مقياس الحرارة

مقياس الإشعاع الحراري ، أو مقياس الحرارة الإشعاعي ، هو نوع من مقاييس الحرارة التي تعمل عن بُعد ، ويُستخدم لقياس درجة حرارة الأجسام البعيدة. وقد وُجدت أشكال مختلفة من مقاييس الإشعاع الحراري عبر التاريخ. أما في الاستخدام الحديث، فهو جهاز يُحدد درجة حرارة سطح ما عن بُعد من خلال كمية الإشعاع الحراري الذي يُصدره، وهي عملية تُعرف باسم قياس الإشعاع الحراري ، وهو نوع من أنواع قياس الإشعاع .

كلمة "بيرومتر" مشتقة من الكلمة اليونانية "πῦρ" ( pyr ) التي تعني النار، وكلمة " meter" التي تعني القياس. وقد صِيغ مصطلح "بيرومتر" في الأصل للدلالة على جهاز قادر على قياس درجة حرارة جسم ما عن طريق توهجه ، أي الضوء المرئي المنبعث من جسم ساخن بدرجة حرارة عالية تصل إلى الاحمرار. ^{[ 1 ]} كما يمكن لمقاييس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء قياس درجة حرارة الأجسام الباردة، وصولاً إلى درجة حرارة الغرفة، عن طريق رصد تدفق إشعاعها بالأشعة تحت الحمراء. وتتوفر البيرومترات الحديثة لمجموعة واسعة من الأطوال الموجية، وتُعرف عمومًا باسم مقاييس الحرارة الإشعاعية . ^{[ 2 ]}

يعتمد البيرومتر على مبدأ أن شدة الضوء الذي يستقبله الراصد تعتمد على بُعد الراصد عن المصدر ودرجة حرارة المصدر البعيد. يتكون البيرومتر الحديث من نظام بصري وكاشف. يقوم النظام البصري بتركيز الإشعاع الحراري على الكاشف. ترتبط إشارة خرج الكاشف (درجة الحرارة T ) بالإشعاع الحراري أو شدة الإشعاع.${\displaystyle j^{\star }}$من خلال قانون ستيفان-بولتزمان ، ثابت التناسب σ، المسمى ثابت ستيفان-بولتزمان، وانبعاثية الجسم ε:

${\displaystyle j^{\star }=\varepsilon \sigma T^{4}.}$

تُستخدم هذه المخرجات لاستنتاج درجة حرارة الجسم من مسافة بعيدة، دون الحاجة إلى أن يكون مقياس الحرارة على اتصال حراري مع الجسم؛ يتم وضع معظم مقاييس الحرارة الأخرى (مثل المزدوجات الحرارية وأجهزة الكشف عن درجة الحرارة المقاومة (RTDs)) على اتصال حراري مع الجسم ويُسمح لها بالوصول إلى التوازن الحراري .

تُشكل قياسات الإشعاع الحراري للغازات تحدياتٍ عديدة، ويتم التغلب عليها عادةً باستخدام قياس الإشعاع الحراري بالخيوط الرقيقة أو قياس الإشعاع الحراري بالسخام . وتعتمد كلتا التقنيتين على وضع مواد صلبة صغيرة على اتصال مباشر مع الغازات الساخنة.

صاغ مصطلح "مقياس الحرارة" في ثلاثينيات القرن الثامن عشر بيتر فان موشنبروك ، المعروف أكثر باختراع جرة ليدن . ويمكن تسمية جهازه، الذي لم يُعرف أي نماذج باقية منه، الآن بمقياس التمدد الحراري لأنه كان يقيس تمدد قضيب معدني. ^{[ 3 ]}

يُعدّ مقياس حرارة هيندلي، المحفوظ في متحف العلوم بلندن ، أقدم مثال معروف لمقياس حرارة، ويعود تاريخه إلى عام 1752، وقد صُنع للمجموعة الملكية. كان مقياس الحرارة أداةً معروفةً لدرجة أن عالم الرياضيات أويلر وصفه بتفصيلٍ ما عام 1760. ^{[ 4 ]}

في حوالي عام ١٧٨٢، اخترع الخزّاف جوزيا ويدجوود نوعًا مختلفًا من البيرومتر (أو بالأحرى جهاز قياس الحرارة بالحرارة ) لقياس درجة الحرارة في أفرانِه، ^{[ ٥ ]} حيث قارن في البداية لون الطين المحروق في درجات حرارة معروفة، ثم جرى تطويره لاحقًا لقياس انكماش قطع الطين، والذي يعتمد على درجة حرارة الفرن (انظر مقياس ويدجوود لمزيد من التفاصيل). ^{[ ٦ ]} واستخدمت نماذج لاحقة تمدد قضيب معدني. ^{[ ٧ ]}

في الفترة ما بين عامي 1860 و1870، قام الأخوان ويليام وفيرنر سيمنز بتطوير مقياس حرارة مقاومة البلاتين ، في البداية لقياس درجة الحرارة في الكابلات تحت سطح البحر، ولكن تم تعديله لاحقًا لقياس درجات الحرارة في علم المعادن حتى 1000  درجة مئوية، ومن ثم استحق اسم مقياس الحرارة .

في حوالي عام 1890، قام هنري لويس لو شاتيليه بتطوير مقياس الحرارة الكهروحراري . ^{[ 8 ]}

صُنع أول مقياس حرارة ضوئي ذو خيط متلاشٍ  على يد ل. هولبورن وف.  كورلبوم عام ١٩٠١. ^{[ ٩ ]} كان هذا الجهاز يحتوي على خيط كهربائي رفيع بين عين الراصد وجسم متوهج. كان التيار المار في الخيط يُعدّل حتى يصبح لونه (وبالتالي درجة حرارته) مماثلاً للون الجسم، ثم يختفي عن الأنظار؛ وقد تمت معايرته بحيث يمكن استنتاج درجة الحرارة من التيار. ^{[ ١٠ ]}

تعتمد درجة الحرارة التي يقيسها مقياس الإشعاع الحراري ذو الخيط المتلاشي، وغيره من المقاييس المماثلة التي تُسمى مقاييس الإشعاع الحراري السطوعية، على معامل انبعاثية الجسم. ومع ازدياد استخدام مقاييس الإشعاع الحراري السطوعية، اتضح وجود مشاكل في الاعتماد على معرفة قيمة معامل الانبعاثية. فقد وُجد أن معامل الانبعاثية يتغير، غالبًا بشكل جذري، بتغير خشونة السطح، وتركيب المادة (السطح والكتلة)، وحتى درجة الحرارة نفسها. ^{[ 11 ]}

للتغلب على هذه الصعوبات، طُوِّر مقياس الإشعاع النسبي أو ثنائي اللون . يعتمد هذا المقياس على حقيقة أن قانون بلانك ، الذي يربط درجة الحرارة بشدة الإشعاع المنبعث عند أطوال موجية محددة، يُمكن حله لإيجاد درجة الحرارة بقسمة شدة الإشعاع عند طولين موجيين مختلفين. يفترض هذا الحل أن معامل الانبعاث متساوٍ عند كلا الطولين الموجيين ^{[ 10 ]} ، وبالتالي يُلغى عند القسمة. يُعرف هذا بافتراض الجسم الرمادي . يتكون مقياس الإشعاع النسبي أساسًا من مقياسين للسطوع في جهاز واحد. طُوِّرت مبادئ تشغيل مقياس الإشعاع النسبي في عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين، وأصبحت هذه الأجهزة متاحة تجاريًا في عام 1939. ^{[ 9 ]}

مع شيوع استخدام مقياس الإشعاع النسبي، تبيّن أن العديد من المواد، كالمعادن مثلاً، لا تمتلك نفس الانبعاثية عند طولين موجيين. ^{[ 12 ]} بالنسبة لهذه المواد، لا تُلغى الانبعاثية، ما يؤدي إلى خطأ في قياس درجة الحرارة. يعتمد مقدار الخطأ على الانبعاثية والأطوال الموجية المستخدمة في القياس. ^{[ 10 ]} لا تستطيع مقاييس الإشعاع النسبي ثنائية اللون تحديد ما إذا كانت انبعاثية المادة تعتمد على الطول الموجي.

لتحسين دقة قياس درجة حرارة الأجسام الحقيقية ذات الانبعاثية غير المعروفة أو المتغيرة، تم ابتكار مقاييس الإشعاع متعددة الأطوال الموجية في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا ، ووُصفت في عام 1992. ^{[ 9 ]} تستخدم هذه المقاييس ثلاثة أطوال موجية أو أكثر، بالإضافة إلى معالجة رياضية للنتائج، لمحاولة تحقيق قياس دقيق لدرجة الحرارة حتى في حال كانت الانبعاثية غير معروفة أو متغيرة أو تختلف باختلاف طول موجة القياس. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

تُعدّ أجهزة قياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء مناسبة بشكل خاص لقياس الأجسام المتحركة أو أي أسطح لا يمكن الوصول إليها أو لمسها. وتُعدّ أجهزة قياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء متعددة الأطياف الحديثة مناسبة لقياس درجات الحرارة العالية داخل غرف احتراق محركات التوربينات الغازية بدقة عالية. ^{[ 13 ]}

تُعدّ درجة الحرارة عاملاً أساسياً في عمليات أفران المعادن . ويُعدّ قياس درجة حرارة المعدن بدقة وبشكل مستمر أمراً بالغ الأهمية للتحكم الفعال في العملية. إذ يُمكن من خلاله زيادة معدلات الصهر إلى أقصى حد، وإنتاج الخبث عند درجة الحرارة المثلى، وتقليل استهلاك الوقود إلى أدنى حد، وإطالة عمر المواد الحرارية. وكانت المزدوجات الحرارية تُستخدم تقليدياً لهذا الغرض، إلا أنها غير مناسبة للقياس المستمر لأنها تنصهر وتتلف.

تعمل أفران حمام الملح عند درجات حرارة تصل إلى 1300  درجة مئوية، وتُستخدم في المعالجة الحرارية . عند درجات حرارة التشغيل العالية جدًا، ومع انتقال الحرارة المكثف بين الملح المنصهر والفولاذ المراد معالجته، تُحافظ على الدقة من خلال قياس درجة حرارة الملح المنصهر. وتنتج معظم الأخطاء عن الخبث المتراكم على السطح، والذي يكون أبرد من حمام الملح. ^{[ 14 ]}

مقياس الحرارة ذو الفوهة هو أداة بصرية لقياس درجة الحرارة من خلال الفوهات ، والتي تستخدم عادة لتغذية الهواء أو المواد المتفاعلة في حمام الفرن.

قد يتم تزويد غلاية البخار بجهاز قياس الحرارة لقياس درجة حرارة البخار في جهاز التسخين الفائق .

تم تجهيز منطاد الهواء الساخن بجهاز قياس الحرارة لقياس درجة الحرارة في الجزء العلوي من الغلاف من أجل منع ارتفاع درجة حرارة القماش.

يمكن تركيب أجهزة قياس درجة الحرارة الإشعاعية على محركات التوربينات الغازية التجريبية لقياس درجة حرارة سطح شفرات التوربين. ويمكن ربط هذه الأجهزة بمقياس سرعة الدوران لربط قراءة جهاز قياس درجة الحرارة الإشعاعية بموضع شفرة التوربين . ويتيح التوقيت، بالإضافة إلى مشفر الموضع الشعاعي، للمهندسين تحديد درجة الحرارة بدقة عند نقاط محددة على الشفرات أثناء مرورها أمام المجس.

• الأثيروسكوب
• مقياس حرارة بالأشعة تحت الحمراء
• مقياس الشم
• التصوير الحراري

• براءة اختراع مقياس الحرارة ذي الفوهة
• مقاييس الإشعاع الحراري بالأشعة تحت الحمراء والإشعاع
• براءة اختراع مقياس حرارة متعدد الأطوال الموجية
• مقياس حرارة بصري