Na czym polega bezdotykowy pomiar temperatury?

Zaraz po czasie, temperatura jest prawdopodobnie najczęściej mierzoną wielkością fizyczną. Urządzenia do bezdotykowych pomiarów temperatury określają ją zgodnie z prawem promieniowania Plancka i Boltzmana, które mówi o emitowaniu promieniowania podczerwonego przez mierzoną powierzchnię. Ale jak właściwie działa bezdotykowa metoda pomiaru temperatury?

Każda ciało (obiekt) o temperaturze powyżej temperatury zera absolutnego (0 K czyli dokładnie-273,15°C), emituje poprzez swoją powierzchnię promieniowanie elektromagnetyczne, którego natężenie jest proporcjonalne do jego wewnętrznej temperatury. Częścią tej radiacji elektromagnetycznej jest promieniowanie, których długość zawiera się w paśmie podczerwieni (ok. kilkuset nanometrów do kilku (nastu) mikrometrów) – właśnie ta część wąskiego pasma jest wykorzystywana do prowadzenia pomiarów temperatury z wykorzystaniem pirometrów i kamer termowizyjnych.

Podczerwone fale elektromagnetyczne, emitowane przez obiekt, są uwalniane do otoczenia i mogą być w stosunkowo prosty sposób skupione na specjalnym detektorze (specjalnym elemencie elektronicznym, reagującym na określoną długość lub zakres długości fali), najczęściej z wykorzystaniem odpowiedniej soczewki. Element detektora generuje sygnał elektryczny, którego natężenie jest wprost proporcjonalne do siły promieniowania obiektu – a w efekcie, do jego temperatury.

Uzyskany w ten sposób sygnał jest następnie wzmacniany i przetwarzany cyfrowo, aby w efekcie uzyskać wskazanie urządzenia (pirometru lub kamery termowizyjnej) w postaci temperatury wyświetlanej na wyświetlaczu, w formie odpowiedniego sygnału analogowego (np. prądowego 4-20mA) lub cyfrowego.

Emisyjność ε (z greckiego: Epsilon) ma kluczowe, decydujące wręcz znaczenie na dokładność i wiarygodność uzyskanych pomiarów. Emisyjność określa zdolność do emitowania promieniowania podczerwonego przez obiekt do otoczenia i jest wyrażana jako stosunek rzeczywistej wartości promieniowania do teoretycznych wartości, uzyskanych w przypadku ciała doskonale czarnego.

Zgodnie z teorią przyjmuje się, że ciało doskonale czarne charakteryzuje się emisyjnością ε =1,00. W praktyce okazuje się jednak, że tylko kilka obiektów spełnia teoretyczne założenia ciała doskonale czarnego. Do kalibracji (wzorcowania) urządzeń pomiarowych wykorzystuje się z reguły specjalne piecyki z powierzchnią grzewczą, która charakteryzuje się emisyjnością na poziomie około ε=0,99.

Wiele obiektów charakteryzuje się stałą emisyjnością dla danej długości fali promieniowania podczerwonego, ale emituje znacznie mniej fal elektromagnetycznych niż ciała doskonale czarne – są to tzw. „ciała szare”. Obiekty, których emisyjność zależy zarówno od temperatury jak również od przedziału promieniowania podczerwonego w którym dokonywany jest pomiar (głownie metale), nazywane są promiennikami selektywnymi.

Brakująca część promieniowania jest kompensowana w obu przypadkach właśnie poprzez określenie emisyjności takiego obiektu. Podczas pomiaru temperatury powierzchni będącej promiennikiem selektywnym, należy zatem zwrócić szczególną uwagę na przedział długości fali promieniowania podczerwonego, w którym dokonywany jest pomiar – w przypadku metali wykorzystuje się przeważnie urządzenia krótkofalowe.

Warto wspomnieć też o tym, że detektor wbudowany np. w głowicę pirometryczną obiera fale elektromagnetyczne emitowane nie tylko przez powierzchnię mierzoną, ale również przez inne obiekty znajdujące się w jej otoczeniu (w formie fali odbitej), a w niektórych przypadkach, nawet promieniowanie przenikające przez materiał.

Więcej informacji na ten temat oraz szersze omówienie zagadnień teoretycznych, znajdziesz w poniższej broszurze: Podstawy bezdotykowego pomiaru temperatury.