سنسور دمای غیر تماسی — از صفر تا صد

سنسور دمای غیر تماسی (Non-contact temperature sensor) یا ترمومتر مادون قرمز یکی از انواع سنسورهای دما به شمار می‌رود. در این مقاله از مجله پریسماتک قصد داریم به بررسی ساختار و اصول کار سنسورهای دمای غیر تماسی بپردازیم.

سنسور دمای غیر تماسی

تقریبا هر جسم با دمای بالای صفر مطلق از خود تشعشعات الکترومغناطیسی (فوتون یا نور) ساطع می‌کند. این ویژگی اندازه‌گیری دما با استفاده از آنالیز نور ساطع شده از جسم را میسر می‌کند. می‌توان با استفاده از قانون استفان بولتزمن (Stefan-Boltzmann Law) انرژی ساطع شده را محاسبه کرد. بر اساس این قانون، نرخ اتلاف گرما بر اثر انتشار تابش از یک جسم گرم متناسب با توان چهارم دمای مطلق است.

در رابطه فوق، نرخ اتلاف گرمای تشعشعی بر حسب وات، e فاکتور گسیلندگی یا ضریب نشر، σ ثابت استفان بولتزمن، A مساحت سطح، T دمای مطلق بر حسب کلوین است. بنابراین با استفاده از رابطه فوق می‌توان دمای یک جسم را به صورت غیر تماسی به دست آورد. مزیت مهم سنسور دمای غیر تماسی یا همان طور که در دماهای بسیار بالا گفته می‌شود، آذرسنجی (pyrometry)، واضح است. در این روش نیازی نیست که سنسور دما در تماس مستقیم با فرایند باشد. در گستره وسیعی از کاربردها استفاده از سایر انواع سنسورهای دما کاملا غیر عملی و ناممکن است. از طرف دیگر عیب سنسور دمای غیر تماسی هم این است که فقط دمای سطح یک جسم را اندازه می‌گیرد.

به عنوان مثال با اندازه‌گیری تشعشعات گرمایی گسیل شده از یک لوله فقط دمای سطح لوله به دست می‌آيد و دمای سیال درون لوله همچنان نامشخص باقی می‌ماند. مثالی دیگر مربوط به زمانی است که یک دکتر از دماسنجی غیر تماسی برای ارزیابی اختلالات دمایی در بدن استفاده می‌کند. در این حالت نیز دکتر فقط دمای پوست را تشخیص می‌دهد. ممکن است نقاط گرم در زیرسطح جسم نیز با این روش تشخیص داده شوند، اما دلیل آن فقط این است که دمای سطح را به عنوان نتیجه‌ای از نقاط گرم زیر آن در نظر می‌گیریم. اما اگر یک نقطه گرم‌تر از حد معمول درون یک جسم نتواند انرژی گرمایی کافی را به سطح جسم منتقل کند، آن نقطه از دسترس و دید سنسور دمای غیر تماسی پنهان می‌ماند. نکته جالب در مورد سنجش دمای غیر تماسی این است که قدمت این روش به اندازه قدمت تکنولوژی ترموکوپل است. می‌توان گفت اولین سنسور تماسی غیر مستقیم در سال ۱۸۹۲ ساخته شد.

پایرومتر متمرکزکننده (Concentrating pyrometer)

پایرومتر متمرکزکننده یکی از انواع سنسور دمای غیر تماسی است. در ساختار این سنسور، نور تابشی از سطح جسم داغ بر روی یک سنسور اندازه‌گیری دمای کوچک متمرکز می‌شود. افزایش دمای سنسور نشان دهنده شدت انرژی نوری مادون قرمز روی سنسور است. همان طور که گفتیم، این انرژی متناسب با دمای سطح جسم است. وجود توان چهارم در فرمول استفان بولتزمن به این معنی است که دو برابر کردن دمای مطلق یک جسم، منجر به ۱۶ برابر شدن انرژی تشعشعی متمرکز شده روی سنسور می‌شود. در نتیجه خروجی سنسور نیز ۱۶ برابر خواهد شد. به همین منوال، سه برابر شدن دمای مطلق جسم منجر به ۸۱ برابر شدن خروجی سنسور می‌شود.  این غیرخطی بودن شدید باعث محدود شدن کاربردهای عملی سنسور دمای غیر تماسی به بازه محدودی از دماهای هدف می‌شود که در آن‌ها به دقت بالایی نیاز داریم. در تصویر زیر ساختار دو نوع مختلف از سنسورهای دمای غیر تماسی نشان داده شده است. در نوع اول از یک لنز متمرکزکننده و در نوع دوم از یک آینه محدب برای متمرکز کردن تشعشعات روی سنسور استفاده شده است.

ترموکوپل اولین سنسور به کار رفته در پایرومتر غیر تماسی بود که هنوز هم در برخی ورژن‌های جدید این تکنولوژی یافت می‌شود. به این دلیل که سنسور به اندازه دمای جسم هدف داغ نمی‌شود، خروجی هر اتصال ترموکوپل در سنسور بسیار کوچک خواهد بود. به همین دلیل معمولا کارخانه سازنده از چندین ترموکوپل استفاده می‌کند که به صورت سری به هم متصل شده‌اند. به این ساختار ترموپیل (thermopile) گفته می‌شود و برای تولید سیگنال الکتریکی قوی‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد. ترموپیل در تصویر زیر نشان داده شده است.

در تصویر فوق، ولتاژ تمام اتصالات گرم (hot junctions) مانند ولتاژ اتصالات سرد با هم دیگر جمع می‌شوند. مانند تمام مدارات ترموکوپل، هر ولتاژ اتصال سرد مخالف ولتاژ اتصال گرم است. ترموپیل نشان داده شده در این مثال، دارای چهار اتصال گرم و چهار اتصال سرد است و اختلاف پتانسیل چهار برابر یک ترموکوپل با یک جفت اتصال سرد و گرم تولید می‌کند. زمانی که این ترموپیل به عنوان آشکارساز در یک سنسور دمای غیر تماسی مورد استفاده قرار می‌گیرد، ترموپیل به گونه‌ای تنظیم می‌شود که تمام نور متمرکز شده روی اتصال گرم بیفتد و اتصال سرد از نقطه کانونی دور باشد. در نتیجه ترموپیل مانند چند ترموکوپل عمل می‌کند و ولتاژ بیشتری را نسبت به یک ترموکوپل در شرایط یکسان دمایی تولید می‌کند.

یکی از طراحی‌های محبوب برای دماسنج غیر تماسی، Radiamatic نام دارد. در این طراحی جفت ترموکوپل‌ها در یک ساختار دایره‌ای چیده شده‌اند. تمام اتصالات گرم در مرکز دایره و در محل نقطه کانونی نور متمرکز و تمام اتصالات سرد روی محیط دایره و به دور از گرمای نقطه کانونی قرار داده می‌شوند. در جدول زیر رابطه بین دمای جسم هدف بر حسب کلوین و ولتاژ خروجی این طراحی از سنسور دمای غیر تماسی بر حسب میلی ولت آورده شده است. با توجه به این جدول، می‌توان به وجود رابطه توان چهار بین آن‌ها پی برد.

اگر به دقت بسیار بالایی احتیاج نداشته باشیم و بازه دمای اندازه‌گیری شده برای فرایند خیلی وسیع نباشد، می‌توانیم میلی ولت خروجی این سنسور را به صورت خطی تفسیر کنیم. زمانی که به این روش از سنسور استفاده کنیم، به سنسور دمای غیر تماسی ترموکوپل مادون قرمز (infrared thermocouple) نیز می‌گویند. در این حالت ولتاژ خروجی مستقیما به واحدهایی مانند ترانسمیتر یا کنترل‌کننده متصل می‌کنیم. ترموکوپل‌های مادون قرمز برای بازه کمی از دماها ساخته می‌شوند. ترموپیل‌های آن‌ها برای تولید سیگنال‌های میلی ولتی متناظر با نوع ترموکوپل استاندارد (T یا J یا K) در طول آن بازه طراحی می‌شوند.

تاثیر فاصله در سنسور دمای غیر تماسی

یکی از مشخصه‌های جالب و مفید سنسورهای دمای غیر تماسی این است که کالیبراسیون آن‌ها به فاصله بین سنسور و سطح جسم هدف بستگی ندارد. این نکته کاملا بر خلاف شهود ما درباره ایستادن در فاصله نزدیک یا دور از یک جسم گرم یا آتش است. پس چرا در سنسورهای دمای غیر تماسی با افزایش فاصله مقدار تشعشعات دریافتی تغییری نمی‌کند؟ البته این شرایط برای کار با سنسورهای دمای غیر تماسی بسیار مفید است. در ادامه به بررسی دلیل این پدیده می‌پردازیم.

آن‌چه در تجربه ایستادن در فواصل دور یا نزدیک از آتش اتفاق می‌افتد را می‌توان توسط قانون فیزیکی معکوس مربعات بیان کرد. بر اساس این قانون، شدت تشعشعات دریافت شده توسط یک جسم از یک منبع، متناسب با مربع فاصله بین منبع و دریافت‌کننده کاهش می‌یابد. بر اساس این قانون، هرگاه فاصله بین ما و آتش دو برابر شود، مقدار تشعشع مادون قرمز دریافتی توسط ما چهار برابر کاهش می‌یابد. به همین ترتیب اگر فاصله سه برابر شود، شدت تشعشع دریافتی نه برابر کم می‌شود.

اگر یک سنسور را در سه فاصله مختلف X، 2X و 3X قرار دهیم، مقدار تشعشع دریافتی توسط سنسور به ترتیب ۱۰۰٪ ، ۲۵٪ و ۱۱.۱٪ خواهد بود. این یک قانون فیزیکی است که برای انواع مختلف تشعشعات صادق است. شار تشعشات یک منبع در خطوط مستقیم منتشر می‌شوند و همچنین گسیل با نرخی اتفاق می‌افتد که با مربع فاصله متناسب است. تمثیلی از این شرایط، باد کردن بادکنک است که در هر لحظه مساحت سطح آن با مربع شعاعش متناسب است. به طریق مشابه، شار تشعشات گسیل شده از منبع در تمام جهات به صورت خطوط مستقیم است و مقدار کل سطح دریافت‌کننده با مربع فاصله متناسب است. دقیقا به همین دلیل است که مقدار کلی شار اندازه‌گیری شده به عنوان یک کره با تغییر فاصله دچار تغییر نمی‌شود. زیرا هرقدر فاصله افزایش یابد، سطح دریافت‌کننده اشعه با مربع فاصله بیشتر می‌شود. هر جسم با سطح مقطع ثابت با دورتر شدن از منبع تشعشع، کسر کمتر و کمتری از شار را دریافت می‌کند.

بر اساس مطالب فوق، اگر سنسور دمای غیر تماسی به منبع گسیل تشعشع نگاه می‌کرد، سیگنال آن هم با افزایش فاصله کاهش می یافت. اما نکته قابل توجه و متمایز‌کننده در مورد این سنسورها این است که  آن‌ها ابزارهای نوری متمرکز (focused-optic) هستند که میدان دید معینی دارند. این میدان دید همیشه باید به صورت کامل توسط شی هدف پر شود. با تغییر فاصله بین پایرومتر و جسم مورد نظر، میدان دید مخروطی شکل سطحی را در آن جسم متناسب با مجذور فاصله پوشش می‌دهد. مثلا عقب‌نشینی تا سه برابر فاصله، میدان دید را 9 برابر افزایش می‌دهد. این مفهوم در تصویر زیر نشان داده شده است.

بنابراین، اگرچه بر اساس قانون معکوس مربعات شدت تشعشات دریافتی از جسم داغ کاهش می‌یابد، اما این تضعیف با افزایش میدان دید سنسور دما جبران می‌شود. با دو برابر کردن فاصله بین سنسور و منبع شدت تشعشعات منتشر شده از جسم را یک چهارم می‌کند، اما سنسور دمای غیر تماسی در این حالت دارای میدان دید چهار برابر بیشتر از حالت قبل می‌شود. به دلیل این جبران‌سازی است که افزایش فاصله هیچ تاثیری در دمای اندازه‌گیری شده توسط سنسور ندارد.

نکته دیگری که باید به آن توجه کنیم این است که اگر میدان دید سنسور افزایش یابد و جسم دیگری نیز در میدان دید سنسور دمای غیر تماسی قرار گیرد، باعث ایجاد خطا در مقدار اندازه‌گیری‌شده می‌شود. در این حالت سنسور یک میانگین وزن‌دار از دمای تمام اجسام درون میدان دیدش تولید می‌کند. بنابراین مهم است که میدان دید سنسور را فقط به جسمی که قصد سنجش دمایش را داریم، محدود کنیم.

میدان دید سنسور دمای غیر تماسی معمولا بر حسب زاویه یا نرخ فاصله و یا هر دو مورد مشخص می‌شود. به عنوان مثال، تصویر زیر یک سنسور دمای غیر تماسی با میدان دید ۵:۱ یا ۱۱ درجه را نشان می‌دهد.

رابطه ریاضی بین زاویه دید θ و نرخ فاصله D/d به صورت زیر است:

قابلیت تشعشع (Emissivity)

علاوه بر داشتن ذات غیرخطی، شاید مهم‌ترین اشکال سنسورهای دمای غیر تماسی نادقیق بودن آن‌ها باشد. فاکتور گسیلندگی یا قابلیت تشعشع e در معادله استفان بولتزمن با جنس ماده تغییر می‌کند. اما علاوه بر آن فاکتورهای دیگری مانند جلای سطح، شکل و … نیز بر آن تاثیر می‌گذارند. تمام این موارد بر مقدار تشعشعی که توسط سنسور از جسم گرم دریافت می‌شود تاثیرگذار هستند. به همین دلیل گسیلندگی راه حل عملی برای سنجش صحت یک پایرومتر غیر تماسی نیست. در عوض، یک مولفه جامع‌تر برای قابلیت اندازه‌گیری نوری حرارتی (thermal-optical measurability)، شدت نشر (emittance) است.

یک ساطع‌کننده ایده‌آل تشعشعات حرارتی را جسم سیاه (blackbody) می‌گویند. شدت نشر برای یک جسم سیاه برابر با یک در نظر گرفته می‌شود. بنابراین شدت نشر برای هر جسم دیگری مقداری کمتر از یک و بزرگتر از صفر خواهد بود. تنها راه برای دانستن شدت نشر یک جسم، سنجش تشعشع حرارتی جسم در یک دمای خاص است. در این حالت فرض می‌کنیم که می‌توانیم دمای جسم را با تماس مستقیم بسنجیم که البته خلاف هدف اصلی سنسور غیر تماسی است. اما توجه کنید که فقط یک بار این کار را برای به دست آوردن مقدار شدت نشر یک جسم انجام می‌دهیم. سپس سنسور دمای غیر تماسی را برای شدت نشر مخصوص آن شی کالیبره می‌کنیم تا در آینده بدون تماس مستقیم دمای جسم را بسنجیم.

علاوه بر مشکل گسیلندگی، مشکل دیگری که در سنسورهای دمای غیر تماسی وجود دارد، توانایی اشیا در بازتاب و انتقال تشعشعات سایر اجسام محیط است. سنجش دمای یک آینه یا گاز یا مایعات شفاف نمونه‌ای از چنین شرایطی است که این مواد تشعشعات سایر اشیای محیط را هم بازتاب می‌دهند و صحت اندازه‌گیری پایین می‌آید. اما سنسورهای دمای غیر تماسی همچنان در کاربردهای صنعتی خاص بسیار پرکاربرد هستند، جایی که سایر سنسورهای دما نتوانند مورد استفاده قرار گیرند.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:

سنسور RTD چیست و چگونه کار می‌کند؟

سنسور دمای غیر تماسی — از صفر تا صد

ترمیستور چیست؟

ترانسمیتر فشار یا پرشر ترانسمیتر

ابزار دقیق پنوماتیک — به زبان ساده

ترموول (Thermowell) ــ انواع مختلف، تعیین طول و نحوه نصب

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها

منبع