Bagaimanakah Kamera Terma Mengukur Suhu Tanpa Menyentuh Objek?

Sentuh cawan berisi air panas dan tenaga berpindah antara kulit dengan cawan melalui sentuhan. Kamera terma tidak memerlukan proses itu. Permukaan pada suhu melebihi sifar mutlak memancarkan sinaran elektromagnet akibat keadaan termalnya, dan sinaran ini dinamakan sinaran terma. Kamera mengesan sebahagian sinaran tersebut lalu menggunakan hubungan antara spektrum sinaran dengan suhu untuk menganggarkan suhu permukaan. Namun, bacaan itu bukan termometer ajaib, kerana sifat permukaan, sinaran persekitaran, atmosfera dan kalibrasi alat boleh mempengaruhi hasilnya.

Semua objek biasa memancarkan sinaran

Setiap bahan pada suhu melebihi sifar mutlak memancarkan sinaran elektromagnet kerana pergerakan terma zarah bercas di dalamnya, dan keamatan serta taburan spektrum sinaran itu bergantung pada suhu dan sifat bahan. Pada suhu bilik, sebahagian besar sinaran terma objek biasa berada dalam inframerah dan tidak dapat dilihat oleh mata manusia. Sebab itu meja, dinding atau tubuh manusia tidak perlu bercahaya merah untuk memancarkan sinaran terma. Apabila suhu meningkat, taburan spektrum sinaran berubah. Bagi jasad hitam, iaitu model ideal yang menyerap semua sinaran yang mengenainya dan mempunyai emisiviti 1, spektrum sinaran pada suatu suhu diterangkan oleh hukum Planck.

NASA menerangkan bahawa jumlah tenaga yang dipancarkan oleh jasad hitam meningkat dengan suhu mengikut hukum Stefan-Boltzmann, F = σT⁴, dengan F ialah fluks tenaga terpancar per unit luas, σ pemalar Stefan-Boltzmann dan T suhu mutlak dalam kelvin. Hubungan ini menerangkan pancaran jasad hitam, bukan fluks bersih selepas mengambil kira sinaran yang diserap daripada persekitaran. Ia juga tidak bermaksud kamera terma biasa hanya mengukur jumlah haba lalu memasukkannya terus ke dalam persamaan tersebut. Pengesan sebenar mempunyai jalur spektrum tertentu dan respons instrumen tertentu, dan ia perlu mengambil kira permukaan sebenar yang bukan jasad hitam sempurna.

Mengapa kamera menggunakan inframerah?

Hukum anjakan Wien menerangkan bahawa panjang gelombang pada puncak spektrum jasad hitam berubah secara songsang dengan suhu, iaitu λmaks T = b. Bagi objek sekitar suhu bilik, puncak pancaran terma berada dalam inframerah gelombang panjang, bukan cahaya tampak. Oleh itu, pengesan yang peka terhadap inframerah sesuai untuk mengesan perbezaan radians daripada banyak objek di persekitaran harian. Prinsip yang sama digunakan NASA dalam penderiaan jauh: instrumen MODIS, misalnya, mempunyai jalur terma yang dikalibrasi menggunakan sumber jasad hitam dengan suhu dan emisiviti yang diketahui. Namun, puncak spektrum bukan sempadan, kerana objek memancarkan sinaran dalam satu julat panjang gelombang, bukannya pada satu panjang gelombang sahaja.

Jasad hitam ialah model, bukan warna cat

Nama jasad hitam mudah mengelirukan. Dalam fizik, jasad hitam ialah penyerap ideal dan pemancar terma ideal, dan ia tidak semestinya kelihatan hitam pada semua suhu. Jasad hitam pada suhu bilik memancarkan sebahagian besar tenaganya dalam inframerah, maka pancarannya dalam julat cahaya tampak terlalu lemah untuk dilihat dengan jelas. Pada suhu ribuan kelvin, pancaran dalam julat cahaya tampak meningkat dan jasad hitam boleh kelihatan sangat terang. Makmal metrologi menggunakan rongga jasad hitam yang direka supaya emisiviti efektifnya sangat hampir kepada 1; NIST, sebagai contoh, menggunakan sumber rujukan beremisiviti melebihi 0.9985 untuk kalibrasi termometer sinaran. Jadi perkataan hitam dalam istilah ini menerangkan sifat radiatif ideal, bukan sekadar rupa permukaan dalam cahaya tampak.

Permukaan sebenar mempunyai emisiviti

Objek sebenar lazimnya tidak memancarkan sinaran seperti jasad hitam ideal. Emisiviti menerangkan keupayaan permukaan memancarkan sinaran terma berbanding jasad hitam pada suhu dan keadaan yang sama, dan nilainya bergantung pada bahan, keadaan permukaan, panjang gelombang dan arah pemerhatian. Ini membawa masalah penting: dua permukaan pada suhu fizikal yang sama boleh memberikan radians inframerah yang berbeza jika emisivitinya berbeza. Kamera yang mentafsir kedua-duanya dengan andaian emisiviti yang sama boleh menghasilkan anggaran suhu yang berbeza walaupun suhu sebenarnya sama.

Mengapa logam berkilat boleh mengelirukan kamera?

Permukaan beremisiviti rendah lazimnya memantulkan lebih banyak sinaran persekitaran dalam jalur yang berkaitan. Akibatnya, sinaran yang tiba di kamera bukan semata-mata pancaran terma daripada objek, kerana ia boleh mengandungi komponen yang dipantulkan daripada dinding, langit, manusia atau sumber panas lain. Pengesan menerima gabungan sinaran yang dipancarkan oleh permukaan dan sinaran persekitaran yang dipantulkan olehnya, dan tiada cara mudah untuk melabel setiap foton sebagai dipancarkan oleh objek atau dipantulkan daripada bilik, maka radians yang diukur tidak semestinya mewakili pancaran terma permukaan semata-mata. Sebab itu imej terma permukaan logam berkilat boleh menunjukkan pantulan haba persekitaran yang disalah tafsir sebagai ciri suhu permukaan jika keadaan pengukuran tidak dikawal.

NIST mengukur emisiviti bahan dengan membandingkan radians sampel terhadap sumber jasad hitam dan turut menggunakan pengukuran pantulan. Ini menunjukkan bahawa radians, pantulan dan emisiviti perlu dipisahkan secara eksperimen untuk pengukuran yang tepat.

Daripada foton kepada nombor suhu

Secara ringkas, rantaian pengukuran kamera terma bermula daripada permukaan yang memancarkan sinaran inframerah, kemudian sinaran itu melalui optik kamera sebelum sampai ke pengesan. Pengesan menukar sinaran yang diterima kepada isyarat elektrik, dan kalibrasi serta model menukar isyarat itu kepada anggaran suhu. Hubungan antara isyarat dengan radians ditentukan melalui kalibrasi menggunakan sumber yang diketahui.

Sumber jasad hitam amat berguna kerana suhu dan radiansnya boleh ditentukan dengan teliti. NIST membangunkan skala radians inframerah menggunakan sumber jasad hitam yang suhu dan emisivitinya dicirikan secara terperinci. Satelit MODIS pula melihat sumber jasad hitam dalam instrumennya secara berkala untuk membantu menentukur jalur inframerah terma, dan sumber itu dipantau oleh beberapa penderia suhu serta direka dengan emisiviti efektif melebihi 0.992. Maka nombor suhu pada skrin ialah hasil inferens daripada pengukuran radiometrik, bukan pengukuran suhu melalui sentuhan langsung.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Di mana termometri sinaran digunakan?