Θερμοκάμερες και υπέρυθρη ακτινοβολία

Όταν εξετάζουμε διάφορα αντικείμενα με μία θερμοκάμερα, αυτά απεικονίζονται σε ένα φάσμα χρωμάτων που ξεκινά απο το μαύρο, σκούρο μπλέ, γαλάζιο, κόκκινο εώς το ανοιχτό πορτοκαλί και τέλος λευκό, ανάλογα με τη θερμοκρασία τους.

Υπερθέρμανση σε αγωγό ηλεκτρικού ρεύματος

Αυτό φυσικά αποτελεί προιόν ψηφιακής επεξεργασίας. Η θερμοκάμερα το μόνο που μπορεί να εντοπίσει είναι υπέρυθρη ακτινοβολία. Τα διάφορα χρώματα προκύπτουν μετά την επεξεργασία της εικόνας που “βλέπει” ο αισθητήρας της κάμερας και αντιπροσωπεύουν την ένταση της υπέρυθρης ακτινοβολίας σε κάθε σημείο.

Έτσι λοιπόν ένα σημείο το οποίο στην οθόνη της θερμοκάμερας απεικονίζεται ώς σκούρο μπλέ εκπέμπει μικρά ποσά υπέρυθρης ακτινοβολίας. Αντίθετα ένα σημείο το οποίο απεικονίζεται ως ανοιχτό πορτοκαλί εκπέμπει μεγάλα ποσά υπέρυθρης ακτινοβολίας.

Τί σχέση έχει η υπέρυθρη ακτινοβολία με την θερμοκρασία;

Σύμφωνα με το νόμο του Planck, όλα τα αντικείμενα εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος/συχνοτήτων. Η ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας ανα μήκος κύματος σχετίζεται με τη θερμοκρασία του αντικειμένου βάσει ενός μαθηματικού τύπου. Έτσι λοιπόν, αν μπορούμε να μετρήσουμε την ένταση της ΗΜ ακτινοβολίας και το μήκος κύματος της, τότε βάσει του τύπου μπορούμε να υπολογίσουμε και τη θερμοκρασία του. Αυτή είναι και η βασική αρχή λειτουργίας μιας θερμοκάμερας, αλλά και των θερμόμετρων υπερύθρων.

Ο λόγος που επιλέχθηκε η μέτρηση να γίνεται στο μήκος κύματος της υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι οτι όλα τα αντικείμενα εκπέμπουν σημαντικά ποσά φωτός στο υπέρυθρο φάσμα ακόμα και όταν έχουν πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ παράλληλα δέν υπάρχουν πολλές φυσικές πηγές υπέρυθρου φωτός.

Αντίθετα, αν για παράδειγμα φτιάχναμε μια θερμοκάμερα η οποία να λειτουργεί μετρώντας την κόκκινη ακτινοβολία, αυτή θα μπορούσε να κάνει μετρήσεις μόνο σε αντικείμενα που βρίσκονται σε θερμοκρασία αρκετών εκατονταδων βαθμών και πάνω (ερυθροπυρωμένα) ενώ παράλληλα θα μπορούσε να “μπερδευτεί” και να δείχνει λάθος θερμοκρασία, αν πάνω στο αντικείμενο πέφτει το φώς απο μία κόκκινη λάμπα.

Η σημασία του emissivity

Ο νόμος του Planck λοιπόν, μας δίνει τη σχέση μεταξύ έντασης της εκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας του αντικειμένου. Όμως, ο νόμος αυτός αναφέρεται σε ένα ιδανικό θεωρητικό υλικό το οποίο λέγεται μέλαν σώμα ή στα Αγγλικά blackbody. Στα πραγματικά υλικά σώματα, ένα μέρος της ακτινοβολίας που οδεύει προς τα έξω, αντανακλάται εσωτερικά, πίσω προς το εσωτερικό του σώματος.

Μάλιστα κάποια σώματα αντανακλούν εσωτερικά μεγαλύτερο μέρος της υπέρυθρης ακτινοβολίας απο αυτό που εκπέμπουν προς τα έξω. Ένα τέτοιο σώμα δηλαδή εκπέμπει μια πολύ μικρότερη ποσότητα υπέρυθρης ακτινοβολίας απο αυτή που θα προβλεπόταν βάσει του νόμου του Planck και κατα συνέπεια αν το μετρούσαμε με ένα υπερυθρο θερμόμετρο ή θερμοκάμερα, θα φαινόταν πολύ πιό ψυχρό απ’ ότι είναι στην πραγματικότητα.

Εδώ είναι που υπεισέρχεται το emissivity, το οποίο είναι ένας αριθμός χωρίς μέγεθος και αντιπροσωπεύει το ποσοστό της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας ώς προς την εσωτερικά ανακλούμενη για ένα συγκεκριμένο σώμα. Οι τιμές που μπορεί να πάρει είναι απο 0 εώς 1.

Έτσι λοιπόν, αν ένα σώμα έχει emissivity 0.65, αυτό σημαίνει οτι το 65% της ακτινοβολίας που προβλέπεται απο το νόμο Planck εκπέμπεται προς τα έξω, ενώ το υπόλοιπο 35% γίνεται εσωτερική ανάκλαση.

Το emissivity εκτός απο το είδος του υλικού, εξαρτάται και απο την επιφανειακή του κατεργασία. Έτσι ένα κομμάτι μέταλλο το οποίο έχει άγρια και σκούρα επιφάνεια, έχει μεγάλο emissivity. Αν το ίδιο κομμάτι μέταλλο το κατεργαστούμε έτσι ωστε η επιφάνεια του να γίνει λεία και γυαλιστερή, τότε το emissivity θα πέσει δραματικά.

Όλες οι θερμοκάμερες και τα καλά υπέρυθρα θερμόμετρα έχουν ρυθμιζόμενο emissivity. Έτσι εισάγουμε το emissivity του αντικειμένου που θέλουμε να θερμομετρήσουμε και η κάμερα θα κάνει αυτόματα τον υπολογισμό και θα μας δείξει τη σωστή θερμοκρασία. Τα φτηνά θερμόμετρα είναι μόνιμα ρυθμισμένα μεταξύ 0,90 και 0,95 το οποίο γενικά δίνει μία ικανοποιητική ακρίβεια στα πιό πολλά υλικά.

Ας δούμε όμως ένα παραδειγμα υλικού με εξαιρετικά χαμηλό emissivity και πώς αυτό μπορεί να μας δώσει δραματικά μικρότερη τιμή θερμοκρασίας απο την πραγματική.

Αυτό είναι ένα κατσαρολάκι στο οποίο έχω κολλήσει στο πλάι ένα κομμάτι μονωτική ταινία. Το γυαλιστερό μέταλλο έχει emissivity μικρότερο του 0,20 ενώ αντίθετα στο άλλο άκρο, η μονωτική ταινία έχει 0,98 με 0,99.

Στη συνέχεια γεμίζω το κατσαρολάκι με καυτό νερό.

Στην εικόνα η κάμερα είναι ρυθμισμένη στο 0,95 και φαίνεται οτι το μέταλλο είναι πολύ πιό κρύο (στους 32 βαθμούς) απο τη μονωτική ταινία. Αυτό φυσικά είναι αδύνατον. Η ταινία είναι σε άμεση επαφή με το μέταλλο και επιπλέον είναι πολύ λεπτή με μικρή μάζα. Συνεπώς ότι θερμοκρασία έχει το μέταλλο, αυτομάτως την ίδια θερμοκρασία θα αποκτήσει και η ταινία.

Αν πάρουμε μέτρηση απο τη μονωτική ταινία θα δούμε οτι δίνει θερμοκρασία 80 βαθμών, η οποία είναι και η πραγματική:

Γενικά, και επειδή πολλές φορές δέν θα γνωρίζουμε το emissivity του υλικού που θέλουμε να μετρήσουμε, είναι κοινή πρακτική να τοποθετούμε πάνω του ένα κομμάτι μονωτικής ταινίας (που έχει γνωστό emissivity) και με αυτό τον τρόπο να κάνουμε ακριβείς μετρήσεις.

Γι αυτό, ένα ρολό μονωτικής ταινίας πρέπει να βρίσκεται πάντα μέσα στη βαλίτσα της θερμοκάμερας!