Præcise temperaturmålinger med usynligt lys

Normalt, du vil ikke støde på et strålingstermometer, før nogen sætter et i dit øre på lægekontoret, eller du peger på din pande, når du har feber. Men mere sofistikeret og højt kalibreret, "ikke-kontakt" termometre i forskningskvalitet - som måler den infrarøde (varme) stråling afgivet af genstande uden at røre dem - er kritisk vigtige for mange bestræbelser udover sundhedspleje.

Imidlertid, selv avancerede konventionelle strålingstermometre har produceret aflæsninger med bekymrende store usikkerheder. Men nu har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) opfundet en bærbar, bemærkelsesværdigt stabilt strålingstermometer i standardkvalitet, som er omkring 60 cm (24 in.) langt, der er i stand til at måle temperaturer med en præcision på inden for et par tusindedele af en grad Celsius.

NIST har en lang historie med at studere strålingstermometre. Det nye prototype instrument, som bygger på det arbejde, kan måle temperaturer mellem -50 ˚C (-58 ˚F) til 150 ˚C (302 ˚F). De tilsvarende infrarøde bølgelængder er fra 8 til 14 mikrometer (milliontedele af en meter), som er en slags termodynamisk sweet spot.

"Alle temperaturer er lige, men nogle er mere lige end andre, " sagde NIST-fysiker Howard Yoon, hvem skabte termometerdesignet og ledede projektet, beskrevet i journalen Optik Express . "Denne 200-graders spændvidde dækker næsten alle naturligt forekommende temperaturer på Jorden. Hvis du gør en stor indflydelse ved at måle objekter i det område, det betyder virkelig noget."

Ud over klinisk medicin, temperaturer i det pågældende område er af presserende betydning i applikationer, hvor kontakt ikke er passende eller mulig. For eksempel, kirurger skal måle temperaturen af ​​organer før transplantation. Moderne landmænd har brug for nøjagtige temperaturer, når de håndterer, opbevaring, og forarbejdning af fødevarer. Satellitter kræver berøringsfrie termometre til måling af temperaturer på land og havoverfladen.

Konventionelle strålingstermometre indeholder ofte lidt mere end en linse til fokusering af den infrarøde stråling og en pyroelektrisk sensor, en enhed, der konverterer varmeenergi til et elektrisk signal. Deres målinger kan påvirkes af temperaturforskelle langs termometeret og af temperaturen udenfor instrumentet.

NIST-designet, kaldet Ambient-Radiation Thermometer (ART) er udstyret med en række indvendige termometre, der konstant måler temperaturer på forskellige punkter i instrumentet. Disse aflæsninger sendes til et feedback-sløjfesystem, som holder den 30 cm (12 tommer) cylinder, der indeholder detektorenheden, ved en konstant temperatur på 23 ˚C (72 ˚F).

Den har også andre designforbedringer, herunder en metode til at reducere fejl fra det, der kaldes størrelsen af ​​kilden-effekten, som opstår, når stråling trænger ind i instrumentet fra områder uden for dets specificerede synsfelt.

ART's største fordel er dens hidtil usete stabilitet. Efter at den er blevet kalibreret mod kontakttermometre af standardkvalitet, instrumentet kan forblive stabilt inden for nogle få tusindedele af en grad i måneder under kontinuerlig drift. Det gør systemet meget lovende til applikationer, der involverer fjernmåling over lange perioder.

"Forestil dig at være i stand til at tage NIST-designet med ud i marken som rejsende strålingstermometre til nøjagtig måling af variabler såsom jord- og havoverfladetemperaturer, " sagde Yoon. "Det kunne tjene som en pålidelig metode til at kalibrere satellit IR-sensorer og validere de enorme vejrvidenskabelige programmer, der bruges til at forudsige, for eksempel, orkanernes veje og styrker." Dens nedre område på -50 ˚C (-58 ˚F) gør den velegnet til at overvåge temperaturen på is over polarområder, typisk i området -40 ˚C (-40 ˚F) til -10 ˚C (14 ˚F).

Der er flere metoder til at foretage meget høj nøjagtige temperaturmålinger, men få er velegnede til feltarbejde. Platinmodstandstermometre er skrøbelige og har brug for hyppig re-kalibrering. Standardtemperaturkilden til at overføre denne kalibrering til ART involverer et varmekildehulrum inde i omkring 42 liter (11 gallons) væske.

"Det er de bedste kilder, vi har, " sagde Yoon. "Men det er upraktisk at måle vandtemperaturen ved at sætte et termometer i havet med mellemrum, og du ønsker ikke konstant at kalibrere dit strålingstermometer ved hjælp af en sådan kalibreringskilde ombord på et skib."

Gerald Fraser, chef for NIST's Sensor Science Division, sagde, at "Yoons innovation gør berøringsfri termometri konkurrencedygtig med de bedste kommercielle kontakttermometre i nøjagtighed og stabilitet i et temperaturområde, som mennesker oplever dagligt. Dette muliggør mange nye muligheder inden for produktinspektion og kvalitetskontrol og inden for forsvar og sikkerhed, hvor konventionelle kontaktmetoder er upraktiske eller for dyre."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.