Πώς λειτουργεί ένα πιστόλι θερμοκρασίας (υπέρυθρο θερμόμετρο);

Ένα πιστόλι θερμοκρασίας — ένας τύπος υπέρυθρου θερμόμετρου — λειτουργεί μετρώντας την ποσότητα της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα αντικείμενο. Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία υπερύθρων εστιάζεται σε ένα θερμοσίφωνο χρησιμοποιώντας έναν φακό. το thermobile στη συνέχεια μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια και, τέλος, αυτά τα ηλεκτρικά σήματα χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας του σώματος.

Εάν βγαίνατε έξω αυτή τη στιγμή (αν και στα περισσότερα μέρη του κόσμου, πραγματικά δεν θα έπρεπε), οι πιθανότητες είναι μεγάλες να σας κρατήσουν υπό την απειλή όπλου. Μην ανησυχείτε, σε αντίθεση με άλλες φορές, αυτό το όπλο μπορεί να σας βοηθήσει να επιβιώσετε!

Ένα πιστόλι θερμοκρασίας, γνωστό και ως λέιζερ ή θερμόμετρο χωρίς επαφή, είναι ένα υπέρυθρο θερμόμετρο που μετρά τη θερμοκρασία ενός αντικειμένου από μια ορισμένη απόσταση. Αρχικά προορίζονταν για τη μέτρηση της θερμοκρασίας κινούμενων αντικειμένων και απρόσιτων επιφανειών, τα πιστόλια θερμοκρασίας έχουν βρει τον δρόμο τους στα νοσοκομεία και τους τελευταίους μήνες έχουν γίνει πανταχού παρόντα.

Τα πιστόλια θερμοκρασίας επιτρέπουν ταχύτερους και ασφαλέστερους ελέγχους θερμοκρασίας. (Φωτογραφία:JETACOM AUTOFOCUS/Shutterstock)

Τα πιστόλια θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται στα αεροδρόμια για τον έλεγχο των επιβατών, από τους καταστηματάρχες για τον έλεγχο των εισερχόμενων πελατών, στους δρόμους και σε κάθε άλλη πιθανή περιοχή, αλλά πώς λειτουργούν αυτά τα όπλα; Δεν πρέπει να κολλάμε ένα θερμόμετρο κάτω από τις μασχάλες μας ή να το βάζουμε κάτω από τη γλώσσα μας για να μετρήσουμε τη θερμοκρασία του σώματός μας;

Λοιπόν, όχι πια!

Ακτινοβολία μαύρου σώματος

Τα υπέρυθρα θερμόμετρα εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι όλα τα αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, σε θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν, εκπέμπουν θερμότητα με τη μορφή θερμικής ακτινοβολίας. Αυτή είναι μια έννοια γνωστή ως ακτινοβολία μαύρου σώματος.

Το απόλυτο μηδέν (ισοδύναμο με -273,15 βαθμούς Κελσίου ή -460 βαθμούς Φαρενάιτ) είναι η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία που μπορεί να φτάσει ένα αντικείμενο και επίσης ένα σημείο όπου τα άτομα παρουσιάζουν περίεργη και εξωτική συμπεριφορά. Ωστόσο, σε οποιαδήποτε θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν, τα άτομα βρίσκονται σε σταθερή κατάσταση κίνησης και διαθέτουν κινητική ενέργεια. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο περισσότερη κινητική ενέργεια διαθέτουν τα άτομα/μόρια. Όταν τα ηλεκτρόνια σε αυτά τα διεγερμένα άτομα πηδούν από τη μια τροχιά (ενεργειακή κατάσταση) στην άλλη ή όταν δύο διεγερμένα μόρια συγκρούονται, εκπέμπεται ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αυτό το είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που εκπέμπεται αποκλειστικά από την κινητική ενέργεια και την κίνηση των σωματιδίων στην ύλη, ταξινομείται ως θερμική ακτινοβολία.

Ως υποσύνολο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η θερμική ακτινοβολία περιλαμβάνει περισσότερα από ένα μόνο μήκος κύματος. Περιλαμβάνει ραδιοκύματα, υπέρυθρα κύματα και ορατό φως. Ο τύπος της θερμικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται εξαρτάται από τη θερμοκρασία της πηγής. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο γρήγορα κινούνται τα μόρια, άρα τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα της ακτινοβολίας που εκπέμπεται. Σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες, τα αντικείμενα αρχίζουν να ακτινοβολούν ορατό φως.

Ο ήλιος, για παράδειγμα, κατοικεί σε θερμοκρασία κοντά στους 5.600 Κελσίου και εκπέμπει το μεγαλύτερο μέρος της θερμικής του ακτινοβολίας ως ορατό φως. Οι άνθρωποι και όλα τα ζώα, από την άλλη πλευρά, εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία που βρίσκεται ακριβώς κάτω από το ορατό φως στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.

Ένας θερμικός χάρτης του ανθρώπινου σώματος που δημιουργήθηκε με βάση την υπέρυθρη ακτινοβολία. (Φωτογραφία:PATARA/Shutterstock)

Νόμος Stefan-Boltzmann

Η γνώση της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ανθρώπους και ζώα έχει χρησιμοποιηθεί κυρίως για θερμική απεικόνιση. Ένα υπέρυθρο θερμόμετρο πηγαίνει αυτό ένα βήμα παραπέρα και βάζει έναν αριθμό στην ποσότητα της θερμικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται. Τα θερμόμετρα υπερύθρων το κάνουν αυτό χρησιμοποιώντας τον νόμο Stefan-Boltzmann.

Ο νόμος ορίζει, «Η θερμική ενέργεια που εκπέμπεται ανά μονάδα επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου από ένα μαύρο σώμα είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της απόλυτης θερμοκρασίας του».

Μαθηματικά,

E ∝ T4

Εδώ, E είναι η ενέργεια ακτινοβολίας που εκπέμπεται ανά μονάδα επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου και T είναι η απόλυτη θερμοκρασία του αντικειμένου.

Με την αφαίρεση του πρόσημου της αναλογικότητας, ένας σταθερός όρος γνωστός ως σταθερά Stefan–Boltzmann (σ =5,67 x 10 –8 Wm –2K –4) προστίθεται στον τύπο.

E =σT4

Η παραπάνω εξίσωση συσχετίζει την ενέργεια ακτινοβολίας με τη θερμοκρασία ενός μαύρου σώματος, ενός σώματος/αντικειμένου που απορροφά όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτό. Ωστόσο, ένα τέλειο μαύρο σώμα δεν υπάρχει ακόμα (αν και το Vantablack πλησιάζει αρκετά), επομένως η παραπάνω εξίσωση πρέπει να προσαρμοστεί για όλα τα άλλα κανονικά αντικείμενα.

E =eσT4

Ο τύπος τροποποιείται με την προσθήκη ενός όρου που ονομάζεται εκπομπή (e). Αυτή είναι η αναλογία της ενέργειας ακτινοβολίας που εκπέμπεται από μια κανονική επιφάνεια προς την ενέργεια ακτινοβολίας που εκπέμπεται από μια επιφάνεια μαύρου σώματος στην ίδια θερμοκρασία. Οι τιμές εκπομπής κυμαίνονται από 0 έως 1. Μια ικανότητα εκπομπής 1 αντιπροσωπεύει ένα τέλειο μαύρο σώμα και το 0 αντιπροσωπεύει έναν τέλειο ανακλαστήρα. Το ανθρώπινο δέρμα έχει τιμή εκπομπής μεταξύ 0,97 και 0,99! (Πηγή)

Πώς λειτουργεί ένα πιστόλι θερμοκρασίας

Ένα τυπικό υπέρυθρο θερμόμετρο έχει τα ακόλουθα μέρη—ένα λέιζερ, έναν συγκλίνοντα φακό, έναν αισθητήρα υπερύθρων (θερμοπίλη), έναν αισθητήρα θερμοκρασίας περιβάλλοντος/αναφοράς, έναν ενισχυτή και άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα για τη μετατροπή και εμφάνιση των αποτελεσμάτων σε αριθμητικές τιμές.

Εξαρτήματα ενός υπέρυθρου θερμομέτρου

Όταν στρέφετε το πιστόλι θερμοκρασίας σε κάτι ή κάποιον και πυροβολείτε, ένα λέιζερ εκκενώνεται από το θερμόμετρο. Το λέιζερ, ωστόσο, δεν έχει καμία λειτουργική χρήση, ούτε είναι το πράγμα που μετρά πραγματικά τη θερμοκρασία. Το λέιζερ υπάρχει μόνο για να βοηθήσει στον ακριβή εντοπισμό/στόχευση του προς μέτρηση αντικειμένου.

Η υπέρυθρη ακτινοβολία, όπως και το ορατό φως, μπορεί να ανακλαστεί, να απορροφηθεί και να συγκεντρωθεί. Έτσι, η ακτινοβολία υπερύθρων που εκπέμπεται από ένα αντικείμενο ή έναν άνθρωπο εστιάζεται πρώτα στη θερμοσίφωνα μέσα στο πιστόλι θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας έναν συγκλίνοντα (κυρτό) φακό. Ακολουθεί ένα thermopile, μια ηλεκτρονική συσκευή που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Το θερμοστοιχείο κατασκευάζεται με τη στοίβαξη πολλών θερμοστοιχείων είτε σε σειρά είτε σε παράλληλη διαμόρφωση.

Η θερμοκρασία του θερμοπωλείου αυξάνεται με την ποσότητα της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό. Ωστόσο, η αντίθετη πλευρά (αυτή που βλέπει στην άλλη πλευρά του πιστολιού) του θερμοσίφωνα παραμένει σε ελαφρώς χαμηλότερη θερμοκρασία, καθώς η υπέρυθρη ακτινοβολία δεν προσπίπτει άμεσα σε αυτό. Αυτή η διαφορά θερμοκρασίας οδηγεί στην ανάπτυξη διαφοράς τάσης, και κατά συνέπεια ηλεκτρισμού (θερμοηλεκτρικό φαινόμενο). Στη συνέχεια, η ηλεκτρική ένδειξη ενισχύεται χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή.

Τελικά, η ηλεκτρική ένδειξη περνάει σε ένα τυπικό κύκλωμα απόκτησης δεδομένων και η τελική ένδειξη θερμοκρασίας εμφανίζεται σε έναν πίνακα LED σε βαθμούς Κελσίου ή Kelvin.

Ένας αισθητήρας περιβάλλοντος που υπάρχει κοντά στο θερμοσίφωνο συμβάλλει στην αντιστάθμιση τυχόν θερμικής ακτινοβολίας που εισέρχεται στο πιστόλι θερμοκρασίας από την ίδια την ατμόσφαιρα.

Ένας οπτικός κόφτης είναι ένα άλλο εξάρτημα που συχνά ενσωματώνεται σε πιστόλια θερμοκρασίας. Ένας ηλεκτρικός κινητήρας κινεί τον οπτικό κόφτη και βοηθά το θερμόπυλο να δέχεται ακτινοβολία σε δύο διαφορετικά μήκη κύματος. Αποτελούνται επίσης από διάφορες ρυθμίσεις εκπομπής που βοηθούν στον έλεγχο της θερμοκρασίας διαφορετικών αντικειμένων. Τα θερμόμετρα υπερύθρων χαρακτηρίζονται με βάση τους λόγους απόστασης προς σημείο (D:S) και, προφανώς, αυτός ο αριθμός αντιπροσωπεύει την αναλογία του μεγέθους του σημείου/περιοχής που μετράται προς την απόσταση του θερμομέτρου από το σημείο. Όσο μεγαλύτερη είναι η αναλογία D:S, τόσο μεγαλύτερη είναι η εμβέλεια και η ακρίβεια του θερμομέτρου IR.

Εφαρμογές πιστολιών θερμοκρασίας

Ένα πιστόλι θερμοκρασίας βρίσκει εκτεταμένη χρήση σε διάφορες βιομηχανίες. Χρησιμοποιείται κυρίως από πυροσβέστες για τον έλεγχο των καυτών σημείων κατά την κατάσβεση πυρκαγιάς, στη βιομηχανία και στις ηλεκτρονικές βιομηχανίες για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας των μηχανών, της απόδοσης συστημάτων θέρμανσης/ψύξης, συστημάτων μόνωσης, κινητήρων αυτοκινήτων, επιθεώρησης ηλεκτρικών πινάκων και άλλων ευαίσθητων στη θερμοκρασία ηλεκτρικών εξαρτημάτων , κ.λπ. Ένα θερμόμετρο υπερύθρων μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη διασφάλιση της ασφάλειας των τροφίμων παρακολουθώντας τη θερμοκρασία του θερμαντήρα/φούρνου και τη θερμοκρασία των τροφίμων, καθώς και στη γεωργία για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας των φυτών και του εδάφους, μεταξύ άλλων.

Η πιο σημαντική εφαρμογή ενός πιστολιού θερμοκρασίας τα τελευταία χρόνια ήταν για τη δημόσια ασφάλεια. Τα πιστόλια θερμοκρασίας επιτρέπουν ευκολότερους, ταχύτερους και ασφαλέστερους ελέγχους θερμοκρασίας μεγαλύτερου αριθμού ατόμων σε μέρη όπως αεροδρόμια. Έχουν απασχοληθεί στο παρελθόν για να ελέγχουν τους ταξιδιώτες για πυρετό κατά τη διάρκεια επιδημικών γεγονότων όπως ο Έμπολα και το SARS. Τώρα, η τεχνολογία χρησιμοποιείται για την επαλήθευση πιθανών περιπτώσεων COVID-19.

Οι έλεγχοι θερμοκρασίας έχουν γίνει αναπόσπαστο μέρος της ταξιδιωτικής εμπειρίας όλων. (Πιστωτική φωτογραφία :VectorMine/Shutterstock)

Η χρήση πιστολιού θερμοκρασίας μειώνει τον κίνδυνο διασταυρούμενης μόλυνσης και εξάπλωσης ασθενειών λόγω της προσέγγισής του χωρίς επαφή. Επίσης, οι μετρήσεις θερμοκρασίας λαμβάνονται με πολύ πιο γρήγορο ρυθμό από τις παραδοσιακές μεθόδους. Ωστόσο, ένα πιστόλι θερμοκρασίας θα πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο για τον έλεγχο ασθενών και όχι για τη διάγνωση.

Η ένδειξη θερμοκρασίας που εμφανίζεται από ένα θερμόμετρο IR επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες. Αυτό περιλαμβάνει πώς και πού χρησιμοποιείται το θερμόμετρο υπερύθρων και τη βαθμονόμησή του. Στα σημαντικά σημεία που πρέπει να λάβετε υπόψη περιλαμβάνονται η τοποθέτηση του λέιζερ στο μέτωπο, η διασφάλιση ότι η θερμοκρασία του σώματος και του μετώπου δεν έχει επηρεαστεί λόγω υπερβολικού ρουχισμού ή χρήσης καλυμμάτων κεφαλής, όπως καπέλα ή καλλυντικά προσώπου, ή το περιβάλλον (δηλ. μην κάνετε μετρήσεις σε άμεσο ηλιακό φως).

Ενώ η ακρίβεια των πιστολιών θερμοκρασίας ήταν πάντα αντικείμενο συζήτησης, δεδομένου του τρέχοντος σεναρίου (όγκος μετρήσεων θερμοκρασίας, αριθμός σωμάτων που θα ελεγχθούν και υψηλός κίνδυνος μόλυνσης), η χρήση ενός ελαφρώς ανακριβούς αλλά μη επεμβατικού Η τεχνολογία όπως ένα πιστόλι θερμοκρασίας σε πιο ακριβείς αλλά επεμβατικές μεθόδους φαίνεται απαραίτητη!