وبلاگ
چگونه گازسنج مناسب نوع گاز موردنظر را انتخاب کنیم؟
انواع ابزارهای اندازه گیری در صنعت
هنگام خرید ضخامت سنج به چه مشخصاتی توجه کنیم؟
تاثیر ضریب گسیلندگی بر دقت ترمومتر لیزری
خرید ترمومتر لیزری یا ترمومتر مادون قرمز یکی از ابزارهای پرکاربرد برای اندازهگیری دمای سطوح بدون تماس مستقیم با آنهاست، اما دقت این دستگاه تنها به کیفیت سنسور و مشخصات فنی آن وابسته نیست و ویژگیهای سطح مورد اندازهگیری نیز تأثیر زیادی بر نتیجه دارد. یکی از مهمترین این ویژگیها ضریب گسیلندگی یا Emissivity است که مشخص میکند یک سطح تا چه اندازه انرژی مادون قرمز را از خود منتشر میکند. ترمومتر لیزری با دریافت تابش مادون قرمز سطح و تبدیل آن به مقدار دما کار میکند، بنابراین اگر ضریب گسیلندگی واقعی جسم با مقدار تنظیمشده روی دستگاه مطابقت نداشته باشد، عدد نمایشدادهشده میتواند با دمای واقعی تفاوت داشته باشد. این مسئله بهخصوص هنگام اندازهگیری فلزات براق، سطوح صیقلی، آلومینیوم، فولاد ضدزنگ و سایر سطوح با گسیلندگی پایین اهمیت بیشتری پیدا میکند.
ضریب گسیلندگی چیست؟
ضریب گسیلندگی معیاری برای بیان توانایی یک سطح در انتشار انرژی مادون قرمز در مقایسه با یک جسم سیاه ایدهآل است و مقداری بین صفر و یک دارد. سطحی با گسیلندگی نزدیک به یک، انرژی تابشی بیشتری را در شرایط مشابه منتشر میکند، در حالی که سطوحی با گسیلندگی پایین بخش بیشتری از تابش محیط را بازتاب میدهند و همین موضوع اندازهگیری دمای آنها را برای ترمومترهای غیرتماسی دشوارتر میکند. گسیلندگی به جنس ماده محدود نمیشود و وضعیت سطح، میزان صافی یا زبری، اکسیدشدگی، دما، زاویه اندازهگیری و حتی محدوده طول موج مورد استفاده دستگاه میتواند مقدار آن را تغییر دهد. به همین دلیل نمیتوان یک مقدار ثابت را برای یک ماده در تمام شرایط در نظر گرفت و انتظار داشت ترمومتر همیشه با همان مقدار بهترین دقت را ارائه کند.
چرا ضریب گسیلندگی روی دقت ترمومتر لیزری تأثیر دارد؟
ترمومتر لیزری دمای جسم را مستقیماً از طریق تماس با سطح اندازهگیری نمیکند، بلکه میزان تابش مادون قرمز دریافتشده از هدف را تحلیل میکند و سپس بر اساس تنظیمات دستگاه، از جمله ضریب گسیلندگی، دمای سطح را محاسبه میکند. اگر دستگاه تصور کند سطح گسیلندگی بالاتری نسبت به مقدار واقعی دارد، مقدار تابش دریافتشده را به شکل متفاوتی تفسیر میکند و در نتیجه دمای محاسبهشده میتواند کمتر یا بیشتر از دمای واقعی باشد. بنابراین حتی اگر خود دستگاه از نظر الکترونیکی کاملاً سالم و دقیق باشد، انتخاب اشتباه Emissivity میتواند باعث ایجاد خطای قابل توجه در نتیجه شود. اهمیت این موضوع با افزایش دما نیز میتواند بیشتر شود؛ برای نمونه Fluke گزارش میکند که در باند ۸ تا ۱۴ میکرومتر، عدم قطعیت ۰٫۰۱ در گسیلندگی میتواند در دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد حدود ۰٫۶ کلوین و در ۵۰۰ درجه سانتیگراد حدود ۳٫۴ کلوین عدم قطعیت ایجاد کند.
اگر ضریب گسیلندگی اشتباه تنظیم شود چه اتفاقی میافتد؟
اگر مقدار گسیلندگی واقعی سطح با مقدار تنظیمشده روی ترمومتر لیزری یکسان نباشد، دستگاه تابش دریافتشده را بر اساس یک فرض اشتباه تبدیل به دما میکند. برای مثال، اگر مقدار واقعی گسیلندگی سطح ۰٫۹ باشد اما دستگاه روی ۰٫۹۵ تنظیم شده باشد، در شرایطی که جسم از محیط گرمتر است، قرائت میتواند پایینتر از دمای واقعی نشان داده شود. این موضوع در مستندات Raytek نیز توضیح داده شده و نشان میدهد که افزایش مقدار گسیلندگی تنظیمشده نسبت به مقدار واقعی میتواند باعث پایینتر نمایش دادن دما در چنین شرایطی شود. بنابراین هنگام اندازهگیری دقیق، تنها نگاه کردن به عدد نمایشگر کافی نیست و باید مطمئن شد که تنظیم Emissivity با شرایط واقعی سطح سازگار است.
کدام سطوح بیشتر تحت تأثیر ضریب گسیلندگی قرار میگیرند؟
سطوح براق و صیقلی معمولاً حساسیت بیشتری نسبت به خطای گسیلندگی دارند، زیرا گسیلندگی آنها پایینتر و بازتابندگی آنها بیشتر است. فلزات بدون پوشش و صیقلی مانند برخی انواع فولاد، آلومینیوم و مس میتوانند نمونههای دشواری برای اندازهگیری با ترمومتر مادون قرمز باشند، در حالی که بسیاری از سطوح رنگشده، اکسیدشده و غیر فلزی معمولاً گسیلندگی بالاتری دارند و اندازهگیری آنها سادهتر است. برای مثال، در راهنمای Fluke، بسیاری از مواد آلی و سطوح رنگشده یا اکسیدشده دارای گسیلندگی حدود ۰٫۹۵ در نظر گرفته میشوند، در حالی که فلزات براق میتوانند رفتار بسیار متفاوتی داشته باشند. بنابراین اگر قرار است دمای یک سطح فلزی براق با ترمومتر لیزری اندازهگیری شود، باید توجه ویژهای به تنظیم گسیلندگی و بازتاب تابش محیط داشت.
رابطه ضریب گسیلندگی و سطح براق چیست؟
یکی از اشتباهات رایج این است که تصور کنیم رنگ ظاهری یک سطح به تنهایی ضریب گسیلندگی آن را مشخص میکند. در واقع دو سطح با رنگ ظاهری مشابه ممکن است به دلیل تفاوت در جنس، زبری، پرداخت و وضعیت سطح، گسیلندگی متفاوتی داشته باشند. یک فلز صیقلی و براق معمولاً تابش محیط را بیشتر بازتاب میکند و به همین دلیل ترمومتر ممکن است بخشی از انرژی محیط اطراف را به عنوان تابش هدف دریافت کند. این مشکل زمانی جدیتر میشود که اطراف جسم منابع گرمایی مانند شعله، المنت، کوره یا سطوح بسیار داغ وجود داشته باشد. در چنین شرایطی، تنظیم نادرست گسیلندگی میتواند باعث شود نتیجه اندازهگیری به شکل محسوسی از دمای واقعی سطح فاصله بگیرد.
آیا ضریب گسیلندگی با دما تغییر میکند؟
بله، ضریب گسیلندگی یک مقدار کاملاً ثابت و مستقل از شرایط نیست. مقدار آن میتواند تحت تأثیر دمای سطح، طول موج مورد استفاده، زاویه دید، هندسه سطح و وضعیت فیزیکی آن تغییر کند. به همین دلیل مقادیری که در جدولهای گسیلندگی دستگاهها ارائه میشوند معمولاً مقادیر تقریبی و مرجع هستند و نباید آنها را در تمام شرایط به عنوان مقدار دقیق آزمایشگاهی در نظر گرفت. Raytek نیز در راهنمای خود به عواملی مانند دما، زاویه اندازهگیری، هندسه، ضخامت، کیفیت سطح و محدوده طیفی به عنوان عوامل مؤثر بر گسیلندگی اشاره میکند. در نتیجه برای کاربردهای دقیق صنعتی، تعیین یا اعتبارسنجی گسیلندگی واقعی سطح میتواند اهمیت زیادی داشته باشد.
چگونه ضریب گسیلندگی مناسب ترمومتر لیزری را انتخاب کنیم؟
اگر دستگاه امکان تنظیم دستی Emissivity داشته باشد، ابتدا باید مشخصات ماده و وضعیت سطح بررسی شود و مقدار مناسب از جدول گسیلندگی سازنده یا منابع معتبر انتخاب شود. البته مقدار جدول باید به عنوان مقدار اولیه در نظر گرفته شود، زیرا گسیلندگی واقعی میتواند با شرایط سطح متفاوت باشد. در کاربردهایی که دقت بالاتری نیاز است، میتوان دمای همان نقطه را با یک روش مرجع مانند ترمومتر تماسی مناسب اندازهگیری کرد و سپس تنظیم گسیلندگی ترمومتر مادون قرمز را به گونهای تغییر داد که قرائت آن با مقدار مرجع سازگار شود. Raytek یکی از روشهای تعیین گسیلندگی را مقایسه اندازهگیری مادون قرمز با یک سنسور مرجع مانند RTD یا ترموکوپل و تنظیم مقدار Emissivity تا رسیدن به تطابق مناسب معرفی میکند.
استفاده از نوار یا رنگ مشکی برای افزایش دقت اندازهگیری
در برخی شرایط که سطح براق یا فلزی است و تعیین دقیق گسیلندگی آن دشوار است، میتوان از یک ناحیه با گسیلندگی شناختهشدهتر برای اندازهگیری استفاده کرد. یکی از روشهای رایج که در راهنمای ترمومترهای Fluke نیز مطرح شده، پوشاندن بخشی از سطح با نوار مناسب یا رنگ مشکی مات با گسیلندگی بالا و صبر کردن تا زمانی است که این پوشش به دمای سطح زیرین برسد. سپس دما روی همان قسمت با تنظیم گسیلندگی مناسب اندازهگیری میشود. این روش میتواند اثر بازتابندگی سطح براق را کاهش دهد و شرایط مناسبتری برای اندازهگیری غیرتماسی ایجاد کند، البته باید محدودیت دمایی نوار یا رنگ مورد استفاده و توصیههای سازنده دستگاه در نظر گرفته شود.
زاویه اندازهگیری چه ارتباطی با گسیلندگی دارد؟
زاویه قرارگیری ترمومتر نسبت به سطح نیز میتواند روی نتیجه اثر بگذارد، بهخصوص زمانی که سطح گسیلندگی پایینی داشته باشد. برای اندازهگیری دقیقتر بهتر است دستگاه تا حد امکان عمود بر سطح قرار بگیرد تا سهم بازتابهای ناخواسته کاهش پیدا کند. در راهنمای Raytek توصیه شده است که برای سطوح با گسیلندگی کمتر از ۰٫۹، ابزار تا حد امکان عمود بر سطح قرار گیرد و زاویه نسبت به راستای عمود بیش از ۳۰ درجه نشود. بنابراین حتی اگر مقدار Emissivity به درستی تنظیم شده باشد، زاویه نامناسب، سطح براق و بازتاب منابع حرارتی محیط میتوانند همچنان باعث خطا در اندازهگیری شوند.
فاصله ترمومتر لیزری تا سطح چه تأثیری دارد؟
فاصله از هدف مستقیماً همانند گسیلندگی نیست، اما میتواند در کنار آن بر کیفیت اندازهگیری اثر بگذارد. هر ترمومتر لیزری دارای نسبت فاصله به نقطه یا D:S مشخصی است و با افزایش فاصله، قطر ناحیهای که دستگاه از آن تابش دریافت میکند بزرگتر میشود. اگر اندازه هدف از نقطه اندازهگیری کوچکتر باشد، دستگاه ممکن است بخشی از انرژی سطوح اطراف را نیز دریافت کند و دمای نمایشدادهشده دقیقاً مربوط به نقطه موردنظر نباشد. بنابراین برای اندازهگیری دقیق باید هدف به اندازه کافی بزرگتر از Spot Size باشد و فاصله مطابق مشخصات دستگاه انتخاب شود. برای نمونه، در راهنمای یکی از ترمومترهای Fluke نسبت D:S برابر ۱۲:۱ ذکر شده و تأکید شده است که هدف باید از اندازه Spot بزرگتر باشد.
چگونه خطای ناشی از گسیلندگی را کاهش دهیم؟
برای کاهش خطای ناشی از گسیلندگی، ابتدا باید نوع ماده و وضعیت سطح را مشخص کرد و سپس مقدار مناسب Emissivity را روی دستگاه تنظیم نمود. در مرحله بعد بهتر است سطح تا حد امکان تمیز باشد، ترمومتر عمود بر سطح قرار گیرد و از اندازهگیری مستقیم سطوح بسیار براق در حضور منابع حرارتی شدید خودداری شود. همچنین باید فاصله مناسب، اندازه هدف و نسبت D:S دستگاه رعایت شود و در صورت نیاز از یک نقطه با گسیلندگی بالا مانند سطح پوششدادهشده یا رنگ مات برای مقایسه استفاده شود. اگر اندازهگیری از نظر صنعتی حساس است، مقایسه نتیجه با یک سنسور تماسی یا مرجع کالیبرهشده میتواند به بررسی خطای واقعی کمک کند. در واقع تنظیم درست Emissivity یکی از بخشهای مهم کار با ترمومتر مادون قرمز است، اما به تنهایی تضمینکننده دقت نیست و باید سایر شرایط اندازهگیری نیز کنترل شوند.
آیا ترمومترهای لیزری با قابلیت تنظیم گسیلندگی دقیقتر هستند؟
در کاربردهایی که سطح مورد اندازهگیری از نظر گسیلندگی تغییر میکند، داشتن امکان تنظیم Emissivity یک مزیت مهم محسوب میشود، زیرا کاربر میتواند مقدار تنظیمشده دستگاه را به شرایط هدف نزدیکتر کند. با این حال، قابل تنظیم بودن گسیلندگی به معنی آن نیست که دستگاه روی تمام سطوح به یک اندازه دقیق خواهد بود. اگر مقدار واقعی گسیلندگی مشخص نباشد یا سطح به شدت براق و بازتابنده باشد، حتی تنظیم دستی نیز ممکن است نتواند تمام خطاها را حذف کند. برخی ترمومترهای صنعتی پیشرفتهتر امکانات بیشتری برای تنظیم گسیلندگی، کالیبراسیون و جبران شرایط محیطی ارائه میکنند و برای کاربردهای حساس انتخاب مناسبتری هستند. بنابراین هنگام خرید ترمومتر لیزری صنعتی، قابلیت تنظیم گسیلندگی باید در کنار محدوده دما، نسبت D:S، دقت، محدوده طول موج و امکانات کالیبراسیون بررسی شود.
تفاوت گسیلندگی بالا و پایین در اندازهگیری دما
سطوح با گسیلندگی بالا معمولاً انرژی مادون قرمز بیشتری را نسبت به سطوح کمگسیل منتشر میکنند و در بسیاری از شرایط برای اندازهگیری غیرتماسی مناسبتر هستند. در مقابل، سطحی با گسیلندگی پایین میتواند مقدار قابل توجهی از تابش محیط اطراف را بازتاب کند و در نتیجه ترمومتر بخشی از انرژی دریافتی را به اشتباه به خود جسم نسبت دهد. این مسئله بهخصوص زمانی مهم است که دمای محیط و منابع تابشی اطراف با دمای جسم اختلاف زیادی داشته باشند. به همین دلیل یک سطح رنگشده مات معمولاً از نظر اندازهگیری مادون قرمز شرایط سادهتری نسبت به یک سطح فلزی صیقلی و براق دارد. در کاربردهای صنعتی که دقت اندازهگیری اهمیت زیادی دارد، شناخت رفتار سطح و انتخاب روش مناسب اندازهگیری به اندازه انتخاب خود دستگاه اهمیت پیدا میکند.
خرید ترمومتر لیزری
جمعبندی
ضریب گسیلندگی یکی از مهمترین عوامل مؤثر بر دقت ترمومتر لیزری است، زیرا این دستگاه دمای سطح را از روی انرژی مادون قرمز منتشرشده و دریافتشده محاسبه میکند. اگر مقدار گسیلندگی واقعی جسم با مقدار تنظیمشده روی دستگاه اختلاف داشته باشد، نتیجه میتواند با دمای واقعی فاصله داشته باشد و این خطا در سطوح براق، فلزی و کمگسیل اهمیت بیشتری پیدا میکند. برای دستیابی به اندازهگیری دقیق باید مقدار Emissivity تا حد امکان با شرایط واقعی سطح مطابقت داشته باشد، دستگاه در زاویه مناسب قرار گیرد، فاصله و اندازه نقطه اندازهگیری رعایت شود و منابع گرمایی اطراف که ممکن است روی سطح بازتاب شوند کنترل شوند. در کاربردهای دقیقتر نیز میتوان نتیجه ترمومتر لیزری را با یک سنسور تماسی یا مرجع کالیبرهشده مقایسه کرد تا مقدار گسیلندگی و خطای اندازهگیری بهتر مشخص شود. در نهایت، شناخت ضریب گسیلندگی به کاربر کمک میکند از ترمومتر لیزری فقط به عنوان یک ابزار ساده برای مشاهده دما استفاده نکند، بلکه بتواند از قابلیتهای آن برای اندازهگیری قابل اعتماد در کاربردهای صنعتی، تأسیساتی و فنی بهره ببرد.
