مقياس حرارة بالأشعة تحت الحمراء

مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء هو مقياس حرارة يستنتج درجة الحرارة من جزء من الإشعاع الحراري ، والذي يُسمى أحيانًا إشعاع الجسم الأسود ، المنبعث من الجسم المراد قياسه. ^{[ 1 ] [ 2 ]} يُطلق عليها أحيانًا اسم مقاييس الحرارة الليزرية ، حيث يُستخدم الليزر للمساعدة في توجيه المقياس، أو مقاييس الحرارة غير التلامسية أو مسدسات قياس الحرارة ، لوصف قدرة الجهاز على قياس درجة الحرارة عن بُعد. بمعرفة كمية طاقة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الجسم ومعامل انبعاثه ، يمكن غالبًا تحديد درجة حرارة الجسم ضمن نطاق معين من درجة حرارته الفعلية. تُعد مقاييس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء نوعًا فرعيًا من الأجهزة المعروفة باسم "مقاييس الحرارة الإشعاعية". ^{[ 2 ]}

في بعض الأحيان، وخاصة بالقرب من درجات الحرارة المحيطة، قد تكون القراءات عرضة للخطأ بسبب انعكاس الإشعاع من جسم أكثر سخونة، أو بسبب افتراض خاطئ لمعامل الانبعاثية. ^{[ 2 ]}

يتألف التصميم أساسًا من عدسة لتركيز الإشعاع الحراري بالأشعة تحت الحمراء على كاشف ، يقوم بتحويل الطاقة الإشعاعية إلى إشارة كهربائية تُعرض بوحدات درجة الحرارة بعد تعديلها وفقًا لدرجة حرارة المحيط. يتيح ذلك قياس درجة الحرارة عن بُعد دون الحاجة إلى ملامسة الجسم المراد قياسه. يُعد مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء غير التلامسي مفيدًا لقياس درجة الحرارة في الحالات التي لا يمكن فيها استخدام المزدوجات الحرارية أو غيرها من المجسات، أو عندما لا تُنتج بيانات دقيقة لأسباب مختلفة. ^{[ 2 ]}

من بين الظروف النموذجية التي قد تحدث: عندما يكون الجسم المراد قياسه متحركًا؛ أو عندما يكون الجسم محاطًا بمجال كهرومغناطيسي ، كما هو الحال في التسخين بالحث ؛ أو عندما يكون الجسم موجودًا في فراغ أو جو متحكم فيه آخر؛ أو في التطبيقات التي تتطلب استجابة سريعة، أو عندما تكون درجة حرارة السطح الدقيقة مطلوبة، أو عندما تكون درجة حرارة الجسم أعلى من نقطة الاستخدام الموصى بها لأجهزة الاستشعار التلامسية، أو عندما يؤدي التلامس مع جهاز الاستشعار إلى إتلاف الجسم أو جهاز الاستشعار، أو إحداث تدرج حراري كبير على سطح الجسم.

تُستخدم مقاييس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء في العديد من وظائف مراقبة درجة الحرارة. ومن الأمثلة على ذلك: رصد السحب لتشغيل التلسكوبات عن بُعد، وفحص المعدات الميكانيكية أو الكهربائية للتأكد من درجة حرارتها ونقاطها الساخنة، وقياس درجة حرارة المرضى في المستشفيات دون لمسهم، وفحص درجة حرارة السخانات أو الأفران لأغراض المعايرة والتحكم، والكشف عن النقاط الساخنة في مكافحة الحرائق، ومراقبة المواد في عمليات التسخين أو التبريد، وقياس درجة حرارة البراكين. وفي أوقات تفشي الأمراض المسببة للحمى، مثل فيروس كورونا المسبب لمتلازمة الالتهاب الرئوي الحاد (سارس) ومرض فيروس إيبولا ، استُخدمت مقاييس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء لفحص المسافرين القادمين للتأكد من عدم إصابتهم بالحمى دون التسبب في انتقال العدوى بينهم. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

في عام 2020، عندما اجتاحت جائحة كوفيد-19 العالم، استُخدمت موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء لقياس درجة حرارة الأشخاص ومنعهم من دخول أماكن انتقال العدوى المحتملة إذا ظهرت عليهم علامات الحمى. وقد نشرت سلطات الصحة العامة، مثل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ، قواعد لضمان دقة مقاييس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء واتساق نتائجها. ^{[ 5 ]}

توجد أنواع عديدة من أجهزة استشعار درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء، سواء للاستخدام المحمول باليد أو كتركيبات ثابتة.

تتميز مقاييس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء بمواصفات تشمل الدقة والتغطية الزاوية. وقد تحتوي الأجهزة الأبسط على خطأ في القياس يبلغ حوالي ± 2 درجة مئوية (3.6 درجة فهرنهايت) .  

نسبة المسافة إلى البقعة (D:S) هي نسبة المسافة إلى سطح القياس إلى قطر منطقة قياس درجة الحرارة. على سبيل المثال، إذا كانت نسبة D:S هي 12:1، فإن قطر منطقة القياس يساوي 1/12 من المسافة إلى الجسم. يستطيع مقياس الحرارة ذو النسبة الأعلى D:S استشعار سطح أضيق وأكثر تحديدًا من مسافة أبعد مقارنةً بمقياس ذي نسبة أقل. يمكن لجهاز بنسبة 12:1 استشعار دائرة قطرها بوصة واحدة من مسافة قدم واحدة، بينما يحقق جهاز بنسبة 10:1 نفس الدائرة التي قطرها بوصة واحدة من مسافة 10 بوصات، ودائرة أوسع وأقل تحديدًا قطرها 1.2 بوصة من مسافة 12 بوصة.

ينبغي أن تكون مساحة الهدف المثالية ضعف حجم البقعة على الأقل عند تلك المسافة، ^{[ 6 ]} حيث تؤدي المساحات الأصغر نسبيًا إلى قياسات أقل دقة. لا ينبغي وضع مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء بالقرب من هدف ساخن، لأن هذا القرب قد يتسبب في تراكم الحرارة داخل غلاف المقياس وإتلاف المستشعر. يقل خطأ القياس عمومًا مع زيادة المسافة فقط بسبب تأثيرات الانعكاسية ووجود مصادر حرارة أخرى ضمن مجال رؤية المستشعر. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

وفقًا لقانون ستيفان-بولتزمان ، تتناسب القدرة الإشعاعية طرديًا مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة، لذلك عندما يحتوي سطح القياس على مناطق ساخنة وباردة، قد تكون درجة الحرارة المُشار إليها أعلى من متوسط ​​درجة الحرارة الفعلي، وأقرب إلى متوسط ​​القوة الرابعة . ^{[ 9 ]}

تتميز معظم الأسطح بانبعاثية عالية (تتجاوز 0.9 لمعظم الأسطح البيولوجية) ، وتعتمد معظم مقاييس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء على هذا الافتراض المبسط؛ ومع ذلك، فإن الأسطح العاكسة تتميز بانبعاثية أقل من الأسطح غير العاكسة. تحتوي بعض أجهزة الاستشعار على إعداد انبعاثية قابل للتعديل، والذي يمكن ضبطه لقياس درجة حرارة الأسطح العاكسة وغير العاكسة. يمكن استخدام مقياس حرارة غير قابل للتعديل لقياس درجة حرارة سطح عاكس عن طريق وضع طلاء أو شريط غير عاكس، مع بعض فقدان الدقة.

يمكن استخدام مستشعر ذي إعداد انبعاثية قابل للتعديل لمعايرة المستشعر لسطح معين أو لقياس انبعاثية سطح ما. عندما تكون درجة حرارة السطح معروفة بدقة (مثلاً عن طريق القياس بمقياس حرارة تلامسي)، يمكن ضبط إعداد انبعاثية المستشعر حتى تتطابق درجة الحرارة المقاسة بطريقة الأشعة تحت الحمراء مع درجة الحرارة المقاسة بطريقة التلامس؛ سيشير إعداد الانبعاثية إلى انبعاثية السطح، والتي يمكن أخذها في الاعتبار عند إجراء قياسات لاحقة لأسطح مماثلة (فقط).

أكثر أنواع مقاييس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء شيوعًا هو مقياس الحرارة النقطي بالأشعة تحت الحمراء ، والذي يقيس درجة الحرارة عند نقطة محددة على سطح ما (في الواقع، مساحة صغيرة نسبيًا تُحدد بنسبة القطر إلى السطح). عادةً ما يُسقط هذا النوع نقطة حمراء مرئية على مركز المنطقة المراد قياسها لتحديد هذه النقطة، ولكنها لا تُؤثر على عملية القياس نفسها. تختلف المساحة الزاوية الفعلية التي يتم قياسها باختلاف الأجهزة، ولا تقتصر على النقطة المرئية.

تشمل المعدات ذات الصلة، وإن لم تكن موازين حرارة بالمعنى الدقيق، أنظمة المسح بالأشعة تحت الحمراء وكاميرات التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء. تقوم أنظمة المسح بالأشعة تحت الحمراء بمسح مساحة أكبر، عادةً باستخدام ما يشبه مقياس حرارة موضعي موجه نحو مرآة دوارة. تُستخدم هذه الأجهزة على نطاق واسع في الصناعات التحويلية التي تعتمد على السيور الناقلة أو عمليات التصنيع على شكل "شبكة"، مثل ألواح الزجاج أو المعدن الكبيرة الخارجة من الفرن، أو الأقمشة والورق، أو أكوام المواد المتراكمة على طول سير ناقل. أما كاميرات التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء، فهي في الأساس موازين حرارة تعمل بالأشعة تحت الحمراء، وتقيس درجة الحرارة في نقاط متعددة على مساحة واسعة نسبيًا، لتكوين صورة ثنائية الأبعاد تُسمى مخططًا حراريًا ، حيث يمثل كل بكسل درجة حرارة معينة. تتطلب هذه التقنية موارد معالجة وبرامج أكثر من موازين الحرارة الموضعية أو الماسحة، وتُستخدم لمراقبة المساحات الكبيرة. تشمل التطبيقات النموذجية مراقبة المحيط التي يستخدمها الأفراد العسكريون أو الأمنيون، ومراقبة جودة عمليات التصنيع، ومراقبة النقاط الساخنة أو الباردة في المعدات أو الأماكن المغلقة لأغراض السلامة والصيانة الفعّالة.

تُسمى الكاميرا الفوتوغرافية التي تستخدم فيلمًا يعمل بالأشعة تحت الحمراء وعدسة مناسبة، وما إلى ذلك، "كاميرا الأشعة تحت الحمراء". وهي لا تلتقط سوى الأشعة تحت الحمراء القريبة، ولا تتأثر بالإشعاع الحراري المنبعث من الأجسام ذات درجة حرارة الغرفة .

• اللجنة الفرعية E20.02 التابعة للجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) والمعنية بقياس درجة الحرارة بالإشعاع
• مقياس الإشعاع الحراري
• مقياس الحرارة
• معادلة ساكوما-هاتوري
• كاميرا التصوير الحراري
• التصوير الحراري

• تجنب الأخطاء الشائعة التي قد تُعرّض برنامج الفحص بالأشعة تحت الحمراء للخطر