التصوير الحراري / قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء: النظرية والتطبيق

يعد قياس درجة الحرارة غير الملامسة باستخدام جهاز تصوير حراري ضروريًا للعديد من التطبيقات. إذا اتبعت بعض القواعد الأساسية ، فيمكنك الآن استخدام قياس الأشعة تحت الحمراء بشكل أكثر فعالية. تعرف على المزيد حول أهم الأسس النظرية للتصوير الحراري. واستمتع بالنصائح المفيدة لعملك اليومي باستخدام جهاز التصوير الحراري.

قياس الجسم

1. المادة والانبعاثية

تقيس الكاميرا الحرارية الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الطويل المنبعثة من الجسم. تعتمد شدة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة (بواسطة الكائن نفسه) على سطح المادة.

ملاحظة: كل سطح له انبعاثية معينة.

2. اللون

لا يؤثر لون السطح بشكل كبير على الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الطويل المنبعثة من كائن القياس. إنها درجة الحرارة الحاسمة. ينبعث المبرد المطلي بالورنيش الأسود ، على سبيل المثال ، الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الطويل المطابق لرادياتير مطلي باللون الأبيض عند نفس درجة الحرارة.

ملاحظة: نادرًا ما يلعب لون السطح دورًا.

3. سطح كائن القياس

تلعب خصائص سطح الكائن المقاس دورًا حاسمًا في التصوير الحراري. وذلك لأن انبعاثية السطح تتغير اعتمادًا على بنية السطح والقاذورات والطلاء.

• بنية السطح

الأسطح الملساء ، اللامعة ، العاكسة و / أو المصقولة لها انبعاثية أقل قليلاً من الأسطح غير اللامعة ، المهيكلة ، الخام ، المجوَّفة و / أو المخدوشة من نفس المادة.

يرجى ملاحظة ما يلي: انتبه بشكل خاص لوجود مصادر الإشعاع المحتملة في البيئة (مثل الشمس والسخانات وما إلى ذلك) عند القياس على الأسطح الملساء.

• الرطوبة والثلج والصقيع على السطح

تتمتع المياه والثلج والصقيع بانبعاثات عالية نسبيًا (حوالي 0.85

ملاحظة: تجنب ، إن أمكن ، إجراء القياسات على الأسطح المبللة أو الأسطح المغطاة بالثلج أو الصقيع.

• التلوث والأجسام الغريبة على السطح

الأوساخ أو الأجسام الغريبة ، مثل الغبار أو السخام أو زيت التشحيم ، على سطح الجسم الذي يتم قياسه بشكل عام تزيد من انبعاث السطح. لذلك ، لا يمثل قياس الأشياء المتسخة مشكلة في العادة. ومع ذلك ، لا يزال جهاز التصوير الحراري الخاص بك يقيس درجة حرارة السطح ، أي درجة حرارة الأوساخ وليس درجة الحرارة الدقيقة لسطح الجسم المقاسة تحته.

ملحوظة: تجنب أخذ القياسات على الأسطح التي بها جزيئات على السطح (درجات الحرارة مشوهة بالجيوب الهوائية).

بيئة القياس

1. درجة الحرارة المحيطة

لكي يقيس جهاز التصوير الحراري درجة حرارة السطح بشكل صحيح ، يجب مراعاة درجة الحرارة المنعكسة (RTC) بالإضافة إلى إعداد الانبعاث (ε).

في العديد من تطبيقات القياس ، تتوافق درجة الحرارة المنعكسة مع درجة الحرارة المحيطة.

يعد الضبط الدقيق للانبعاثية مهمًا عندما تكون الاختلافات في درجة الحرارة بين الكائن المقاس وبيئة القياس كبيرة.

2. مصادر إشعاعية وطفيلية

كل جسم تتجاوز درجة حرارته الصفر المطلق (0 كلفن = 273.15 درجة مئوية) يصدر أشعة تحت الحمراء. يمكن للأجسام ذات الاختلاف الكبير في درجة الحرارة عن درجة حرارة الجسم المقاس أن تؤثر على قياسات الأشعة تحت الحمراء بسبب إشعاعها. يجب تجنب هذا التداخل أو إيقافه ، إن أمكن.

اعزل مصادر التداخل ، مثل القماش أو الكرتون.

يمكنك قياس الإشعاع المنعكس ، على سبيل المثال ، باستخدام عاكس لامبرتي مع جهاز التصوير الحراري.

3. الأحوال الجوية

• غيوم

توفر السماء الملبدة بالغيوم الظروف المثالية لإجراء قياسات الأشعة تحت الحمراء في الخارج. السبب: جهاز القياس محمي من أشعة الشمس و "إشعاع السماء الباردة".

• ترسب

تتمتع المياه والجليد والثلج بانبعاثات عالية وهي غير منفذة للأشعة تحت الحمراء. يمكن أن يتسبب قياس الأجسام الرطبة أيضًا في حدوث أخطاء في القياس لأن سطح الجسم المقاس يبرد مع التبخر.

ملاحظة: هطول الأمطار الغزيرة (المطر والثلج) يمكن أن يشوه نتائج القياس.

4. رطوبة الهواء / الهواء

عندما تصبح العدسة (أو الزجاج الواقي) لجهاز التصوير الحراري ضبابًا بسبب الرطوبة النسبية العالية في الهواء ، لا يمكن استقبال جميع الأشعة تحت الحمراء. يمنع الماء وصول جميع الإشعاع إلى عدسة كاميرا الأشعة تحت الحمراء. يمكن أن يؤثر الضباب شديد الكثافة أيضًا على القياس ؛ في الواقع ، تسمح قطرات الماء في خط النقل بمرور أقل من الأشعة تحت الحمراء.

ملاحظة: انتبه إلى الرطوبة النسبية المنخفضة للهواء في بيئة القياس. سيمنع هذا التكثف في الهواء (الضباب) ، على الجسم المراد قياسه ، على الزجاج الواقي أو عدسة التصوير الحراري.

• تيارات الهواء

بسبب التبادل الحراري (الحمل الحراري) ، يكون للهواء القريب من السطح نفس درجة حرارة الجسم الذي يتم قياسه. الرياح أو التيارات الهوائية "تحرك" هذه الطبقة من الهواء وتوجد في هذا المكان طبقة جديدة من الهواء لم تتكيف مع درجة حرارة الجسم المقاس. يمتص الحمل الحراري من أجسام القياس الساخنة ويوفر الحرارة لأجسام القياس الباردة حتى يتم تنسيق درجة حرارة الهواء ودرجة حرارة سطح جسم القياس. يزداد تأثير التبادل الحراري كدالة لاختلاف درجة الحرارة بين سطح جسم القياس ودرجة الحرارة المحيطة.

ملاحظة: يمكن أن تؤثر تيارات الهواء أو الرياح في الغرفة على قياس درجة الحرارة باستخدام كاميرا حرارية.

• تلوث الغلاف الجوي

بعض المواد المعلقة مثل الغبار والسخام والدخان وبعض الأبخرة لها انبعاثية عالية ونفاذية منخفضة. هذا يعني أنها يمكن أن تتداخل مع القياسات لأنها تصدر بنفسها الأشعة تحت الحمراء ، والتي تدركها الكاميرا الحرارية أيضًا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تخترق الأشعة تحت الحمراء من الجسم المقاس جزئيًا فقط إلى الكاميرا الحرارية لأنها مشتتة وتمتص بواسطة المادة المعلقة.

5. الضوء

لا يلعب الضوء أو الإضاءة دورًا مهمًا عند القياس باستخدام جهاز تصوير حراري. يمكن أيضًا إجراء القياسات في الظلام لأن الكاميرات الحرارية تقيس الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الطويل. ومع ذلك ، فإن بعض مصادر الضوء نفسها تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء الحرارية ، وبالتالي يمكن أن تؤثر على درجة حرارة الأشياء في بيئتها.

لذلك ، لا تأخذ القياسات في ضوء الشمس المباشر أو بالقرب من لمبة ساخنة.

مصادر الضوء البارد ، مثل مصابيح LED أو أنابيب النيون ، ليست حرجة: فهي تحول معظم الطاقة المستخدمة إلى ضوء مرئي ، وليس أشعة تحت حمراء.

السمات الخاصة للقياسات الحرارية في الهواء الطلق

يطلق على الأشعة تحت الحمراء من سماء صافية ، في لغة شائعة ، "إشعاع السماء الباردة". عندما تكون السماء صافية ، ينعكس "إشعاع السماء البارد" (~ -50 ... -60 درجة مئوية) وأشعة الشمس الحارقة (~ 5500 درجة مئوية) طوال اليوم. سطح السماء اكبر من الشمس. لذلك غالبًا ما تكون درجة الحرارة المنعكسة أقل من 0 درجة مئوية أثناء القياسات الحرارية الخارجية ، حتى عندما تكون الشمس مشرقة. في الشمس ، تسخن الأجسام بسبب امتصاص الإشعاع الشمسي. من الواضح أن هذا يؤثر على درجة حرارة السطح - حتى عدة ساعات بعد الإشعاع الشمسي.

نصائح وحيل للقياسات الحرارية في الهواء الطلق

• خذ القياسات في الصباح الباكر و / أو عندما تكون السماء ملبدة بالغيوم الشديد. ومع ذلك ، تجنب المطر أو الثلج. كما أن الضباب أو الرياح القوية غير مواتية.
• غيّر وضعك أثناء القياس لتحديد الانعكاسات. تتحرك الانعكاسات ، وتبقى الخصائص الحرارية لجسم القياس في نفس المكان - حتى لو تغيرت زاوية الرؤية.
• تجنب القياسات بالقرب من أجسام شديدة الحرارة أو شديدة البرودة أو اعزلها.
• تجنب أشعة الشمس المباشرة ، حتى قبل ساعات قليلة من القياس. لاحظ أيضًا الغطاء السحابي قبل ساعات قليلة من القياس.
• لا تأخذ قياسات إذا تكثف رطوبة الهواء على جهاز التصوير الحراري.
• لا تقم بإجراء قياسات عندما يكون الهواء شديد التلوث (على سبيل المثال عندما يكون الغبار قد تم رفعه للتو).

الأسس النظرية للتصوير الحراري

تعرف على المزيد حول الأساسيات الفيزيائية للتصوير الحراري في برنامجنا التعليمي المضغوط. ستمنحك هذه المعرفة السبق ، على سبيل المثال في ضبط الانبعاثية بشكل صحيح لكل سطح.

كل جسم تتجاوز درجة حرارته الصفر المطلق (0 كلفن = -273.15 درجة مئوية) ينبعث من الأشعة تحت الحمراء (الأشعة تحت الحمراء). ومع ذلك ، لا تستطيع العين البشرية رؤيتها لأنها عمياء تقريبًا عند نطاق الطول الموجي هذا. هذا ليس هو الحال مع الكاميرا الحرارية. كاشف الأشعة تحت الحمراء في قلبه حساس للأشعة تحت الحمراء. اعتمادًا على شدة الأشعة تحت الحمراء ، فإنها تحدد درجة الحرارة على سطح الجسم وتجعله مرئيًا للعين البشرية بفضل الصورة الحرارية. هذه العملية تسمى التصوير الحراري.

لجعل الأشعة تحت الحمراء مرئية ، يقوم الكاشف بتسجيلها ، وتحويلها إلى إشارات كهربائية ، ثم يقوم بتعيين لون محدد لكل إشارة ويعرضه على شاشة الكاميرا الحرارية. في الأساس ، تقوم الكاميرات الحرارية بترجمة الأطوال الموجية لطيف الأشعة تحت الحمراء إلى أطوال موجية يمكن إدراكها للعين البشرية (الألوان).

على عكس المفهوم الخاطئ الشائع نسبيًا ، لا تسمح لنا كاميرات التصوير الحراري برؤية الأشياء الداخلية ، ولكن فقط لتحديد درجة حرارة سطحها.

الابتعاثية ، الانعكاسية ، النفاذية

من المفيد معرفة هذه المصطلحات حتى تتمكن من استخدام المصور الحراري كأداة فعالة.

يتكون الإشعاع المسجل بواسطة الكاميرا الحرارية من انبعاث ونقل وانعكاس الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأجسام الموجودة في مجال رؤية الكاميرا الحرارية.

النفاذية (ر)

تصف النفاذية قدرة المادة على تمرير (إرسال) الأشعة تحت الحمراء. فيلم بلاستيكي رفيع ، على سبيل المثال ، له نفاذية عالية جدًا. لذا إذا كنت تريد قياس درجة حرارة فيلم بلاستيكي رفيع معلق أمام الحائط بكاميرا حرارية ، فأنت لا تقيس درجة حرارة الفيلم ، ولكن درجة حرارة الحائط. لا تمر معظم المواد بأشعة الأشعة تحت الحمراء ، لذا فإن نفاذية المادة عادة ما تكون 0 تقريبًا وبالتالي يمكن التغاضي عنها.

الابتعاثية (ε)

الانبعاث هو قدرة المادة على انبعاث الأشعة تحت الحمراء. يشار إلى هذه القدرة بالانبعاثية. هذا يعتمد ، من بين أمور أخرى ، على المادة نفسها وخصائص سطحها. الشمس ، على سبيل المثال ، لديها انبعاثية 100 %. ومع ذلك ، لا يتم العثور على هذه القيمة على أساس يومي. لا يزال للخرسانة انبعاثية 93 %. هذا يعني أن 93% من الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الخرسانة نفسها.

الانعكاسية (ρ)

7 % المفقودة هي انعكاسات من بيئة المادة / الشيء الذي يتم قياسه ، أي درجة الحرارة المنعكسة على الجسم. يمكن ضبط كل من الابتعاثية ودرجة الحرارة المنعكسة في كاميرات التصوير الحراري لتحقيق أدق صورة حرارية ممكنة.

العلاقة بين الانبعاث والانعكاس

• قياس الأجسام ذات الانبعاثية العالية (ε ≥ 0.8):

لها انعكاسية منخفضة (ρ): ρ = 1 - ε

تسمح بقياسات موثوقة للغاية لدرجة حرارتها بواسطة كاميرا حرارية

• كائنات القياس بمتوسط انبعاثية (0.6

لها انعكاس متوسط (ρ): ρ = 1 - ε

تسمح بقياسات موثوقة لدرجة حرارتهم بواسطة كاميرا حرارية

• كائنات القياس ذات الانبعاث المنخفض (ε ≤ 0.6):

لها انعكاسية عالية (ρ): ρ = 1 - ε

تسمح بقياسات درجة الحرارة باستخدام جهاز تصوير حراري ، ولكن يجب تحليل نتائجها بدقة

تتطلب تعديلًا صحيحًا لتعويض درجة الحرارة المنعكسة ، حيث يساهم ذلك إلى حد كبير في حساب درجة الحرارة

تعديل الانبعاثية

كل مادة لها انبعاثية مختلفة. للحصول على صور حرارية مثالية ، يجب ضبط الانبعاثية على الكاميرا.

يعد ضبط الانبعاث الصحيح مهمًا بشكل خاص عندما تكون الاختلافات في درجة الحرارة بين الكائن المقاس وبيئة القياس كبيرة.

• إذا كانت درجة حرارة الجسم المراد قياسه أعلى من درجة الحرارة المحيطة:

ستؤدي مجموعة الانبعاث عالية جدًا إلى عرض درجات حرارة منخفضة جدًا في الصورة الحرارية.

ستؤدي مجموعة الانبعاث المنخفضة جدًا إلى عرض درجات حرارة عالية جدًا في الصورة الحرارية.

• إذا كانت درجة حرارة الجسم المراد قياسه أقل من درجة الحرارة المحيطة:

ستؤدي مجموعة الانبعاث عالية جدًا إلى عرض درجات حرارة عالية جدًا في الصورة الحرارية.

ستؤدي مجموعة الانبعاث المنخفضة جدًا إلى عرض درجات حرارة منخفضة جدًا في الصورة الحرارية.

نصائح حول الابتعاثية

• كلما زاد الاختلاف بين درجة حرارة جسم القياس ودرجة الحرارة المحيطة وقلت الانبعاثية ، زادت أخطاء القياس. يتم تضخيم هذه الأخطاء عندما يتم ضبط الانبعاثية بشكل سيئ.
• العديد من المواد الشفافة للعين البشرية ، مثل الزجاج ، غير منفذة للأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الطويل.
• تشمل المواد ذات النفاذية المنخفضة ، على سبيل المثال ، الأغشية البلاستيكية الرقيقة والجرمانيوم ، وهي المادة التي تُصنع منها العدسات والزجاج الواقي لكاميرات التصوير الحراري Testo.
• إذا لزم الأمر ، قم بإزالة أي أغطية من جسم القياس ؛ خلاف ذلك ، فإن الكاميرا الحرارية ستقيس درجة الحرارة على سطح الغطاء فقط.
• احترم دائمًا تعليمات استخدام أداة القياس.
• عندما تؤثر العناصر الموجودة أسفل السطح ، عن طريق التوصيل ، توزيع درجة الحرارة على سطح كائن القياس ، غالبًا ما يكون من الممكن تحديد الهياكل الداخلية لكائن القياس على الصورة الحرارية. ومع ذلك ، فإن جهاز التصوير الحراري يقيس فقط درجة حرارة السطح. لذلك لا يمكن استخلاص استنتاجات دقيقة حول قيم درجة حرارة العناصر داخل جسم القياس.

المجال البصري وقياس البقعة

معلومات أساسية للتمكن من تقييم الخصائص التقنية للكاميرا الحرارية.

المجال البصري (FOV)

يصف المجال البصري (ويسمى أيضًا "مجال الرؤية" أو "FOV") السطح المرئي بكاميرا حرارية. هذا يعتمد على العدسة المستخدمة. توفر العدسة ذات الزاوية الواسعة مجالًا كبيرًا للرؤية ، وتوفر العدسة المقربة دقة مكانية جيدة. كلما زاد المجال البصري ، زادت المساحة التي يمكنك رؤيتها. يعد مجال الرؤية الواسع (> 30 درجة) مثيرًا للاهتمام بشكل خاص عند استخدام الكاميرا الحرارية في الداخل ؛ هذا لأن الجدران في كثير من الأحيان لا تسمح لك بالتحرك بعيدًا بما يكفي عن موضوع القياس لرؤية المزيد.

أصغر جسم قابل للقياس / بقعة القياس (IFOVmeas)

أصغر كائن قابل للقياس يصف أصغر جسم لا يتم اكتشافه فحسب ، بل يمكن قياس درجة حرارته بشكل موثوق. عندما تكون الدقة المكانية للهدف 3.5mrad ومسافة القياس 1m ، فإن أصغر كائن يمكن اكتشافه يكون له جوانب 3.5 مم ويتم عرضه على شكل بكسل واحد في الأسفل. 'شاشة. للحصول على قياسات دقيقة ، يجب أن يكون الجسم المراد قياسه أكبر مرتين أو ثلاث مرات من أصغر جسم يمكن اكتشافه. لذلك ، تنطبق القاعدة التالية على أصغر كائن قابل للقياس (IFOVmeas): IFOVmeas ≈ 3 x IFOVgeo

أصغر كائن يمكن اكتشافه (IFOVgeo)

أصغر كائن يمكن اكتشافه هو أصغر بُعد يمكن تحديده بواسطة البكسل. البكسل هو عنصر في كاشف الكاميرا الحرارية يسجل الأشعة تحت الحمراء ويحولها إلى إشارات كهربائية. كل بكسل يتوافق مع قيمة القياس.

انبعاث المواد الأكثر شيوعًا

يعمل الجدول التالي كمرجع لضبط الانبعاثية في التصوير الحراري. يشير إلى الابتعاثية ε لبعض المواد الشائعة. نظرًا لأن الابتعاثية تختلف وفقًا لدرجة الحرارة وخصائص الأسطح ، لا يمكن اعتبار القيم الواردة هنا إلا قيمًا مرجعية. لقياس القيمة المطلقة لدرجة الحرارة ، يجب تحديد انبعاثية المادة بدقة.

درجة حرارة المواد والمواد الانبعاثية

ألومنيوم ، مصفح (170 درجة مئوية) 0.04

ألومنيوم غير مؤكسد (25 درجة مئوية) 0.02

ألومنيوم غير مؤكسد (100 درجة مئوية) 0.03

ألومنيوم ، مؤكسد بشدة (93 درجة مئوية) 0.2

ألومنيوم ، مصقول للغاية (100 درجة مئوية) 0.09

قطن (20 درجة مئوية) 0.77

الخرسانة (25 درجة مئوية) 0.93

الرصاص (40 درجة مئوية) 0.43

الرصاص المؤكسد (40 درجة مئوية) 0.43

الرصاص الرمادي المؤكسد (40 درجة مئوية) 0.28

الكروم (40 درجة مئوية) 0.08

كروم مصقول (150 درجة مئوية) 0.06

ثلج ناعم (0 درجة مئوية) 0.97

حديد مصقول (20 درجة مئوية) 0.24

حديد بقشرة صب (100 درجة مئوية) 0.8

حديد بقشرة دائرية (20 درجة مئوية) 0.77

زجاج (90 درجة مئوية) 0.9

جص (20 درجة مئوية) 0.94

جرانيت (20 درجة مئوية) 0.45

مطاط صلب (23 درجة مئوية) 0.94

مطاط ، مرن ، رمادي (23 درجة مئوية) 0.89

الحديد الزهر ، المؤكسد (200 درجة مئوية) 0.64

خشب (70 درجة مئوية) 0.94

كورك (20 درجة مئوية) 0.7

المشتت الحراري ، أسود مجلفن (50 درجة مئوية) 0.98

نحاس ملطخ قليلاً (20 درجة مئوية) 0.04

نحاس مؤكسد (130 درجة مئوية) 0.76

نحاس مصقول (40 درجة مئوية) 0.03

نحاس ، مغلف (40 درجة مئوية) 0.64

البلاستيك: PE ، PP ، PVC (20 درجة مئوية) 0.94

ورنيش ، أزرق ، على ورق ألومنيوم (40 درجة مئوية) 0.78

الورنيش ، أسود ، مات (80 درجة مئوية) 0.97

ورنيش ، أصفر ، طبقتين ، على ورق ألومنيوم (40 درجة مئوية) 0.79

ورنيش أبيض (90 درجة مئوية) 0.95

رخام أبيض (40 درجة مئوية) 0.95

البناء (40 درجة مئوية) 0.93

نحاس مؤكسد (200 درجة مئوية) 0.61

دهانات زيتية (جميع الألوان) (90 درجة مئوية) 0.92-0.96

ورق (20 درجة مئوية) 0.97

بورسلين (20 درجة مئوية) 0.92

خزف حجري (40 درجة مئوية) 0.67

فولاذ ، سطح معالج على الساخن (200 درجة مئوية) 0.52

فولاذ مؤكسد (200 درجة مئوية) 0.79

الصلب ، المدرفلة على البارد (93 درجة مئوية) 0.75-0.85

الطين المحروق (70 درجة مئوية) 0.91

ورنيش المحولات (70 درجة مئوية) 0.94

الطوب والهاون والجبس (20 درجة مئوية) 0.93

زنك مؤكسد 0.1