Size.
مثال: إذا كانت نسبة D:S تساوي 10:1 فهذا يعني أنه لا يمكننا الابتعاد أكثر من 50 سنتيمتر إذا كان قطر البقعة 5 سنتيمتر فقط.
■ الوسط المحيط:
قد يسأل أحدهم: لماذا لا تُصنع مقاييس IR بحيث تكشف أوسع مجال ممكن من الأشعة تحت الحمراء؟
بالإضافة إلى ما تمّ ذكره في فقرة “الانبعاثية” حول أطوال الموجات فإنّ للوسط المحيط دوراً رئيسياً في الإجابة عن هذا السؤال، فكيف ذلك؟
تمتص مكوّنات الوسط المحيط بعضاً من الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الهدف.
فمثلاً، تمتص بعض مكوّنات الجو (كبخار الماء وغاز ثنائي أوكسيد الكربون) الأشعة تحت الحمراء عند أطوال موجية محدّدة.
ولذلك يتم تصميم المقاييس بحيث تكشف الأشعة تحت الحمراء ضمن مجالات من أطوال الموجات لا تتضمّن تلك الأطوال التي يحدث عندها امتصاص المكوّنات السابقة الذكر.
يمكننا معرفة المجالات المثالية من المخطّط البياني، وهي: (1.1 إلى 1.7 ميكرومتر)، (2 إلى 2.5 ميكرومتر)، (3 إلى 5 ميكرومتر)، و(8 إلى 14 ميكرومتر).
عادة يتم تزويد مقاييس IR بفلاتر تصحيحية للحدّ من تأثير الوسط المحيط.
تذكّر:
- كلما ابتعد مقياس IR عن الهدف كان تأثير الوسط المُحيط أكبر.
- يجب الانتباه إلى المصادر الحرارية المحيطة بالهدف.
المصدر:
Resources for IR Technology and Noncontact Infrared Temperature Measurement. (n.d.). Raytek. Retrieved August 10, 2015, from http://www.raytek.com/Raytek/en-r0/IREducation
Basic Principles of Non-Contact Temperature Measurement. (n.d.). Optris. Retrieved August 10, 2015, from http://www.optris.com/applications?file=tl_files/pdf/Downloads/Zubehoer/IR-Basics.pdf
Dual Laser Infrared Thermometer eT650D. (July 23, 2015). EnnoLogic. Retrieved August 10, 2015, from http://ennologic.com/dual-laser-infrared-thermometer-et650d/
Infrared Energy, Emissivity, Reflection & Transmission. (n.d.). Williamson Corporation. Retrieved August 10, 2015, from http://www.deltat.com/pdf/Infrared%20Energy,%20Emissivity,%20Reflection%20%26%20Transmission.pdf
[/fusion_builder_column][/fusion_builder_row][/fusion_builder_container]
