Funzionamento del termometro a radiazioni ambientali del NIST, che è di circa 60 cm (24 pollici di lunghezza (1) luce a infrarossi (IR) da una sorgente calibrata a temperatura fissa (a destra, non mostrato) entra nella custodia del termometro attraverso questa lente, che focalizza la radiazione su un “field stop, ” analogo all'apertura f-stop in fotografia. (2) Un chopper metallico circolare taglia il raggio IR in una sequenza di impulsi. (3) La prima lente all'interno del cilindro centrale converte la luce dall'arresto di campo in un raggio parallelo. (4) La luce passa attraverso questo cilindro isolato lungo circa 30 cm (12 pollici) che è a temperatura controllata da un sistema di retroazione. Le radiazioni vaganti sono bloccate da un'altra fermata. (5) Una seconda lente focalizza la luce su un rivelatore piroelettrico. (6) L'uscita del rivelatore è indirizzata a un amplificatore che aumenta il segnale a livelli facilmente leggibili. Credito:NIST
ordinariamente, non incontrerai un termometro a radiazioni fino a quando qualcuno non ti metterà uno nell'orecchio nello studio del medico o non ne punterai uno sulla fronte quando ti senti febbricitante. Ma più sofisticato e altamente calibrato, termometri "senza contatto" di livello di ricerca - che misurano la radiazione infrarossa (calore) emessa dagli oggetti senza toccarli - sono di fondamentale importanza per molti sforzi oltre all'assistenza sanitaria.
Però, anche i termometri a radiazione convenzionali di fascia alta hanno prodotto letture con incertezze preoccupanti. Ma ora i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno inventato un portatile, termometro a radiazioni di qualità standard straordinariamente stabile lungo circa 60 cm (24 pollici) in grado di misurare le temperature con una precisione di pochi millesimi di grado Celsius.
Il NIST ha una lunga storia nello studio dei termometri a radiazione. Il nuovo strumento prototipo, che si basa su quel lavoro, può misurare temperature comprese tra -50 C (-58 ˚F) e 150 ˚C (302 ˚F). Le corrispondenti lunghezze d'onda infrarosse vanno da 8 a 14 micrometri (milionesimi di metro), che è una sorta di punto dolce termodinamico.
"Tutte le temperature sono uguali, ma alcuni sono più uguali di altri, " ha detto il fisico del NIST Howard Yoon, che ha creato il design del termometro e ha diretto il progetto, descritto nel giornale Ottica Express . "Quel arco di 200 gradi copre quasi tutte le temperature naturali sulla Terra. Se si ha un grande impatto nella misurazione di oggetti in quella gamma, conta davvero".
Oltre alla medicina clinica, le temperature in quella regione sono di urgente importanza nelle applicazioni in cui il contatto non è appropriato o fattibile. Per esempio, i chirurghi devono misurare la temperatura degli organi prima del trapianto. Gli agricoltori moderni hanno bisogno di temperature precise durante la manipolazione, immagazzinare, e la lavorazione degli alimenti. I satelliti richiedono termometri senza contatto per misurare le temperature sulla terraferma e sulla superficie del mare.
I termometri a radiazione convenzionali spesso contengono poco più di una lente per focalizzare la radiazione infrarossa e un sensore piroelettrico, un dispositivo che converte l'energia termica in un segnale elettrico. Le loro misurazioni possono essere influenzate dalle differenze di temperatura lungo il termometro e dalla temperatura all'esterno dello strumento.
Lampada a infrarossi. Credito:Bernd Marczak di Berlino da Pixabay
Il progetto del NIST, chiamato Ambient-Radiation Thermometer (ART) è dotato di una serie di termometri interni che misurano costantemente le temperature in diversi punti dello strumento. Queste letture vengono inviate a un sistema a circuito di feedback che mantiene il cilindro da 30 cm (12 pollici) contenente il gruppo rivelatore a una temperatura costante di 23 C (72 ˚F).
Presenta anche altri miglioramenti del design, compreso un metodo per ridurre gli errori da quello che viene chiamato effetto dimensione della sorgente, che si verifica quando la radiazione entra nello strumento da aree al di fuori del suo campo visivo specificato.
Il principale vantaggio dell'ART è la sua stabilità senza precedenti. Dopo che è stato calibrato con termometri a contatto standard, lo strumento può rimanere stabile entro pochi millesimi di grado per mesi in condizioni di funzionamento continuo. Ciò rende il sistema molto promettente per le applicazioni che prevedono il telerilevamento per lunghi periodi.
"Immaginate di poter portare il progetto NIST sul campo come termometri a radiazione viaggianti per misurare con precisione variabili come le temperature della superficie terrestre e del mare, "Ha detto Yoon. "Potrebbe servire come metodo affidabile per calibrare i sensori IR satellitari e convalidare gli enormi programmi di scienze meteorologiche che vengono utilizzati per prevedere, Per esempio, i percorsi e i punti di forza degli uragani." La sua gamma inferiore di -50 ˚C (-58 ˚F) lo rende adatto per monitorare la temperatura del ghiaccio sulle regioni polari, tipicamente nell'intervallo da -40 C (-40 ˚F) a -10 ˚C (14 ˚F).
Esistono diversi metodi per effettuare misurazioni della temperatura molto precise, ma pochi sono adatti al lavoro sul campo. I termometri a resistenza al platino sono fragili e necessitano di frequenti ricalibrazioni. La sorgente di temperatura standard per trasferire tale calibrazione all'ART comporta una cavità della sorgente di calore all'interno di circa 42 litri (11 galloni) di liquido.
"Quelle sono le migliori fonti che abbiamo, " disse Yoon. "Ma non è pratico misurare la temperatura dell'acqua mettendo a intervalli un termometro nell'oceano, e non vuoi calibrare costantemente il tuo termometro a radiazioni usando una fonte di calibrazione come quella a bordo di una nave."
Gerald Fraser, capo della Sensor Science Division del NIST, ha affermato che "l'innovazione di Yoon rende la termometria senza contatto competitiva con i migliori termometri a contatto commerciali in termini di precisione e stabilità in un intervallo di temperatura che gli esseri umani sperimentano quotidianamente. Ciò consente molte nuove opportunità nell'ispezione del prodotto e nel controllo di qualità e nella difesa e sicurezza in cui i metodi di contatto convenzionali sono poco pratici o troppo costosi."
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.
