Fonctionnement du thermomètre à rayonnement ambiant NIST, qui est d'environ 60 cm (24 pouces de long (1) lumière infrarouge (IR) provenant d'une source calibrée à température fixe (à droite, non représenté) pénètre dans l'enceinte du thermomètre par cette lentille, qui focalise le rayonnement sur un "champ d'arrêt, ” analogue à l'ouverture f-stop en photographie. (2) Un hacheur métallique circulaire découpe le faisceau infrarouge en une séquence d'impulsions. (3) La première lentille à l'intérieur du cylindre central convertit la lumière du diaphragme de champ en un faisceau parallèle. (4) La lumière traverse ce cylindre isolé d'environ 30 cm (12 po) de long dont la température est contrôlée par un système de rétroaction. Le rayonnement parasite est bloqué par un autre arrêt. (5) Une seconde lentille focalise la lumière sur un détecteur pyroélectrique. (6) La sortie du détecteur est acheminée vers un amplificateur qui amplifie le signal à des niveaux facilement lisibles. Crédit :NIST
Ordinairement, vous ne rencontrerez pas de thermomètre à rayonnement tant que quelqu'un ne vous en mettra pas un dans l'oreille au cabinet du médecin ou que vous n'en pointez un sur votre front lorsque vous vous sentez fiévreux. Mais plus sophistiqué et hautement calibré, les thermomètres "sans contact" de qualité recherche - qui mesurent le rayonnement infrarouge (chaleur) émis par les objets sans les toucher - sont d'une importance cruciale pour de nombreuses activités autres que les soins de santé.
Cependant, même les thermomètres à rayonnement conventionnels haut de gamme ont produit des lectures avec des incertitudes inquiétantes. Mais maintenant, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont inventé un portable, Thermomètre à rayonnement de qualité standard remarquablement stable d'environ 60 cm (24 po) de long, capable de mesurer des températures avec une précision de quelques millièmes de degré Celsius.
Le NIST a une longue histoire d'étude des thermomètres à rayonnement. Le nouvel instrument prototype, qui s'appuie sur ce travail, peut mesurer des températures entre -50 C (-58 F) et 150 C (302 F). Les longueurs d'onde infrarouges correspondantes sont de 8 à 14 micromètres (millionièmes de mètre), qui est une sorte de sweet spot thermodynamique.
"Toutes les températures sont égales, mais certains sont plus égaux que d'autres, " a déclaré le physicien du NIST Howard Yoon, qui a créé la conception du thermomètre et dirigé le projet, décrit dans le journal Optique Express . "Cette étendue de 200 degrés couvre presque toutes les températures naturelles sur Terre. Si vous avez un impact important en mesurant des objets dans cette plage, c'est vraiment important."
En plus de la médecine clinique, les températures dans cette région sont d'une importance urgente dans les applications où le contact n'est pas approprié ou possible. Par exemple, les chirurgiens doivent mesurer la température des organes avant la transplantation. Les agriculteurs modernes ont besoin de températures précises lors de la manipulation, stockage, et la transformation des aliments. Les satellites nécessitent des thermomètres sans contact pour mesurer les températures sur terre et à la surface de la mer.
Les thermomètres à rayonnement conventionnels contiennent souvent un peu plus qu'une lentille pour focaliser le rayonnement infrarouge et un capteur pyroélectrique, un appareil qui convertit l'énergie thermique en un signal électrique. Leurs mesures peuvent être affectées par les différences de température le long du thermomètre et par la température à l'extérieur de l'instrument.
Lampe infrarouge. Crédit :Bernd Marczak de Berlin de Pixabay
La conception du NIST, appelé Ambient-Radiation Thermometer (ART) est équipé d'une série de thermomètres intérieurs qui mesurent constamment les températures à différents points de l'instrument. Ces lectures sont envoyées à un système de boucle de rétroaction qui maintient le cylindre de 30 cm (12 pouces) contenant le détecteur à une température constante de 23 C (72 F).
Il présente également d'autres améliorations de conception, incluant une méthode pour réduire les erreurs de ce que l'on appelle l'effet de taille de source, qui se produit lorsque le rayonnement pénètre dans l'instrument à partir de zones situées en dehors de son champ de vision spécifié.
L'atout majeur de l'ART est sa stabilité sans précédent. Après avoir été calibré par rapport à des thermomètres à contact de qualité standard, l'instrument peut rester stable à quelques millièmes de degré près pendant des mois en fonctionnement continu. Cela rend le système très prometteur pour les applications impliquant la télédétection sur de longues périodes.
« Imaginez pouvoir utiliser la conception du NIST sur le terrain en tant que thermomètres à rayonnement mobiles pour mesurer avec précision des variables telles que les températures de surface de la terre et de la mer, ", a déclaré Yoon. "Cela pourrait servir de méthode fiable pour calibrer les capteurs infrarouges des satellites et valider les énormes programmes météorologiques utilisés pour prédire, par exemple, les trajectoires et les forces des ouragans." Sa plage inférieure de -50 C (-58 ˚F) le rend approprié pour surveiller la température de la glace au-dessus des régions polaires, typiquement dans la gamme de -40 C (-40 F) à -10 C (14 F).
Il existe plusieurs méthodes pour effectuer des mesures de température de très haute précision, mais peu sont bien adaptés au travail sur le terrain. Les thermomètres à résistance en platine sont fragiles et nécessitent un réétalonnage fréquent. La source de température standard pour transférer cet étalonnage à l'ART implique une cavité de source de chaleur à l'intérieur d'environ 42 litres (11 gallons) de liquide.
"Ce sont les meilleures sources que nous ayons, " a déclaré Yoon. "Mais il n'est pas pratique de mesurer la température de l'eau en mettant un thermomètre dans l'océan à des intervalles, et vous ne voulez pas constamment étalonner votre thermomètre à rayonnement en utilisant une source d'étalonnage comme celle à bord d'un navire."
Gérald Fraser, chef de la division Sensor Science du NIST, a déclaré que « l'innovation de Yoon rend la thermométrie sans contact compétitive avec les meilleurs thermomètres à contact commerciaux en termes de précision et de stabilité dans une plage de températures que les humains connaissent quotidiennement. Cela ouvre de nombreuses nouvelles opportunités dans l'inspection des produits et le contrôle de la qualité et dans la défense et la sécurité où les méthodes de contact sont peu pratiques ou trop chères.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.
