CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ HỒNG NGOẠI KHÔNG TIẾP XÚC

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc đo nhiệt độ bằng cách phát hiện năng lượng hồng ngoại phát ra từ tất cả các vật liệu có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối (0 ° Kelvin) để tính toán hiển thị giá trị nhiệt độ cần đo.

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại có thiết kế cơ bản nhất bao gồm một thấu kính để tập trung năng lượng hồng ngoại (IR) vào đầu đo, giúp chuyển đổi năng lượng thành tín hiệu điện có thể được hiển thị theo đơn vị nhiệt độ sau khi được bù nhiệt cho sự thay đổi nhiệt độ môi trường. Thiết kế này tạo điều kiện cho phép đo nhiệt độ từ khoảng cách xa mà không tiếp xúc với đối tượng cần đo.

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại rất hữu ích để đo nhiệt độ trong các trường hợp trong đó các cặp nhiệt điện hoặc cảm biến loại đầu đo khác không thể được sử dụng hoặc cho kết quả đo không chính xác vì nhiều lý do. Một số trường hợp điển hình là đối tượng cần đo đang di chuyển hoặc trong các ứng dụng yêu thời gian cầu đáp ứng nhanh, độ chính xác cao, dải đo nhiệt rộng.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ HỒNG NGOẠI

Năng lượng hồng ngoại (IR) được phát ra từ tất cả các vật liệu có nhiệt độ trên 0°K. Bức xạ hồng ngoại là một phần của Phổ điện từ và nằm giữa tần số ánh sáng khả kiến (Ánh sáng nhìn thấy) và sóng vô tuyến. Phần hồng ngoại của phổ kéo dài bước sóng từ 0,7μm đến 1000μm. Trong dải sóng này, chỉ các tần số từ 0,7μm đến 20μm được sử dụng để đo nhiệt độ thực tế hàng ngày. Điều này là do cảm biến nhiệt độ IR hiện có không đủ nhạy để phát hiện lượng năng lượng rất nhỏ có sẵn ở bước sóng vượt quá 20μm.

Nhiệt được truyền từ vật này sang vật  khác thông qua dẫn truyền, đối lưu hoặc bức xạ. Bức xạ là một quá trình mà năng lượng nhiệt dưới dạng sóng điện từ được phát ra bởi một vật nóng và bị hấp thụ bởi một vật lạnh hơn. Hầu hết bức xạ này nằm trong vùng hồng ngoại (IR) của phổ điện từ, nhưng một số cũng lan truyền vào dải ánh sáng nhìn thấy. Dải bước sóng IR trải dài từ 0,7 đến 1000 micron, tuy nhiên các hệ thống đo IR thực tế chỉ sử dụng các dải bước sóng nhất định từ 0,7 đến 14 micron vì bức xạ là mạnh nhất trong dải này.

Nếu một vật thể tiếp xúc với năng lượng IR do một nguồn nhiệt bức xạ, chẳng hạn như lò sưởi điện, bóng đèn, mặt trời hoặc các nguồn khác, thì năng lượng truyền tới vật thể được gọi là năng lượng tới. Một phần năng lượng này bị phản xạ ra khỏi bề mặt vật thể. Về mặt lý thuyết, hệ số phản xạ của đối tượng có thể thay đổi từ 0 (không phản xạ) đến 1,0 (phản xạ 100%). Bề mặt nhám, mờ có hệ số phản xạ thấp. Các bề mặt được đánh bóng và bóng, đặc biệt là kim loại, có hệ số phản xạ cao.

Tùy thuộc vào chất liệu vật thể, độ dày và bước sóng bức xạ, một phần bức xạ có thể đi qua vật thể hoặc được truyền đi. Hệ số truyền sóng có thể thay đổi từ 0 (không có năng lượng truyền qua vật) đến 1,0 (100% năng lượng truyền qua vật). Các ví dụ về độ truyền cao bao gồm thủy tinh, thạch anh, màng nhựa và các loại khí khác nhau. Vật liệu mờ trong phổ IR có hệ số truyền gần bằng không.

Phần năng lượng còn lại được vật thể hấp thụ và làm tăng nhiệt độ của nó. Một vật thể giả định không có phản xạ hoặc truyền dẫn và hấp thụ tất cả năng lượng tới trên toàn bộ quang phổ có hệ số hấp thụ bằng 1,0 và được gọi là vật đen. Các vật thể trong cuộc sống thực, được gọi là vật thể màu xám, có hệ số hấp thụ nằm trong khoảng từ 0 đến 1,0.

Năng lượng sự cố, WI, được định nghĩa là:

WI = WR + WT + WA

Ở đây:

WI = năng lượng tới mà vật nhận được, W
WR = năng lượng phản xạ khỏi bề mặt vật thể, W
WT = năng lượng do vật truyền đi, W
WA = năng lượng được vật thể hấp thụ, W

Khi nhiệt năng tới một vật thể, một phần năng lượng này bị phản xạ, một phần truyền qua vật thể và phần còn lại bị hấp thụ. Các hệ số phản xạ, truyền và hấp thụ phụ thuộc vào vật liệu vật thể và bề mặt hoàn thiện và vào phổ bước sóng của năng lượng tới.

Khi vật thể hấp thụ năng lượng và nóng lên, nó cũng phát ra năng lượng. Khi một vật ở trạng thái cân bằng nhiệt, năng lượng nó hấp thụ (WA) bằng với năng lượng nó tỏa ra (WE): WA = WE. Khi một vật hấp thụ nhiều năng lượng hơn và nhiệt độ của nó tăng lên, thì lượng bức xạ mà nó phát ra cũng tăng lên.

Phép đo nhiệt IR dựa trên thực tế là bất kỳ môi chất (rắn, lỏng hoặc khí) có nhiệt độ trên không tuyệt đối (0 Kelvin hoặc -273 độ C) đều phát ra năng lượng bức xạ. Năng lượng này tỷ lệ với lũy thừa của nhiệt độ vật và khả năng vật hấp thụ và phát ra năng lượng IR được gọi là độ phát xạ. Năng lượng do một vật tỏa ra có thể được biểu thị như sau:

W = E σ T4 A

Ở đây:

W = năng lượng, W
E = độ phát xạ
σ = Hằng số Stefan-Boltzmann = 5.6703 10-8, W / m2K4
T = nhiệt độ tuyệt đối, oK
A = diện tích phát ra, m2

Năng lượng hồng ngoại di chuyển theo đường thẳng từ nguồn và có thể bị phản xạ và hấp thụ bởi các bề mặt vật chất trên đường đi của nó. Trong trường hợp hầu hết các vật thể rắn, một phần năng lượng hồng ngoại đập vào bề mặt vật thể sẽ bị hấp thụ và một phần sẽ bị phản xạ. Điều này cũng áp dụng cho các vật liệu trong suốt ,chẳng hạn như : thủy tinh, khí và nhựa mỏng nhưng ngoài ra, một số năng lượng IR cũng sẽ đi qua vật thể. Những hiện tượng này được gọi là độ phát xạ của vật thể hoặc vật liệu. 

Các loại vật liệu và khí khác nhau có độ phát xạ khác nhau, và do đó sẽ phát ra IR ở các cường độ khác nhau trong một nhiệt độ nhất định. Sự phát xạ của vật liệu hoặc khí là một chức năng của cấu trúc phân tử và đặc điểm bề mặt của nó. Nó thường không phải là một chức năng của màu sắc trừ khi nguồn màu là một chất hoàn toàn khác với cơ thể chính của vật liệu. Một ví dụ thực tế về điều này là sơn kim loại kết hợp một lượng đáng kể nhôm. Hầu hết các loại sơn có cùng độ phát xạ không phân biệt màu sắc, nhưng nhôm có độ phát xạ rất khác nhau do đó sẽ làm thay đổi độ phát xạ của kim loại có sơn.

Cũng giống như trường hợp với ánh sáng khả kiến, một số bề mặt càng được đánh bóng cao thì bề mặt IR sẽ phản xạ càng nhiều. Do đó, các đặc tính bề mặt của vật liệu cũng sẽ ảnh hưởng đến độ phát xạ của nó. Trong đo nhiệt độ, điều này có ý nghĩa trong trường hợp vật liệu có độ phát xạ thấp. Do đó, một miếng thép không gỉ được đánh bóng cao sẽ có độ phát xạ thấp hơn nhiều so với cùng loại với bề mặt được gia công thô. Điều này là do các rãnh được tạo ra bởi gia công ngăn chặn phần lớn năng lượng IR bị phản xạ. Ngoài cấu trúc phân tử và điều kiện bề mặt, yếu tố thứ ba ảnh hưởng đến sự phát xạ rõ ràng của vật liệu hoặc khí là độ nhạy bước sóng của cảm biến, được gọi là đáp ứng quang phổ của cảm biến. Như đã nêu ở trên, chỉ các bước sóng hồng ngoại trong khoảng 0,7μm và 20μm được sử dụng để đo nhiệt độ thực tế.

ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ HỒNG NGOẠI KHÔNG TIẾP XÚC

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc dùng để đo nhiệt độ các vật di chuyển, hoặc không thể đo tiếp xúc như trục quay, ru lô, cuộn thép và các ứng dụng đo nhiệt độ không tiếp xúc trong công nghiệp.

Cảm biến hồng ngoại còn được sử dụng trong y tế để phát hiện nhiệt độ của da. Sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt da của con người cung cấp cái nhìn sâu sắc về nhiều vấn đề sinh lý liên quan đến điều chỉnh nhiệt và trao đổi chất. Các mô hình nhiệt độ da trong các bệnh da liễu, mạch máu, vận động và ác tính có thể cung cấp thông tin có giá trị cho chẩn đoán lâm sàng và đánh giá điều trị. Nhiệt độ da có thể được đo chính xác bằng một số phương tiện. Máy đo nhiệt độ bằng tia hồng ngoại có thể ghi lại nhiệt độ da tổng thể và sự phân bố của nó một cách toàn diện.

Kỹ thuật không xâm lấn này là phép đo nhiệt độ bề mặt da bằng cách phát ra năng lượng nhiệt trong phần hồng ngoại của quang phổ. Các điều kiện vật lý của da và môi trường rất quan trọng khi xác định nhiệt độ da bằng cảm biến hồng ngoại. Hệ thống chụp ảnh nhiệt phải tạo ra hình ảnh nhiệt chất lượng cao của da trong thời gian quan sát ngắn. Việc xử lý hình ảnh nhiệt kế bằng phương pháp máy tính hứa hẹn cải thiện và nâng cao tiện ích của nhiệt kế như một công cụ nghiên cứu và lâm sàng.