Termometru cu infraroșu

Profilul unui termometru IR generic

Termometrul în infraroșu (IR Thermometer), sau pirometrul în infraroșu, este un instrument pentru detectarea temperaturii corpului sau, mai general, a unui obiect, din apropiere și în absența contactului cu suprafața pe care doriți să măsurați temperatura.

Funcționarea termometrului cu infraroșu se bazează pe detectarea radiațiilor infraroșii, invizibile pentru ochiul uman, dar emise de toate corpurile cu temperaturi peste zero absolut.

Domeniile de aplicare sunt multe, de la domeniul medical la cel militar sau astrofizic .

Originea invenției

Originea termometrului cu infraroșu este relativ recentă și nu poate fi urmărită până la o singură invenție. În schimb, este împărțit într-o serie de instrumente dezvoltate încă din anii șaptezeci, dobândind îmbunătățiri din punct de vedere al eficacității și fiabilității din când în când.

De la începutul anilor șaizeci, au fost dezvoltate diverse instrumente de uz civil și militar ( telecomenzi , instrumente de vedere nocturnă etc.) a căror funcționare este legată de detectarea și / sau emisia de radiații IR. Primul exemplu de termometru care funcționează pe acest principiu a fost făcut în 1974 în Statele Unite . ^[1]

Concomitent cu dezvoltarea și producția în masă a termometrelor IR așa cum le observăm astăzi, a fost dezvoltat un instrument similar (cu costuri accesibile), răspândit mai ales în domeniul clinic datorită fiabilității mai mari: termometrul cu urechi în infraroșu ^[2] . Primele termometre IR au fost de fapt mai scumpe și mai puțin fiabile decât cele din urmă, care, cu excepția formei brevetate pentru inserarea în cavitatea urechii, are aproape aceleași componente. Alegerea punctului de măsurare, membrana timpanică , se datorează posibilității rare de interferență și faptului că detectorul, la introducerea în canalul auditiv , se izolează de mediul extern datorită pereților urechii.

Ulterior, datorită eficienței mai mari a componentelor și a tehnologiei utilizate, instrumentul a fost îmbunătățit, determinându-l să depășească problemele legate de emisivitate . Acest lucru a făcut posibilă măsurarea temperaturii într-un timp minim (câteva secunde), cu un grad ridicat de precizie și fără niciun contact.

Principiile de funcționare

Termometrul IR funcționează datorită radiației termice, definită ca radiația electromagnetică în infraroșu emisă de fiecare corp cu o temperatură mai mare de 0 K și detectată de un dispozitiv plasat în corpul termometrului. Principiul fundamental pe care se bazează acest tip de detector este o generalizare a legii Stefan-Boltzmann privind emisia, care corespunde legii lui Planck privind emisia de radiații:

radiația termică emisă de o suprafață este direct proporțională cu a patra putere a temperaturii aceleiași suprafețe.

Acest principiu se referă la modelul teoretic legat de emisivitatea corpului negru, care presupune un corp ideal al cărui spectru de emisie la o temperatură cunoscută este compus din radiații de orice lungime de undă. Emisivitatea exprimă capacitatea unui corp de a absorbi energia termică și apoi de a o emite sub formă de radiații infraroșii, valoarea sa este egală cu 1 dacă energia este complet absorbită ca în cazul corpului negru și 0 dacă energia este pe deplin reflectat. Totul pe care se efectuează în mod obișnuit o măsurare are o emisivitate între aceste două valori și este definit ca un corp gri, deoarece spectrul de absorbție și emisie al unei suprafețe reale este incomplet în comparație cu cel al corpului negru. Acest lucru se datorează unor factori precum compoziția chimică și structura geometrică a materialului, care reduc semnificativ valoarea emisivității (dacă variația este semnificativă vorbim de emisie). Din acest motiv, o suprafață va radia mai puțină energie decât ne-am putea aștepta, conform legii că o suprafață care are un spectru de absorbție incomplet va emite o cantitate mai mică de radiație termică decât radiația emisă de corpul negru (coeficientul de absorbție și emisivitatea sunt echivalente ). Emisivitatea unui corp este rezultatul relației dintre energia efectiv radiată și cea care ar radia dacă ar fi un corp ideal la o anumită temperatură. Cu toate acestea, nu este posibil să se determine variația exactă, făcând necesar să se facă presupuneri care, în consecință, generează o inexactitate în citirea temperaturii.

Pentru a limita parțial problemele legate de emisivitate, detectorul de unde este introdus într-o cupă conică realizată dintr-un material foarte reflectorizant, în corespondență cu o sticlă transparentă care permite trecerea undelor IR. Această structură permite nu numai transmiterea radiației de intrare concentrându-se în întregime pe senzor (limitând fenomenul de difuzie), ci și reducerea câmpului vizual al termometrului, izolând cât mai mult posibil fluxul de radiații provenind din zona detectată .

Carcasa detectorului este, la rândul său, introdusă într-un corp izolat asemănător unei cutii, având de obicei un mâner ergonomic .

Componentele interne ale termometrelor pot varia semnificativ în funcție de model, domeniul de aplicare și contextul de utilizare. Cu toate acestea, unele elemente și caracteristici sunt comune tuturor termometrelor din această categorie:

un microprocesor care supraveghează activitatea termometrului
un termopil
un radiator , la care este conectat un detector termic convențional
un senzor (sau detector) sensibil la radiațiile infraroșii
un multiplexor
un microprocesor care primește semnalul temperaturii detectate transformându-l într-o ieșire pe un ecran.

Datele necesare procesului de calcul sunt împărțite între cele referitoare la amploarea fluxului de radiații IR între suprafață și senzor și cele referitoare la temperatura ambiantă utilizată ca temperatură de referință. Termopilul are sarcina de a detecta în mod constant temperatura mediului ambiant și este poziționat lângă radiator. Ambele sunt învelite într-o carcasă cu conductivitate termică redusă.

În momentul detectării, fluxul de radiații infraroșii emise de suprafața țintă este canalizat în interiorul cupei conice care conține senzorul, care, atunci când este solicitat, trimite datele către microprocesor prin intermediul circuitelor analogice. Dispozitivele mai moderne au înlocuit circuitele analogice cu senzori opto-electronici capabili să convertească direct radiația infraroșie în impulsuri electrice, crescând astfel viteza și precizia acestui instrument. Diferitele adaptări, concepute pentru a aproxima emisivitatea la 1, fac posibilă calcularea temperaturii folosind legea Stefan-Boltzmann.

Procesarea este un proces de calcul al cărui obiectiv este de a returna rezultatul cel mai apropiat de temperatura reală, asociind datele stocate în microprocesor cu datele primite de la senzor. Următorul algoritm, generat într-un mod empiric, permite redefinirea rezultatului ținând cont că o emisivitate mai mică are ca rezultat un rezultat mai mic decât cel real.

Ulterior, dispozitivul efectuează un anumit număr de detecții într-un interval de timp de ordinul unei secunde. Prima comparație se face cu o valoare de referință predeterminată, sub care rezultatul nu este considerat de interes (de exemplu 32 ° C pentru termometrele clinice), în timp ce termopilul monitorizează temperatura ambiantă , astfel încât să aibă în scopul calculelor întotdeauna exacte detectare.

De exemplu, presupunând că se efectuează 10 măsurători într-o secundă, dispozitivul elimină apoi rezultatele inutile, pentru a obține cea mai fiabilă valoare: se așteaptă ca toate rezultatele detectate să fie mai mari decât valoarea de referință și, transformându-l în impulsuri electrice, acestea sunt transferate în memoria microprocesorului în ordine descrescătoare. Algoritmul de calcul face o medie ponderată a celor mai mari 5 valori, returnând un rezultat a cărui valoare absolută a abaterii cu cel mai mare element nu trebuie să depășească o constantă de referință (de exemplu, 0,2 ° C). Dacă acest lucru nu este cazul cu cel mai mare element, algoritmul repetă calculul cu următoarea valoare în ordine, până când egalitatea este îndeplinită. În cele din urmă, microprocesorul face o corecție finală pe baza unei curbe pătratice, care corelează temperatura detectată cu temperatura ambiantă (actualizată constant).

Odată ce ultima lectură a fost dobândită, microprocesorul emite un semnal sonor pentru a notifica utilizatorul cu privire la sfârșitul măsurătorii. Multiplexorul convertește semnalul rezultat în ieșire și îl trimite la microprocesorul ecranului care îl afișează ^[3] . Temperatura afișată poate fi exprimată în grade Celsius sau Fahrenheit, în funcție de sistemul de măsurare adoptat în țara în care este distribuit termometrul.

Utilizare clinică

Difuzia rapidă a termometrului cu infraroșu este legată de mai mulți factori: rapiditatea acțiunii, fiabilitatea acestuia și absența completă a contactului, care facilitează măsurarea mai multor indivizi, evitând contaminarea de către agenți bacterieni sau virali. Cu toate acestea, nu toate categoriile de termometre IR sunt adecvate pentru utilizare clinică, deoarece multe dintre aceste dispozitive sunt concepute pentru a fi utilizate în sectoare care necesită detectarea unei game mult mai largi de temperaturi, care ar face utilizarea lor pe un subiect inutil din cauza preciziei slabe. .

Fluxul diferit de sânge și expunerea diferită la dispersia căldurii fac ca temperatura suprafeței diferitelor zone ale corpului să nu fie omogenă. Pentru a obține rezultate corecte de la termometru, este necesar să se ia în considerare zonele în care temperatura nu suferă modificări semnificative.

Detectarea se efectuează cel mai adesea prin scanarea frunții, în apropierea arterei frontale. Cu toate acestea, artera poate fi localizată în corespondență cu linia părului sau chiar sub aceasta (așa cum se întâmplă adesea la copii) și din acest motiv măsurarea nu poate fi complet fiabilă. Interferențele (și, prin urmare, modificarea rezultatului), pot apărea, de asemenea, în condiții de stres deosebit ale pacientului sau din cauza condițiilor extreme de mediu.

Măsurarea temperaturii corpului cu un termometru cu infraroșu

Pentru a obține un rezultat cu cea mai mică marjă de eroare, este necesar să se scaneze zonele capului în care există un flux sanguin intens și constant, măsurând temperatura chiar și în mai multe puncte:

Zona superioară a ochiului, lângă artera supraorbitală, care la rândul ei este o ramură a carotidei interne ;

Zona din spatele urechii, deoarece este și foarte vascularizată și este o ramură a carotidei interne;

Zona frontală (care, așa cum s-a menționat, poate să nu fie întotdeauna fiabilă) devine utilă dacă este posibil să se identifice pe larg artera temporală internă sau externă, respectiv ramurile arterei carotide externe și interne.

Suprafețele enumerate mai sus vă permit să obțineți cel mai consistent rezultat cu temperatura reală a fluxului sanguin din inimă.

Pentru o măsurare optimă (pe lângă o identificare corectă a punctelor compatibile din punct de vedere anatomic) este necesar ca instrumentul să fie în echilibru termic cu mediul înconjurător, ceea ce durează de obicei câteva minute. Acest lucru este necesar pentru ca interiorul dispozitivului (datorită spațiului de aer dintre termopil și radiator) să atingă exact temperatura ambiantă. În acest fel, pentru procesele descrise mai sus, temperatura camerei detectate va fi precisă, jucând un rol fundamental în algoritmul de calcul.

Distanța de la care se efectuează sondajul poate afecta și rezultatul final, deși în mod semnificativ. Această distanță este proporțională cu suprafața măsurată printr-un raport de aproximativ 12: 1, adică la o distanță de 12 cm se acționează pe 1 cm² de suprafață. Cu toate acestea, ideea că detectarea unei suprafețe mai mari duce la un rezultat mai corect este înșelătoare. Prima problemă este legată de emisivitatea datorată unei suprafețe mai mari; în al doilea rând, de exemplu, prin efectuarea detectării în apropierea arterei supraorbitale la o distanță de aproximativ 24 cm (2 cm² de suprafață țintă ), va fi măsurată și o porțiune a frunții, care poate atinge o diferență de aproximativ 2 ° C comparativ la temperatura reală a fluxului sanguin , modificând temperatura detectată. Prin urmare, este recomandabil să efectuați detectarea unei suprafețe de aproximativ 0,5 cm², la o distanță de puțin sub 5 centimetri.

Aceste dispozitive sunt în general echipate cu un indicator laser, ceea ce face ca zona pe care măsurarea să fie făcută vizibilă pentru utilizator. Intensitatea iradierii indicatorului poate reprezenta (mai ales la o vârstă fragedă) un pericol retinal pentru subiect, dacă este îndreptat spre globul ocular. Din acest motiv, a fost convenit un parametru prag pentru a limita orice daune cauzate de utilizarea incorectă.

Fiabilitatea acestor dispozitive este, prin urmare, condiționată de utilizarea corectă a termometrului și, deși într-o măsură minimă, de expunerea la surse de interferență termică care pot afecta precizia rezultatului. Acest fenomen se datorează suprapunerii undelor infraroșii emise de diferite surse, care odată în contact pot genera interferențe constructive sau distructive. Din acest motiv, este de preferat să utilizați dispozitivul departe de sursele de căldură.

Utilizare în timpul pandemiei Covid-19 din 2019-2021

Răspândirea masivă a termometrelor cu infraroșu este legată de pandemia Covid-19 globală din 2019-2021 . În Italia, utilizarea termometrelor cu infraroșu aparține setului de măsuri preventive obligatorii prevăzute de DPCM în vigoare începând cu 26 aprilie 2020, care prevede că fiecare unitate publică și privată are un instrument pentru detectarea temperaturii corpului vizitatorilor. În acest scop, termometrul este ideal pentru măsurarea în siguranță și viteză.