IR-LÄMPÖMITTARIT. Infra-punasäteily. Kollimoitu ja fokusoitu säde. Sähkömagneettinen säteily

Transkriptio

1 R-LÄMPÖMTTART Jokainen kappale, jonka lämpötila on suurempi kuin 0 K, lähettää sähkömagneettista säteilyä. Aallonpituusaluetta n. 000 µm kutsutaan Ralueeksi. Säteilyyn perustuva lämpötilan mittaus on siten kappaleen lähettämän R-säteilyn intensiteetin mittaamista. Valon taittuminen, heijastuminen ja läpäisy ovat tuttuja käsitteitä eri materiaalien yhteydessä. Samat ilmiöt tapahtuvat kaikilla sähkömagneettisen säteilyn aallonpituusalueella, myös infrapuna-alueella. nfra-punasäteily Aallonpituusaluett a n. 000 µm kutsutaan Ralueeksi Sähkömagneettinen säteily c f 0 n c v n v c f Säteily muodostuu sähkö- (E) ja magneettikentistä (H) E- ja H-kentät ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan E-kenttä on polarisoitunut johonkin suuntaan 0 c= m/s tyhjössä on aallonpituus 0 on aallonpituus tyhjössä v on nopeus f on taajuus Kollimoitu ja fokusoitu säde Sädekimppu voi olla kollimoitu tai fokusoitu kollimoidun sädekimpun aaltorintamat ovat tasoja fokusoidun sädekimpun aaltorintamat ovat pallopintoja

2 r 0 t Kirchhoffin laki Kappaleen pintaa vastaan lähes kohtisuoraan tulevasta säteilystä 0 osa heijastuu r, osa läpäisee kappaleen t ja energian säilymisen vuoksi osa absorboituu a. 0 = r + t + a, josta jakamalla 0 :lla saadaan r 0 t 0 a 0 Heijastuminen Heijastuminen tapahtuu symmetrisesti pinnan normaalin suhteen Säteen tulokulma l on yhtäsuuri kuin lähtökulma r sin sin n Brewster-kulma Jos säde kulkeutuu alhaisen taitekertoimen materiaalista korkeamman taitekertoimen materiaaliin, on olemassa suuntakulman arvo, jolla + = 90. Tässä kulmassa pinnan suuntaisen polarisaation omaava komponentti ei heijastu ollenkaan, vaan heijastuva säteily koostuu ainoastaan pintaa vastaan kohtisuoraan suuntaan polarisoituneesta säteilystä Heijastuminen pintaa vastaan kohtisuoraan Pintaa vastaan kohtisuoraan suuntaan heijastuminen on polarisoitumatonta. Tyhjöstä tulevan säteilyn heijastumiselle saadaan vasemman puoleinen yhtälö Eristeille heijastuminen pinnan normaalin suuntaan saadaan oikean puoleisesta yhtälöstä r n nk n n r n nk n n

3 Taite- ja vaimenemiskerroin Dielektrisille aineille taitekerroin n=.3-.7 ja vaimenemiskerroin k0 Metalleille n= ja k> 500 Taite- ja vaimenemiskertoimet n ja k riippuvat jonkin verran lämpötilasta ja voimakkaasti säteilyn aallonpituudesta n sinc n v v sin sin Taittuminen n n n Kun säde kulkeutuu aineesta toiseen ja jos valon nopeus erilainen, niin säde taittuu Jos v <v niin aaltorintamat ovat lähempänä toisiaan materiaalissa Jos tulokulma on suurempi kuin c niin tapahtuu kokonaistaittuminen n n Taitekertoimia Läpäisykyky ja läpäisevyys Läpäisykyky on puhtaan aineen, optisesti täydellisen materiaalin, ominaisuus. Läpäisevyys on materiaalien havaittu ominaisuus Materiaalin läpäisevyys riippuu sen koostumuksesta Läpäisevyys riippuu aallonpituusalueesta 3 3

4 Lähes täysin läpäisevät materiaalit Läpäisevyyttä hallitsee materiaalin epäpuhtauksien määrä Säteilyn vaimenemista kuvaa Beerin laki d Ciqidx jossa C i on alkuaineen i pitoisuus ja q i on moolinen absorptiokerroin ntegroimalla saadaan jäljelle jäänyt intensiteetti ainepaksuuden l läpäisyn jälkeen Ciqil e, l 0 0 Kaasuseos l,l Säteilylähteet Musta kappale, jonka emissiviteetti () = = Harmaa kappale, jonka () = = vakio, jonka arvo on pienempi kuin Selektiivinen säteilijä, jonka () vaihtelee aallonpituuden mukaan Musta kappale Planckin laki 300 K lämpötilassa intensiteetin maksimi on n 0 µm kohdalla. 000 K lämpötilassa se on noin 3 µm kohdalla On teoreettinen säteilijä, joka ei heijasta eikä läpäise ulkoa tulevaa säteilyä vaan absorboi koko tulevan säteilytehon. Mustan kappaleen emissiviteetti on yhtäsuuri kuin sen absorbtiviteetti (=). Tämän perusteella musta kappale emittoi kaiken absorboimansa säteilyn. Emittoitu säteily saavuttaa maksimin tietyllä lämpötilasta riippuvalla aallonpituudella e b ' C ( ) i b ( ) 5 C / T e Vakioiden arvot C =hc /n ja C =hc/nk (C =.9089x0-6 Jm /s ja C = mk tyhjössä kun n=). 4 4

5 Wienin siirtymälaki T=.8978*0-3 mk ntensiteetin maksimi-kohta voidaan laskea Wienin siirtymälaista Säteilyintensiteetti i b i' b T jossa = W/(m K 4 ) on Stefan-Bolzmannin vakio 4 Mustan kappaleen säteilyvoimakkuus e b i' ( ) d T 0 b Todelliset kappaleet eivät ole mustia kappaleita vaan niiden absorbtiviteetti ja emissiviteetti ovat eri suuret. Todellisilla kappaleilla emissiviteetti riippuu kappaleen pinnan materiaalin ominaisuuksista. 4 Emissiviteetti Emissiviteetti riippuu lämpötilasta, aallonpituudesta ja säteilyn suuntakulmasta. Emissiviteetti määritellään epätäydellisen säteilijän ja mustan kappaleen (täydellinen säteilijä) intensiteettien suhteena e' (,,, TS ) ' (,,, TS ) e' (, T ) b S Kokonaisemissiviteetti ( T ) S 0 (, T ) e b Todelliset kappaleet eivät kuitenkaan noudata mustan kappaleen emissiviteetin mukaista käyttäytymistä. Poikkeamat voivat olla hyvin suuria. S T 4 S (, T ) d S 5 5

6 Esimerkkejä Vasemmalla alumiinin emissiviteetti Oikealla mustan kappaleen, harmaan kappaleen ja todellisen selektiivisen kappaleen 3 säteilyjakautuma i () 3 (m) Puoliläpäisevä kappale Levyä lämmitettäessä massan sisään kehittyvä säteily pyrkii kohti kappaleen pintoja materiaalin lävitse, johon se osittain absorboituu. Lisäksi sen saapuessa pintaan osa säteilystä heijastuu takaisin kappaleen sisäosiin. Tämä takaisin heijastuva säteily absorboituu jälleen osittain, mutta osa siitä saavuttaa toisen pinnan, jonka lävitse suurin osa siitä poistuu osan heijastuessa uudelleen takaisin. Puoliläpäisevän levyn tehollinen emissiviteetti R-säteilyn mittaukseen vaikuttavat tekijät ( )( ) T refl objw refl Läpinäkymättömälle levylle yhtälö supistuu muotoon Lämpömittariin tuleva säteilyteho muodostuu kolmesta osasta: Kohteesta peräisin oleva säteily = W obj Ympäristön säteilystä heijastunut säteily = (-)W ref sekä kohteen läpäisevä ympäristön säteily = F obj W refl Kaasusta peräisin oleva säteily = (-)W atm 6 6

7 Mittalaitteen vastaanottama kokonaissäteilyteho W tot U U obj Wrefl W atm F objwrefl W tot obj obj U refl U atm U U tot U obj on kohteen mittalaitteen anturiin aikaansaama jännite U tot on kaiken mittalaitteeseen tulevan säteilyn aikaansaama jännite. U refl on ympäristön mittalaitteen anturiin aikaansaama jännite. U atm on kaasun mittalaitteen anturiin aikaansaama jännite. U refl U U CW b atm obj T ) ( b Johtopäätöksiä Kohteen ja mittalaitteen välillä olevan ilman lämpötilalla ei ole kovinkaan suurta merkitystä, koska ilman läpäisevyys on lähellä yhtä. Jos välillä on jotakin muuta kaasua, on kaasun säteilyn ja absorption merkitys aivan toinen, esimerkiksi polttolaitteissa. Ympäristön lämpötilallakaan ei ole suurta merkitystä, jos sen lämpötila on alhainen kohteen lämpötilaan nähden ja jos kohteen emissiviteetti on suuri. Emissiviteetin arvojen antaminen saattaa olla ajoittain ongelmallista, koska tavallisesti ei ole olemassa tapaa, jolla emissiviteetin ja ilman läpäisykertoimen todelliset arvot voidaan selvittää. Kyseiset kaksi suuretta eivät tavallisesti muodostu ongelmiksi edellyttäen, että ympäristössä ei ole suuria ja voimakkaita säteilylähteitä. nfrapunalämpömittarit R-lämpömittarit toimivat aallonpituusalueella µm Kokonaissäteilypyrometri Laajakaistapyrometrit mittavat koko infrapunasäteilyn aallonpituuskaistaa. Ne soveltuvat siten hyvin eri materiaalien ja laajan lämpötila-alueen mittaukseen. Aallonpituusalue on yleensä - 00 µm. Laajakaistapyrometreissä käytetään usein termisiä antureita, joko bolometreja tai termopariketjuja (thermopile). Laajakaistapyrometrin käytön rajoitteena on laajan kaistan mahdollistama ulkoisten häiriölähteiden vaikutus. Korkeassa lämpötilassa oleva säteilylähde voi muuttaa mittaustulosta, joko suoraan, jos sen säteily pääsee detektoriin tai epäsuorasti heijastumisen kautta. 7 7

8 Osittaissäteilypyrometri Osittaissäteilypyrometrit (-väri pyrometrit) mittaavat infrapunasäteilystä kapeaa aallonpituuskaistaa. Alueina käytetään yleensä aallonpituusaluetta 4 µm, µm tai 0.96 µm ympäristössä. Antureina käytetään termisiä antureita yhdessä kaistanpäästösuodattimen kanssa tai puolijohdeantureita. Kapea aallonpituuskaista eliminoi häiriölähteiden vaikutuksen Mittalaitteella kyetään mittamaan tarkasti vain tietty lämpötila-alue. Nopeutensa vuoksi se soveltuu myös nopeasti liikkuvien kappaleiden lämpötilan mittaamiseen. Optinen pyrometri Optinen pyrometri. A-kohde, B-etulinssi, C-kaihdin, D-suodatin, E-hehkulanka, G-punainen suodatin, - kaihdin ja F-,H-,J-säätölinssejä. Optinen pyrometri Optinen pyrometri on laite jossa verrataan kohteen lähettämää säteilyä, näkyvää valoa, säädettävän hehkulangan väriin. Optisella pyrometrillä on kapea aallonpituusalue, joka määrättään optisen punaisen suodattimen avulla. Pinnan kirkkautta verrataan wolfram-lampun kirkkauteen. Langan sähkövirta on verrannollinen valotehoon ja siten lämpötilaan. Lampun virta on kalibroitu lämpötilan funktiona. Optisella pyrometrillä voidaan mitata vain korkeita lämpötiloja C. Suhdepyrometri Suhdepyrometrit mittaavat säteilyä kahdella toisiaan lähellä olevalla aallonpituudella, säteilyn voimakkuuden ilmaistessa lämpötilan. Mittaus tapahtuu kahdella eri aallonpituudella. Emissiviteetillä ei ole vaikutusta mittaustulokseen mikäli pinta on harmaa ts. emissiviteetti ei riipu aallonpituudesta 5 ec exp C T R 5 ec exp C T 8 8

9 Suhdepyrometri C T ln R Yhtälöstä voidaan päätellä, Mitä suurempi ero aallonpituuksilla on niin sitä parempi tarkkuus saavutetaan. Materiaalien emissiviteetti ei ole vakio laajalla aallonpituusalueella, joka rajoittaa menetelmän käyttökelpoisuutta. Optisella tiellä olevat häiriöt voivat vaikuttaa enemmän toiseen aallonpituuteen kuin toiseen. Mittausalue on C. Ei sovellu matalammille lämpötiloille. Käytetään aallonpituusyhdistelmiä.5/.65 µm tai 0.8/0.97 µm. 5 Emissiviteettejä Materiaali Erittely Lämpötila [C] Aallonpituuskaista Emissiviteetti Alumiini eloksoitu, musta, 70 Lyhyet aallot 0,67 himmeä Alumiini eloksoitu, musta, 70 Pitkät aallot 0,95 himmeä Betoni 0 Kokonaisspektri 0.9 Galvanoitu voimakkaasti 70 Lyhyet aallot 0.64 rauta hapettunut Graniitti Karkea 70 Lyhyet aallot ho hmisen 3 Kokonaisspektri 0.98 Kromi Kiillotettu 50 Kokonaisspektri 0.0 Kupari Kaupallinen 0 Kokonaisspektri 0.07 Maali 8 eri väria ja 70 Lyhyet aallot 0,88-0,96 ominaisuutta Paperi 4 eri väriä 70 Pitkät aallot Vesi Syvyys 50 mm Puu Asfaltti Lämpökamerat Lämpökamera mittaa kuvauskohteen pinnasta sen lämpötilan aiheuttaman lähtevän R-säteilyn voimakkuutta. Lämpökameran ilmaisin muuttaa kohteen lämpösäteilyn voimakkuuden lämpötilatiedoksi, josta muodostetaan lämpökuva. lmaisimet. Matriisi-ilmaisimia (FPA) on kahden tyyppisiä:. Jäähdytettyjä toimintalämpötila on noin -00 astetta celsiusta. Jäähdytys toteutetaan tavallisesti heliumkiertopumpulla. 3. Jäähdyttämättömiä. 4. Yhden jäähdytetyn ilmaisimen kamerat 9 9

10 lmakehän vaikutus lmakehän vaikutus lmakehä läpäisee infrapunasäteilyä (aallonpituudet -4 m) spektrissä olevilla kolmella kaistalla: lähi-infrapunakaista ( m), keski-infrapunakaista (3-6 m) pitkäaaltokaista (6-5 m) lmakehän vesihöyry ja hiilidioksidi absorboivat osan lämpösäteilystä joillakin aallonpituuksilla. Esimerkki Esimerkki Lämpökameralla otettu kuva. Kuvassa on lämpimällä vedellä osittain täytetty muoviastia, jonka etupintaan on kiinnitetty mustaa teippiä ja alumiiniteippiä ja alumiiniteipin päälle maalarinteippiä. Oikealla puolella digitaalikameralla otettu kuva samasta kohteesta 0 0

11 Kostuneiden seinäeristeiden paikallistaminen Lämpökamera elektroniikan lämpösuunnittelussa Eristevian paikallistaminen hallin seinässä Vuotoilman paikallistaminen alipaineen avulla Lämpökamerakuva komponenttilevystä Lämpökamera elektroniikan lämpösuunnittelussa Erityisongelmia elektroniikkalaitteiden mittauksessa aiheuttavat piirikorttien ja komponenttien suuri emissivisyyden vaihtelu. Metallikuorisilla komponenteilla on niin pieni emissiivisyys, ettei niitä sellaisenaan voi Rmittalaitteella mitata. Lisäksi paljailla pii- ja ferriittipinnoilla (esim. flip chip-komponentit, muuntajat, jne) pinnankarheus on samaa luokkaa R-aallonpituuksien kanssa, jonka vuoksi mitatut tulokset saattavat heitellä laidasta laitaan. Lämpökamera elektroniikan lämpösuunnittelussa 3 Näiden ongelmien välttämiseksi olisikin hyvä, jos koko piirikortti olisi mahdollista maalata hyvän R-emissiivisyyden omaavalla maalilla (esim. musta spraymaali =0.9). Pelkästään yksittäisten ongelmakomponenttien maalaus on suotavaa, jos halutaan luotettavia tuloksia. Maalia käytettäessä on varmistuttava, että käytetty maali ei ole sähköä johtavaa, johtava maali saattaa aiheuttaa oikosulun mitattavassa laitteessa.

12 Lämpökamera elektroniikan lämpösuunnittelussa 4 Absoluuttisten komponenttilämpötilojen mittaamiseen lämpökamera soveltuu huonosti. Lämpökamera kuvausta varten on oltava esteetön näkyvyys mitattavaan kohteeseen, tämä vaatii usein laitteen purkamista tai kotelon aukottamista. Tällöin komponenttilämpötilat voivat poiketa normaalista käyttötilanteesta. Yleisesti käytetty ratkaisu onkin ottaa lämpökamerakuvat puretusta laitteesta ja kiinnittää anturit kuvien perusteella määriteltyihin kuumiin komponentteihin ja mitata lämpötilat antureilla kokonaisesta laitteesta.