پیرومتر۱: دماسنج برای دماهای بسیار بالا
پیرومتر چیست و چرا به آن نیاز داریم؟
فرض کنید می‌خواهید دمای یک کورهٔ ذوب آهن را اندازه بگیرید. نزدیک کردن یک دماسنج معمولی مثل دماسنج جیوه‌ای یا الکلی به آن نه تنها غیرممکن است، بلکه بسیار خطرناک است زیرا ذوب می‌شود! اینجاست که نقش پیرومتر۱ پررنگ می‌شود. پیرومتر وسیله‌ای است که می‌تواند دمای اجسام بسیار داغ را بدون تماس فیزیکی با آن‌ها اندازه‌گیری کند. این کار مانند این است که از فاصله‌ای دور، با استفاده از یک دوربین ویژه، میزان گرمای یک جسم را تشخیص دهید.
همهٔ اجسام، حتی بدن خود ما، از خود انرژی تابشی ساطع می‌کنند. هرچه جسم داغ‌تر باشد، این انرژی تابشی بیشتر است. پیرومتر این انرژی، به ویژه انرژی فروسرخ۲ که با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شود را دریافت و اندازه‌گیری کرده و سپس آن را به یک عدد که همان دمای جسم است تبدیل می‌کند.
انواع مختلف پیرومتر و نحوهٔ کار آن‌ها
پیرومترها به دو دستهٔ اصلی تقسیم می‌شوند: پیرومتر نوری و پیرومتر تابشی۳. هرکدام از این روش‌ها برای شرایط خاصی مناسب هستند.
| نوع پیرومتر | اصل کار | محدودهٔ دمایی تقریبی | کاربرد معمول |
|---|---|---|---|
| پیرومتر نوری | مقایسهٔ رنگ نور مرئی ساطع شده از جسم با یک منبع داخلی | 500 تا 4000 درجه سانتی‌گراد | کوره‌های ذوب فلزات |
| پیرومتر تابشی (فروسرخ) | اندازه‌گیری انرژی تابش فروسرخ ساطع شده از جسم | -50 تا 3000 درجه سانتی‌گراد | پزشکی، کنترل خط تولید، تعمیر و نگهداری ساختمان |
پیرومترهای تابشی مدرن بر اساس یک قانون فیزیکی بسیار مهم به نام قانون استفان-بولتزمن۴ کار می‌کنند. این قانون به زبان ساده می‌گوید:
$ P = \sigma \epsilon A T^4 $
در این فرمول: P توان تابشی، σ ثابت استفان-بولتزمن، ε گسیلندگی۵ جسم، A مساحت و T دمای مطلق بر حسب کلوین است.
پیرومتر با اندازه‌گیری P (انرژی دریافتی) و با دانستن ε (میزان گسیلندگی سطح جسم)، دمای T را محاسبه می‌کند.
کاربردهای پیرومتر در صنعت و زندگی روزمره
پیرومترها نقش حیاتی در بسیاری از صنایع دارند. در صنعت فولادسازی، از آن‌ها برای اطمینان از دمای مناسب ذوب فولاد در کوره‌های عظیم استفاده می‌شود. در صنعت شیشه‌سازی، برای کنترل دمای شیشهٔ مذاب در حین شکل‌دهی به کار می‌روند تا محصول نهایی بدون عیب باشد.
اما کاربرد پیرومتر فقط به صنایع بزرگ محدود نمی‌شود. تکنسین‌های سیستم‌های تهویه مطبوع از پیرومترهای دستی (دماسنج‌های لیزری) برای تشخیص نقاط داغ در مدارهای الکتریکی یا بررسی میزان عایق‌بندی پنجره‌ها استفاده می‌کنند. حتی در پزشکی نیز از این فناوری برای اندازه‌گیری دمای بدن از راه دور، مشابه دستگاه‌های سنجش دمای پیشانی که در دوران همه‌گیری کرونا دیدیم، استفاده می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. پیرومترها برای اندازه‌گیری دمای سطح اجسام جامد و مایع طراحی شده‌اند. آن‌ها نمی‌توانند دمای گازها مانند هوا را به درستی اندازه‌گیری کنند زیرا گازها معمولاً شفاف هستند و انرژی فروسرخ چندانی از خود ساطع نمی‌کنند.
مهم‌ترین دلیل، تنظیم نبودن مقدار گسیلندگی۵ دستگاه است. سطوح مختلف، انرژی گرمایی را با کارایی متفاوتی ساطع می‌کنند. برای مثال، یک سطح فلزی صیقلی گسیلندگی پایینی دارد در حالی که یک سطح مات و تیره گسیلندگی بالایی دارد. اگر دستگاه روی عدد گسیلندگی یک جسم تیره تنظیم شده باشد ولی برای اندازه‌گیری یک سطح براق به کار رود، دمای نادرستی نشان خواهد داد.
بله. منابع تابش خارجی مانند نور خورشید یا حتی یک لامپ روشن، اگر در میدان دید پیرومتر باشند، می‌توانند نتیجه را مخدوش کنند. همچنین وجود دود، بخار یا گرد و غبار بین دستگاه و جسم هدف، مانند این است که یک لایه محافظ بین آن دو قرار داده شود و از دقت اندازه‌گیری می‌کاهد.
پاورقی
[1] پیرومتر (Pyrometer): از دو بخش "Pyro" به معنای آتش یا گرما و "meter" به معنای سنجش‌گر تشکیل شده است.
[2] فروسرخ (Infrared): به بخشی از طیف الکترومغناطیسی گفته می‌شود که انرژی آن کمتر از نور مرئی است و ما آن را به صورت گرما حس می‌کنیم.
[3] پیرومتر تابشی (Radiation Pyrometer).
[4] قانون استفان-بولتزمن (Stefan-Boltzmann Law).
[5] گسیلندگی (Emissivity): نسبت انرژی تابشی ساطع شده از یک سطح به انرژی تابشی ساطع شده از یک جسم سیاه ایده‌آل در همان دما. این عدد همیشه بین 0 و 1 است.
