Pomiar pirometrem
Podstawy teoretyczne.
Wszystkie materiały, których temperatura jest wyższa od 0 stopni Kelvina (-273 °C), emitują energię promieniowania podczerwonego.
Promieniowanie podczerwone jest formą promieniowania elektromagnetycznego, tak samo jak fale radiowe, mikrofale, ultrafiolet, światło, promienie rentgenowskie i
promieniowanie gama. Wszystkie te formy, które łącznie tworzą widmo elektromagnetyczne, są podobne w tym, że emitują energię w postaci fali
elektromagnetycznej rozchodzącej się z prędkością światła.
Główną różnicą między każdym pasmem jest ich długość fali, która odnosi się do energii którą fala przenosi.
Długość fal pasma promieniowania podczerwonego wynosi 0,78....1000µm. Są to fale dłuższe niż promieniowanie światła ale krótsze od fal radiowych.
Pasmo podczerwieni jest sklasyfikowane od bliskiej podczerwieni do dalekiej podczerwieni.
Optyka.
Ważnym parametrem użytkowym pirometru jest współczynnik optyczny (F), uzależniający średnicę pola pomiarowego (S) od odległości, z jakiej wykonywany jest
pomiar (D).
S = D/F
Oznacza to, że im wyższy współczynnik optyczny, tym mniejszego pola pomiarowego możemy się spodziewać wykonując pomiar z tej samej odległości. Ma to
szczególne znaczenie tam, gdzie powierzchnia, której temperaturę mierzymy nie jest jednorodna, a zależy nam na jak najdokładniejszym pomiarze.
Podany powyżej wzór dotyczy przyrządów z optyką standardową.
Dostępne są również na rynku przyrządy z optyką modyfikowaną, gdzie na pewnym dystansie od elementu pomiarowego średnica wiązki jest równa średnicy elementu
optycznego.
Ważną cechą użytkową jest celownik laserowy, służący do zaznaczenia na powierzchni okolicy pomiaru:
- jednopunktowy celownik na ogół trafia w środek pola pomiarowego, jednakże w niektórych modelach trafia raczej w górną lub dolną część pola pomiarowego.
- dwupunktowy celownik zaznacza górną i dolną krawędź pola pomiarowego
- celownik kształtowy, krzyżykowy lub kropkowy, zaznacza zarówno środek, jak i krawędzie pola pomiarowego.
Współczynnik emisyjności materiałów.
Promieniowanie podczerwone jest energią promieniowaną w wyniku ruchu atomów i molekuł na powierzchni obiektu, gdy temperatura obiektu jest powyżej zera
bezwzględnego.
Intensywność emisji jest funkcją temperatury materiału. Innymi słowami, im wyższa
temperatura, tym wyższa intensywność promieniowania emitowanej energii podczerwieni.
Oprócz emisji energii promieniowania, materiały także odbijają, absorbują i w niektórych
przypadkach także przepuszczają promieniowanie podczerwone. Gdy temperatura materiału jest taka jak jego otoczenia, ilość energii promieniowania absorbowanej
przez obiekt jest równa ilości energii emitowanej przez obiekt.
Rysunek powyżej trzy sposoby którymi promieniowana energia padająca na obiekt może być rozpraszana. Tymi sposobami rozpraszania są:
a = pochłanianie
t = przepuszczanie
r = odbicie
Ułamek całkowitej energii promieniowania, która jest powiązana z każdym z powyższych
sposobów rozpraszania, noszą nazwy pochłanialność (a), przepuszczalność (t) i współczynnik odbicia (r) ciała. Zgodnie z teorią zachowania energii, współczynnik
określający jak materiały odbijają, absorbują i przepuszczają energię promieniowania podczerwonego jest znany jako emisyjność materiału.
Emisyjność ciała jest zdefiniowana formalnie przez poniższy wzór jako stosunek energii promieniowania emitowanego przez ciało do energii promieniowania, która
mogłaby być wyemitowana przez ciało czarne w tej samej temperaturze.
e = Wo/ Wbb
gdzie,
Wo = całkowita energia promieniowana przez ciało w temperaturze T
Wbb = całkowita energia promieniowana przez ciało czarne w temperaturze T
Jeśli cała energia padająca na ciało jest absorbowana (brak przepuszczania i odbicia), pochłanialność wynosi dokładnie 1. W stałej temperaturze, cała zaabsorbowana
energia zostałaby wyemitowana (wypromieniowana), zatem emisyjność takiego ciała wynosiłaby dokładnie 1.
Dlatego dla ciała czarnego,
absorbcyjność = emisyjność = 1
>>Ciało czarne to teoretyczna powierzchnia, która pochłania i wypromieniowuje całą energię promieniowania, którą otrzymuje.
Nie odbija ani nie przepuszcza żadnej energii promieniowania. Idealne ciała czarne nie występują w przyrodzie.<<
Ciała spotykane w rzeczywistości nie zachowują się jak idealne, lecz są też jak to opisano odznaczają się przepuszczalnością i współczynnikiem odbicia,
absorbcyjność + przepuszczalność + wpółczynnik odbicia = 1
Chociaż ciało czarne jest tylko teoretycznym ideałem, można zbudować obiekt, który jest do niego zbliżony. Prawem ściśle odnoszącym się do ciała czarnego jest
prawo Kirchhoffa, które definiuje odbicie, przepuszczalność, pochłanianie i promieniowanie.
a = e = 1
Pochłanialność jest równa emisyjności, zatem emisyjność może być opisana za pomocą odbicia i przepuszczalności.
a + t + r = 1
Aby uzyskać rzeczywistą temperaturę obiektu, konieczne jest poznanie jego prawdziwej emisyjności. Dlatego emisyjność obiektu musi być zmierzona za pomocą
wzorca ciała czarnego, który jest zbliżony własnościami do ciała czarnego najbardziej jak to tylko możliwe. Dla pomiarów orientacyjnych można zastosować
współczynniki emisyjności materiałów publikowane w źródłach oraz przez producentów przyrządów pomiarowych wykorzystujących optyczne elementy pomiarowe.
Pirometry techniczne a pirometry do celów pomiaru temperatury ciała ludzkiego w kontekście wzrostu zapotrzebowania na szybką i bezkontaktową diagnostykę gorączki.
W okresie zagrożenia epidemicznego związanego z pandemią wirusa COVID-19 nadzwyczajnie wzrosło zainteresowanie bezkontaktowymi, odległościowymi metodami pomiaru temperatury. Co naturalne, wybuchł popyt na pirometry technicznie zaprojetowane do pomiaru temperatury powierzchni ciała z odległości 30-40cm, charakteryzujące się ponadto:
- zawężonym zakresem pomiarowym 30-50°C
- fabrycznie ustawionym współczynnikiem emisyjności =0,98
- brakiem celownika laserowego
- dopuszczalnym błędem pomiaru w granicach +/-0,3C
- współczynnikiem optycznym pozwalającym na pomiar temperatury w optymalnej wielkości pola pomiarowego, co pozwala na ograniczenie efektów nierównomierności rozkładu temperatury w polu pomiarowym.
Ponieważ pirometry "medyczne" w bardzo krótkim czasie stały się na rynku praktycznie niedostępne, spotykamy się często z próbami stosowania pirometrów technicznych w celów diagnostyki medycznej.
Nie zalecamy tego z paru powodów:
- pirometry techniczne klasy ekonomicznej najczęściej mają fabrycznie ustawiony współczynnik emisyjności =0,95 (czyli emisyjność ciała doskonale czarnego, przy której są wzorcowane i kalibrowane), co przy pomiarach powierzchni o emisyjności 0,98 lub innej, różnej od 0,95 może dać bliżej nieokreślony błąd pomiaru, zależnie od temperatury sięgający nawet 10-20°C
- pirometry klas technicznych posiadają dużo szerszy zakres pomiarowy, co oznacza większy niż dla przyrządów "medycznych" błąd podstawowy od 2-3°C w klasie użytkowej, nawet jeśli zastosujemy pirometr o ustawialnej emisyjności, umożliwiającej nastawę 0,98
- pirometry techniczne zwykle posiadają jedno- lub wielopunktowy celownik laserowy włączany ręcznie; w sytuacji sybkich, doraźnych pomiarów, może dojść do omyłkowego włączenia celownika skierowanego w stronę twarzy pacjenta, co może być szkodliwe dla siatkówki oka.
Można z niewielkim ryzykiem błędu stwierdzić, że w sytuacji konieczności bezkontaktowego pomiaru temperatury ciała znacznie dokładniejszym od pirometru technicznego może być nawet postawowa kamera termowizyjna o rozdzielczości wskazania temperatury 2°C
