מדידת טמפרטורה בטכנולוגיית אינפרא-רד

מד טמפרטורה אינפרא-רד

מדידת טמפרטורה בעזרת אינפרא-רד (תת-אדום) הופכת שכיחה יותר ויותר בשנים האחרונות.

היכולת למדוד טמפרטורה של אובייקט מסויים ללא צורך במגע ישיר איתו נדרשת ביישומים שונים בתעשייה ולאחרונה אנו נחשפים לטכנולוגיה הזו אפילו בחיים היומיומיים שלנו כאשר אנו נדרשים למדוד חום תוך כדי שמירה על מרחק אחד מהשני.

נשתמש במדי טמפ’ מרוחקים כאשר נרצה למדוד את טמפרטורת שטח הפנים של אובייקט מסויים (Surface), כאשר אנו רוצים להימנע במגע ישיר של אלמנט מדידה עם החומר הנמדד מסיבות סניטריות או סיבות אבטחה, כאשר האוייבקט הנמדד נמצא בתנועה ועוד מגוון יישומים, לדוגמא –

מדידת טמפרטורה של גליל מסתובב
מדידת טמפרטורה של לוח בארון חשמל
מדידת טמפרטורה של מזון בחדרי אוכל
מדידה טמפרטורה של אספלט על גבי מסוע

חיישני טמפ’ מסוג טרמוקפל או PT100 מוגבלים לשימוש ביישומים אלו, לכן מדי טמפ’ אינפרא רד יהיו נפוצים יותר בתעשיית המזון, זכוכית, מתכת, נייר חקלאות, פלסטיק ורפואה.

עיקרון פיזיקלי –

כל הגופים שהטמפ’ שלהם ממעל נקודת ה-0 האבסוטולי 0k/-273.15c, פולטים קרינת חום. ביישומים סטנדרטים ספקטרום הקרינה מורכב בעיקר מקרינת גלים אלקטרומגנטיים ארוכים שבתחום קרינת האינפרארד כלומר, קרינת חום של גלים אלקטרומגנטיים הגדולים מ 770 ממ. כל גוף בכדור הארץ פולט קרינת אינפרא-רד, בהתאם לטמפ’ שבו הוא מצוי, ככל שהטמפ’ גבוהה יותר, קרינה זו עולה גם כן.

מד טמפרטורה אינפרא-רד למעשה מודד את כמות קרינת האינפא-רד הנפלטת מהאובייקט הנדרש למדידה ולמעשה בעזרת רכיבים אלקטרוניים מקיים את המשוואה E=e*K*a*(T1-T2) , כאשר –

E = קרינה תרמית תת אדומה – קרינה הנפלטת מהאובייקט הנמדד, אותה אנו מודדים

e = קירון (emissivity) – ערך ידוע בין 0 ל1 של החומר ממנו עשוי האובייקט הנמדד

K = קבוע סטפן בולצמן – ערך קבוע

a = השטח הנמדד – נקבע על פי יחס אופטי של המכשיר, והמרחק בין האובייקט למדיד

T1 = טמפרטורת האובייקט הנמדד – נעלם אותו אנו מחפשים

T2 = טמפרטורת הסביבה נמדד על ידי תרמיסטור פנימי בחיישן

קירון (emissivity) –

קרינה תרמית נפלטת, משתקפת ומועברת מכל אוייבקט, כאשר אנו מבצעים מדידת טמפרטורה אנחנו רוצים להתייחס רק לקרינה הנפלטת מאותו גוף ולהתעלם מהקרינה המשתקפת והמועברת מהאובייקט.

קירון אם כן הוא היחס בין כמות הקרינה הכוללת שפולט גוף, לקרינה שפולט גוף שחור אידיאלי בעל אותה טמפרטורה. ערך הקירון יכול נוע בין 0 ל1, כאשר הקירון של גוף שחור אידיאלי הוא 1 מאחר וגוף שחור סופג ופולט באופן מושלם

כאשר הקירון קטן מ1 המשמעות היא שכמות מסוימת מהערך הנמדד אינה מייצגת את הקרינה התרמית הנפלטת מהאובייקט אלא את הקרינה המשתקפת או מועברת מהאובייקט.

גוף שחור פולט קרינה תרמית (אלקטרומגנטית) באופן התלוי אך ורק בטמפרטורה שלו, על פי חוק פלאנק.
ערך הקירון הוא קריטי למדידת טמפ’ בעזרת אינפר-רד, ערך לא נכון של קירון יגרום לשגיאה גדולה בטמפרטורה.

החיישן –

מדידת הקרינה התת אדומה מתבצעת בעזרת 2 סוגי חיישנים

Thermopile – חיישן הבנוי ממס’ טרמוקפלים המחוברים במקביל המורכבים על גבי צ’יפ סיליקוני (מוליך למחצה) אשר סופג את קרינת האינפרא-רד, הטרמוקפלים חשים בשינוי טמפ’ ועל ידי אפקט סיבק (Seebeck) מתפתח הפרש מתחים אשר ניתן לתרגם לערך חשמלי לקריאת טמפרטורה.

Photodiodes – היא דיודה המשמשת כגלאי אור, המסוגלת להפוך אור למתח או לזרם חשמלי. כאשר הדיודה מחוברת במעגל בממתח אחורי, תחת השפעת אור היוצר בה אפשרות של העברת זרם, היא מהווה התקן לגילוי האור ולמדידת עוצמתו. פוטודיודה דומה לדיודה ממוליך למחצה עם תוספת המאפשרת לגלות אור, על סגול וקרני רנטגן עם חשיפתה לקרינה או על ידי ממשק חלוני המאפשר לחברה לסיב אופטי.

Thermopile –

יחס אופטי –

שטח המדידה והמרחק ממנו הינם קריטים לדיוק מדידת טמפ’ בטכנולוגיית אינפרא-רד.

לכל מכשיר מדידה בטכנולוגיה זו ישנו יחס אופטי קבוע המתאר את גודל השטח הנמדד ביחס למרחק ממנו ממוקם מד הטמפרטורה.

למד טמפ’ למשל יש יחס של 120:1, אם נמדוד ממרחק של 1.5 מ’ מהאובייקט (1500 מ”מ), נמדוד שטח של 12.5 מ”מ קוטר (1500/120).

מגוון אופציות –

ישנם דגמים שונים של מדי טמפ’ בטכנולוגיית אינפרא-רד המתאימים ליישומים שונים.

דגמים לתחומי טמפרטורה שונים
דגמים לחומרים בעלי קירון נמוך או קירון הנדרש לשינוי
דגמים יציאת תקשורת
דגמים בעלי דיוק גבוהה
דגמים בעלי יחס אופטי מצומצם למדידת שטחים קטנים

לסיכום, כפי שניתן לראות, על אף שטכנולוגיית מדידת טמפ’ באינפרא-רד חדשה יחסית, ישנם מגוון רב של מכשירים ליישומים שונים ויש לבחור את המכשיר המתאים ליישום בקפידה ובמחשבה.

כחברה המתמחה במדידות טמפרטורה, באפשרותנו לייעץ, לבחור ולספק את הפתרון המתאים ביותר ליישום הנדרש, בשיתוף פעולה הדוק עם חברת CALEX מאנגליה לה מומחיות רבת שנים בנושא.