تف‌سنج نوری: دماسنج مبتنی بر مقایسه نور
دماسنجی چیست و چرا به تف‌سنج نوری نیاز داریم؟
همه ما با دماسنج‌های معمولی مثل دماسنج جیوه‌ای یا الکلی برای اندازه‌گیری دمای بدن یا هوا آشنا هستیم. اما برای اندازه‌گیری دمای یک قطعه فولاد گداخته در کوره یا سطح خورشید، این دماسنج‌ها کاملاً بی‌فایده هستند! زیرا یا ذوب می‌شوند یا نمی‌توانیم به آن‌ها نزدیک شویم. اینجاست که تف‌سنج نوری به کمک ما می‌آید.
تف‌سنج نوری یک دماسنج غیرتماسی۴ است، یعنی برای اندازه‌گیری دمای یک جسم، نیازی به تماس فیزیکی با آن ندارد. این ویژگی آن را برای اندازه‌گیری دماهای بسیار بالا (حتی بیش از 3000 درجه سانتی‌گراد) ایده‌آل می‌کند.
اصول علمی پشت پرده تف‌سنج نوری
اساس کار تف‌سنج نوری بر یک قانون فیزیکی مهم به نام قانون تابش جسم سیاه۵ استوار است. طبق این قانون، هر جسمی که دمایش بالاتر از صفر مطلق (-273 درجه سانتی‌گراد) باشد، از خود انرژی تابش می‌کند. این انرژی به صورت نور (امواج الکترومغناطیس) ساطع می‌شود.
با افزایش دمای جسم، رنگ نوری که از آن ساطع می‌شود، تغییر می‌کند. به این ترتیب که:
| حالت دمایی (مثال) | رنگ نور ساطع‌شده | دامنه دمایی تقریبی (°C) |
|---|---|---|
| اتو یا بخاری برقی روشن | قرمز تیره (غیرقابل مشاهده برای چشم) | 500 - 300 |
| میله آهن در کوره | قرمز روشن | 1000 - 800 |
| رشته لامپ حبابی | نارنجی-زرد | 2500 - 2000 |
| سطح خورشید | زرد-سفید | ~5500 |
تف‌سنج نوری با مقایسه روشنایی یا شدت نور جسم داغ با نور یک لامپ کوچک (رشته‌ای) که در داخل خودش قرار دارد، دمای جسم را تعیین می‌کند. وقتی روشنایی رشته لامپ داخلی دقیقاً با روشنایی جسم داغ یکسان شود، در آن لحظه می‌توان دمای جسم را از روی تنظیمات دستگاه خواند.
اجزای تشکیل‌دهنده یک تف‌سنج نوری
برای درک بهتر نحوه کار، باید با قسمت‌های اصلی این دستگاه آشنا شویم:
| نام جزء | وظیفه | تشبیه |
|---|---|---|
| عدسی۶ | نور ساطع‌شده از جسم داغ را جمع‌آوری و متمرکز می‌کند. | مانند ذره‌بین که نور خورشید را روی یک نقطه متمرکز می‌کند. |
| لامپ رشته‌ای۷ داخلی | به عنوان منبع نور مرجع عمل می‌کند. روشنایی آن با یک دیممر (تضعیف‌کننده) قابل تنظیم است. | مانند لامپ‌های قابل تنظیم روی یک میز آرایش که می‌توان شدت نور آن‌ها را کم و زیاد کرد. |
| فیلتر رنگی۸ (اغلب قرمز) | فقط به نور با رنگ (طول موج) خاصی اجازه عبور می‌دهد تا مقایسه دقیق‌تر شود. | مانند عینک آفتابی که فقط نورهای آزاردهنده خاصی را مسدود می‌کند. |
| چشم ناظر | عمل مقایسه مستقیم بین روشنایی جسم و روشنایی لامپ داخلی را انجام می‌دهد. | مانند داور یک مسابقه که دو چیز را با هم مقایسه و قضاوت می‌کند. |
| مقیاس دما و کنترل‌ها | دمای خوانده‌شده را نمایش می‌دهد و امکان تنظیم جریان لامپ را فراهم می‌کند. | مانند صفحه‌سرعت‌سنج و پدال گاز در خودرو. |
چگونه از یک تف‌سنج نوری استفاده می‌کنیم؟
استفاده از این دستگاه یک فرآیند گام‌به‌گام است:
گام اول: هدف‌گیری – عدسی دستگاه را به سمت جسم داغ (مثل مذاب فلز در یک کوره) می‌گیریم. باید مطمئن شویم که دید واضحی از جسم داریم.
گام دوم: مشاهده و مقایسه – از طریق چشمی دستگاه نگاه می‌کنیم. در میدان دید، دو تصویر خواهیم دید: یکی تصویر رشته لامپ داخلی و دیگری تصویر جسم داغ.
گام سوم: تطبیق روشنایی – با چرخاندن یک knob (دکمه گردان)، جریان الکتریکی لامپ داخلی را کم یا زیاد می‌کنیم. این کار باعث می‌شود روشنایی رشته لامپ تغییر کند. ما این کار را ادامه می‌دهیم تا زمانی که روشنایی رشته لامپ کاملاً با روشنایی جسم داغ یکسان شود و رشته لامپ در پس‌زمینه جسم ناپدید گردد.
گام چهارم: خواندن دما – وقتی تطبیق کامل شد، می‌توانیم دمای جسم را مستقیماً از روی صفحه‌درجه‌بندی‌شده دستگاه بخوانیم.
مقایسه مزایا و محدودیت‌ها
مانند هر ابزار دیگری، تف‌سنج نوری نقاط قوت و ضعفی دارد.
| مزایا (نقاط قوت) | محدودیت‌ها (نقاط ضعف) |
|---|---|
| اندازه‌گیری غیرتماسی – ایمنی بالا برای کاربر | وابستگی به دید مستقیم – اگر دود یا بخار مسیر را مسدود کند، کار نمی‌کند |
| دمای بسیار بالا – قادر به اندازه‌گیری دماهای غیرقابل دسترس برای سایر دماسنج‌ها | خطای انسانی – دقت اندازه‌گیری به مهارت و دید چشم کاربر بستگی دارد |
| سرعت پاسخ‌دهی بالا – تقریباً فوری | وابسته به گسیلندگی۱۰ – برای مواد مختلف باید تنظیم شود |
| عدم تداخل با فرآیند – دمای جسم را تغییر نمی‌دهد | معمولاً برای دماهای زیر 700 درجه سانتی‌گراد مناسب نیست (چون نور مرئی کمی تابش می‌شود) |
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر، معمولاً نه. زیرا شیشه در حالت مذاب، نور مرئی را به خوبی از خود عبور می‌دهد (شفاف است) و مانند یک جسم کدر عمل نمی‌کند. در نتیجه، مقایسه روشنایی به درستی انجام نمی‌شود و اندازه‌گیری خطای زیادی خواهد داشت.
پاسخ: مهمترین دلیل، تفاوت در گسیلندگی ماده است. دستگاه معمولاً برای یک جسم سیاه ایده‌آل (با گسیلندگی $1$) کالیبره شده است. اگر ماده مورد اندازه‌گیری (مثلاً آلومینیوم براق) گسیلندگی کمتری (مثلاً $0.1$) داشته باشد، باید یک ضریب تصحیح روی دستگاه اعمال شود، در غیر این صورت دما کمتر از مقدار واقعی نشان داده می‌شود.
پاسخ: بله، در تئوری این امکان وجود دارد. اما در عمل، به دلیل فاصله بسیار زیاد و وجود جو زمین که نور را پراکنده و جذب می‌کند، باید محاسبات و تصحیحات پیچیده‌ای انجام داد. اساس کار بسیاری از اندازه‌گیری‌های دمای ستارگان، از جمله خورشید، بر اصول مشابه تف‌سنج نوری استوار است.
پاورقی
۱ تف‌سنج نوری (Optical Pyrometer) – پیرومتر نوری
۲ پیرومتر (Pyrometer) – به هر دماسنجی که برای اندازه‌گیری دمای بالا از راه دور استفاده شود، گفته می‌شود.
۳ درخشندگی (Luminosity) – شدت نور ساطع‌شده از یک جسم.
۴ غیرتماسی (Non-Contact) – بدون نیاز به تماس فیزیکی.
۵ قانون تابش جسم سیاه (Black Body Radiation Law) – قوانین فیزیکی توصیف تابش گسیل‌شده توسط یک جسم ایده‌آل که تمام تابش فرودی را جذب می‌کند.
۶ عدسی (Lens)
۷ لامپ رشته‌ای (Filament Lamp)
۸ فیلتر رنگی (Color Filter)
۹ قانون جابجایی وین (Wien's Displacement Law)
۱۰ گسیلندگی (Emissivity) – نسبت تابش یک جسم واقعی به تابش یک جسم سیاه ایده‌آل در همان دما. عددی بین 0 و 1 است.
