Korkean lämpötilan mittausmenetelmät

AALTO-YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos MIKES Aalto Mittaustekniikka Korkean lämpötilan mittausmenetelmät 25.10.2013 Jaakko Virta, 69967L jaakko.virta@aalto.fi Mittaustekniikan erikoistyö kurssiin S-108.3120 Erikoistyö Opintopisteet (ECTS): Arvosana (1 5): Ohjaajan allekirjoitus: DI Maksim Shpak

Sisällysluettelo 1 Johdanto... 3 2 Pyrometrinen lämpötilamittaus... 3 3 Mittaustilanteen ongelmia... 6 4 Vaihtoehtoisia ratkaisuja... 7 4.1 Termopari... 7 4.2 Lämpötilan ilmaiseva pinnoite... 10 4.3 Pinnoittaminen tunnetun emissiivisyyden materiaalilla... 11 5 Johtopäätöksiä... 14 6 Lähdeluettelo... 15 7 Kuvat... 17 2

1 Johdanto Korkeiden lämpötilojen tarkka mittaaminen on ongelmallista useista syistä. Korkeat lämpötilat aiheuttavat antureihin mekaanisia vaurioita kuten virumista ja juotosten irtoamista, mittauksen kiinnitykseen käytetyt aineet saattavat haurastua ja irrota ja prosentuaalisesti pienetkin mittausepävarmuudet aiheuttavat korkeilla lämpötiloilla suuria virheitä absoluuttiarvoihin. Näistä syistä mittausjärjestelyt ja välineet täytyy suunnitella korkeissa lämpötiloissa erityisen tarkasti mittauksen onnistumisen varmistamiseksi. Jopa standardointitasoisissa lämpötilamittauksissa päästään useiden prosenttien epävarmuuksiin [1], mikä osaltaan osoittaa mittauksen haastavuuden. Tässä työssä on tarkoitus selvittää mahdollisia mittausmenetelmiä yli 600 C lämpötilamittauksiin. Tarkemmin ongelmana on löytää tapa varmentaa pyrometrista lämpötilamittausta materiaalipinnalle, jonka emissiivisyys on tuntematon. Luvussa 2 esitellään pyrometrista lämpötilamittausta itsessään, minkä jälkeen luvussa 3 tutkitaan erityisesti korkeiden lämpötilojen luomia haasteita ja muita mittaukseen liittyviä haasteita. Luvussa 4 on selvitetty mahdollisia vaihtoehtoja lämpösäteilyyn perustuvan mittauksen tuloksien verifioimiseksi. Luvussa käydään läpi perinteisesti käytetyt termoelementtilangat, lämpötilan ilmaisevat pinnoitteet sekä tunnetun emissiivisyyden materiaalilla pinnoittaminen. Nämä kaikki ovat mahdollisia tapoja saada jo käytössä oleva lämpösäteilyyn perustuva mittaus luotettavammaksi. 2 Pyrometrinen lämpötilamittaus Pyrometrinen lämpötilamittaus perustuu kappaleiden säteilemän sähkömagneettisen säteilyn mittaamiseen. Ideaalinen musta kappale säteilee eri lämpötiloissa eri aallonpituudella ja intensiteetillä Planckin lain mukaisesti L(λ, T) = 2hc2 1 λ 5 hc eλkt 1. (1) Kaavassa 1 L on kappaleen radianssi, eli sen säteilemä lämpöteho, h Planckin vakio, c valonnopeus, K Boltzmannin vakio ja λ säteilyn aallonpituus. Kaavasta huomataan, että säteilyn voimakkuus riippuu kappaleen lämpötilasta ja säteilyn taajuudesta. Tästä 3

pystytään kullekin lämpötilalle muodostaa mustan kappaleen säteilyn aallonpituusspektri. Esimerkki spektristä on esitetty kuvassa 1. Kuva 1: Mustan kappaleen spektri viidellä eri lämpötilalla. (1) Kuvassa 1 nähdään, että lämpötilan noustessa kappaleen tuottaman säteilyspektrin voimakkuus kasvaa, ja sen huippu siirtyy alemmille aallonpituuksille. Noin 600 celsiusasteen yläpuolella kappale säteilee silmällä havaittavaa valoa. Todellisten kappaleiden säteilemään energiaan vaikuttavat pinnan ominaisuudet, kuten esimerkiksi pinnan värisävy, materiaali ja karheus. Näiden epäideaalisuuksien aiheuttaman vaimeamman säteilyn suhdetta vastaavanlämpöiseen teoreettiseen mustaan kappaleeseen kutsutaan emissiivisyydeksi eli emissiokertoimeksi, ε. Mustan kappaleen emissiivisyys on 1, ja todellisten kappaleiden aina pienempi. [2] 4

Lämpösäteilymittauksen voi suorittaa ilman kontaktia kohteeseen, ja tästä syystä mittaustapa soveltuu erinomaisesti erittäin korkeisiin, jopa yli 3000 C lämpötiloihin. Pyrometrinen mittaustapa on altis ulkoisten säteilijöiden tuottamille häiriösäteille, ja nämä saattavat pilata mittauksen jos ne jätetään huomioimatta. Myös pinnan emissiokertoimen tunteminen on edellytys lämpösäteilyn mittaamisen onnistumiseksi. Pintojen emissiivisyys riippuu usein materiaalin ominaisuuksien lisäksi käytetystä aallonpituudesta, mittauskulmasta ja kohteen lämpötilasta itsestään. Tästä johtuen mittaustarkkuuden parantamiseksi on saatava selville kohteen emissiokerroin nimenomaan halutussa mittauspisteessä. [2], [3] Pyrometrisessa lämpömittauksessa havaitsee kohteen säteilyä joko yhdellä tai useammalla aallonpituudella tai aallonpituuskaistalla. Niin kutsutut kokonaissäteilypyrometrit mittaavat lämpösäteilyä laajalta, yleensä 1 100 µm aallonpituusalueelta. Kokonaissäteilypyrometri soveltuu parhaiten alhaisten lämpötilojen mittaamiseen, koska laite kerää säteilyä laajalta alueelta ja on näin herkempi pienille säteilyvoimakkuuksille kuin kapeamman kaistan pyrometrit. Toimintatapansa takia kokonaissäteilypyrometrin vasteaika on pitkä ja se on herkkä monentaajuisille ulkoisille häiriösäteilyille. Yllä mainitun takia on korkeammissa lämpötiloissa usein tarkoituksenmukaisempaa käyttää mittauksessa osittaissäteilypyrometria, jonka vastaanottama aallonpituuskaista on suodatettu kapeaksi - esimerkiksi piidetektorin tapauksessa kaista voi olla kymmenistä satoihin nanometreihin välisellä alueella. Osittaissäteilypyrometrin etuja ovat rakenteensa ansiosta nopeampi vasteaika ja mittausalueen ulkopuolisten virhelähteiden suodattuminen. [2] Moniväripyrometrit mittaavat lämpösäteilyä useammalta kapealta aallonpituuskaistalta. Tämän ansiosta pyrometri pystyy tarkentamaan mittaustulosta vertailemalla eri aallonpituuksilla saatuja mittaustuloksia ja kompensoimalla näin emissiivisyysvirhettä. 5

3 Mittaustilanteen ongelmia Tämän työn tapauksessa tavoitteena on mitata pyrometrisesti tuntemattoman materiaalin pintalämpötilaa 600 1200 C lämpötiloissa. Koska materiaalien emissiokertoimet muuttuvat lämpötilan funktiona, ei niitä pysty ekstrapoloimaan korkeille lämpötiloille alemmilla lämpötiloilla mitattujen tulosten avulla. Materiaalin emissiivisyyden määrittelemiseksi tarvitaan mitattavan pinnan todellinen lämpötila säteilymittauksen rinnalle. Säätämällä lämpösäteilymittarin referenssiemissiokerrointa niin, että sen näyttämä lämpötila vastaa todellista lämpötilaa, kyetään määrittelemään pinnan emissiivisyys valituissa pisteissä. Mittaustilanteessa lämpölähteenä on uuni, joka lämmittää mitattavaa kappaletta pohjasta ympäristön ollessa huoneenlämmössä. Tästä syystä mitattava kappale jäähtyy pinnasta jatkuvasti sekä konduktiolla ympäröivään ilmaan että säteilemällä. Tämä aiheuttaa suuren lämpögradientin kappaleen läpi. Suuren gradientin takia lämpötilaerot mittausjärjestelyn läpi ovat suuria. Materiaalin sisälle upotettu lämpöanturi ei tästä syystä anna pintalämpöä vastaavaa tulosta, vaikka seuraisi kappaleen lämpöä tarkasti. Pinnalle asennettu lämpömittaus puolestaan vaikuttaa itsessään kappaleen pinnan jäähtymiseen [2]. Lämpöanturin fyysinen koko tuo myös viivettä lämpömittaukseen. Tämän takia pintamittausanturin koko on hyvä pitää mahdollisimman pienenä. Korkeissa lämpötiloissa myös pintalämpömittauksen kiinnitys saattaa olla haastavaa. Kiinnityksessä voidaan käyttää esimerkiksi erilaisia liimoja ja teippejä. Kiinnitystapaa valitessa täytyy kuitenkin varmistua siitä, että se on pitävä tavoitelämpötilassa, eikä se muuta lämmetessään muotoaan merkittävästi. Mittauksen pitää myös olla tiiviisti pinnan kanssa kontaktissa, jotta mittaus seuraisi pinnan, eikä ympäristön lämpötilaa. Tämän takia kiinnitystapa ei saisi myöskään eristää anturia kappaleen pinnasta. Myös kiinnityksen terminen massa vaikuttaa pinnan jäähtymiseen, joten anturin pieni koko ei välttämättä auta mittauksen tarkkuuteen, jos kiinnityksen koko itsessään on liian suuri. [4] 6

4 Vaihtoehtoisia ratkaisuja Tässä luvussa esitellään kolme mahdollista tapaa mitata korkeita pintalämpötiloja, kun mittauskohteen emissiivisyys on tuntematon. Nämä ovat suuriin lämpötiloihin ja - gradientteihin soveltuvat nopeavasteiset termoparit, lämpötilan ilmaisevat pinnoitteet ja päällystäminen materiaalilla, jonka emissiokerroin on tunnettu. 4.1 Termopari Termoparin toiminta perustuu lämpösähköilmiöön, jossa kahden, eri materiaalista tehdyn johteen yli syntyy potentiaaliero kun liitokset ovat eri lämpötiloissa. Tätä ilmiötä kutsutaan Seebeck-ilmiöksi. Termoparissa tätä ilmiötä käytetään hyväksi yhdistämällä kaksi eri materiaalista valmistettua johdinta mittauspisteessä ja mittaamalla johdinten toisessa päässä näkyvää jännite-erotusta. Termoparin toimintaperiaate on esitetty kuvassa 2. Kuuma Piste Johde A Johde B V + - Kylmä Piste Kuva 2: Termoparin toiminta Jokainen materiaali muodostaa Seebeck-ilmiössä hieman eri jännitteen, ja anturipiuhojen kylmässä pisteessä on luettavissa yleensä mikrovolttiluokan jännite. Yleisimmin käytetyt termoparimateriaalit on standardoitu ja eroteltu kirjainmerkinnällä, kuten esimerkiksi J- (Fe CuNi), K (NiCr Ni) ja N-tyyppi (NiCrNi NiSi). Eri termoparityypit ovat lineaarisia eri lämpötila-alueilla ja niiden herkkyys vaihtelee. Herkkyys eli lämpötila jänniteriippuvuus on ilmaistu Seebeck-kertoimella α. Kerroin määritellään yhtälön α = V (T mittauspiste T 0 ) Perusteella. Yhtälössä 2 Tmittauspiste on kuuman pisteen lämpötila, V kyseisessä lämpötilassa syntynyt jännite-ero ja T0 referenssilämpötila Standardoitujen termoelementtien seebeckkäyrät ilmaistaan suhteessa 0 C lämpötilaan. [2], [4] Koska termoparien Seebeck-kerroin on määritelty nollan celsiusasteen suhteen, pitää mittauksen kylmän pisteen joko olla nollalämpötilassa tai vaihtoehtoisesti termoparimittaukseen pitää lisätä kylmäpistekompensointi, joka ottaa huomioon mittauspisteen lämpötilan. Useimmissa lämpömittalaitteissa kylmäpsitekompensointi on sisäänrakennettuna. Laite mittaa omaa lämpötilaansa ja ottaa sen huomioon mittauksessa. [2], [4] (2) 7

Useimmat termoparit soveltuvat hyvin alle 1000 C lämpötilan mittaamiseen. Kuitenkin termoparin massasta johtuva viive ja vaikutus kappaleen pinnan termiseen tasapainoon saattavat olla mittaustilanteessa ongelma. Lisäksi termoparit korrosoituvat ja muuttavat fyysistä olomuotoaan korkeissa lämpötiloissa, varsinkin pitkäaikaisessa käytössä. Happi ja muut metallit mukaan lukien termoparin sisäiset epäpuhtaudet alkavat reagoida korkeissa lämpötiloissa kiihtyvästi ja vaikuttavat termoparin mittaustarkkuuteen. [4] Varsinkin termoparin massasta aiheutuvien ongelmien ehkäisemiseksi on kehitetty erilaisia ohutkalvotermopareja. Ohutkalvotermoparissa mittapää tehdään mahdollisimman ohueksi kasvattamalla käytetyistä materiaaleista kalvo suoraan mittauskohteen pinnalle. Yleisesti ohutkalvotermoparien paksuus on alle 10 µm. Näin mittapään massa ja tilavuus jäävät hyvin pieneksi, ja sen vasteaika on huomattavasti perinteistä lankatermoparia nopeampi. Ohutkalvotermopari ei myöskään vaikuta pinnan jäähtymiseen niin kuin paksummat termoparit, ja se seuraa tämän takia tarkemmin mitattavan pinnan lämpötilaa. [5], [6] Eräs perinteinen ohutkalvotermoparina valmistettu tyyppi on S-tyypin termopari, jonka johtimet ovat platinaa ja platinarodiumseosta. S-tyypin ongelmana on kuitenkin rodiumin hapettuminen 600 800 C lämpötiloissa. Tämä on aiheuttanut korkeissa lämpötiloissa jopa 5 C/h vaeltamista mittaustuloksissa. Hapettumista pystytään estämään pinnoittamalla materiaali. Mahdollisesti parempi keino korkean lämpötilan mittauksiin on kuitenkin käyttää termoparin materiaalina jalometalleja, jotka eivät hapetu. I. M. Tougas ja O. J. Gregory Rhode Islandin yliopiston kemiantekniikan laitokselta ovat tutkineet mahdollisuutta korvata S-tyypin platinarodiumseos palladiumilla. Tätä on jo aiemmin tutkittu lankatermoparien tapauksessa, mutta ohutkalvotermopareina platinapalladiumparia ei ole vielä käytetty. [5] Tougas ja Gregory valmistivat tutkimuksessaan platina-palladium-ohutkalvon kasvattamalla sputterointimenetelmällä 1,5 µm platina- ja 2,0 µm palladiumkalvon. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää lämpömittaustapa kaasuturbiinimoottoreiden keraamisille pinnoille, joiden lämpötilat kohoavat jopa 1500 celsiusasteeseen. Tutkijat testasivat kasvattamiaan termopareja mittaamalla keraamisia pintoja 800 1100 C lämpötiloissa ja hapettavassa ympäristössä. Tutkimuksen tuloksena havaittiin, että tällaiselle ohutkalvotermoparille saatiin aikaan erinomainen stabiilius ja S-tyypin termoparia vastaava herkkyys. Syklien edetessä havaittiin kuitenkin termojännitteen alenemaa, joka johtui mahdollisesti termoparin mikrorakenteen muutoksista. Tutkimuksissa havaittu jännitteenalenema on esitetty kuvassa 3. 8

Kuva 3: Rhode Islandin yliopiston tutkimuksissa mitatut platinapalladiumtermoparien termojännitteet ajan funktiona kahdessa eri mittauspinnassa a) alumina b) mulliitti (2) Kuvasta 3 huomataan, että erityisesti mulliittissa testattujen termoparien antama jännite laskee syklien edetessä huolimatta kohteen tasaisena pysyvästä lämpötilasta. Havaittu vaeltaminen oli kuitenkin alle 1 C/h alle 1000 C lämpötiloissa tehdyissä testeissä. Tätä vaeltamista pystyttäisiin Tougaksen ja Gregoryn mukaan hillitsemään kasvattamalla termoparin kalvojen paksuutta. [5] Mahdollinen vaihtoehto metallisille ohutkalvotermopareille ovat sähköä johtavista keraamisista yhdisteistä valmistetut anturit. Jalometalliantureiden käyttölämpötilaa rajoittaa metallien sulamispiste, ja keraamisilla termopareilla kyettäisiin luotettavasti mittaamaan pidempiä aikoja yli 1500 C lämpötiloja. Keraamisten kalvojen haittapuolina on materiaalien kompleksisuus. Keraamisissa ohutkalvotermopareissa suurin luotettavuutta heikentävä tekijä on eri materiaalien toisistaan poikkeavat lämpölaajenemiskertoimet. Keraamit ovat perinteisiä metallitermopareja hauraampia, joten suhteellisen pienikin ero materiaalien lämpölaajenemisessa aiheuttaa liitosten pettämisen lämpösyklien aikana. Tästä syystä keraamisen ohutkalvotermoparin materiaalit täytyy valita erityisen huolellisesti. J. Wrbanek, G. Fralick ja D. Zhu tutkivat artikkelissaan Ceramic thin film thermocouples for SiC-based ceramic matrix composites erilaisia mahdollisia keraameja yli 1500 C mittauksiin. Lopputuloksena tutkijat havaitsivat osan tutkimistaan keraameistaan hyvin kestäviksi korkeilla lämpötiloilla ja huomasivat esimerkiksi indiumoksidin lämpövasteen olevan lineaarinen laajalla mittausalueella. Wrbanek et al. totevat testinsä lupaaviksi, ja jatkavat näistä lähtökohdista uusien materiaalien tutkimista. [6] Ohutkalvotermoparit on yllä mainituissa tutkimuksissa valmistettu suoraan mittauskohteeseen tutkimusryhmän toimesta. Perinteisesti teollisessa käytössä ohutkalvoanturit on valmistettu eri jalometalleista, erityisesti platina-rodiumseoksesta valmistettu S-tyypin termoelementti on suosittu korkeiden lämpötilojen käytöissä. [5], [6] Kaupallisia toimijoita korkean lämpötilan mittauskohteisiin löytyi valitettavan vähän, mutta jotkin instrumentointilaboratoriot tarjoavat palveluja asiakkalle räätälöityjen ohutkalvojen valmistukseen. Valmiita itse kiinnitettäviä ohutkalvoja ei tuhannen celsiusasteen alueelle löytynyt. 9

4.2 Lämpötilan ilmaiseva pinnoite Lämpötilan ilmaisevat pinnoitteet muuttavat olomuotoaan tai väriään ennalta määrätyssä lämpötilassa. Näin pinnoite ilmoittaa lämpötilan ajanhetkellä, jona muutos tapahtuu. Tämä ominaisuus yhdistettynä esimerkiksi tallentavaan kamerakuvaan antaa mahdollisuuden selvittää ajanhetki, jona mitattava pinta saavuttaa tietyn lämpötilan. Kaupallisesti on tarjolla esimerkiksi mittaustarvikeyritys Omegan Omegalaq-pinnoitteet, joiden toimintapisteet vaihtelevat 79 1038 C lämpötilojen välillä. Pinnoitteille luvataan ±1 % tarkkuus ja millisekuntiluokan vasteaika. [7] B. Larregain et al. tutkivat artikkelissaan Method for Accurate Surface Temperature Measurements During Fast Induction Heating mahdollisuutta käyttää lämpötilaa ilmaisevaa pinnoitetta nopeavasteiseen lämpömittaukseen. Tutkijat käyttivät 704, 816 ja 927 celsiusasteessa haihtuvia pinnoitteita, joiden olomuotoa he tarkkailivat suurnopeuskameralla. Kamerakuva prosessoitiin tietokoneella, jolloin mittauksen valvonta tapahtui automaattisesti. Mittaustavan tarkkuudeksi saatiin ±1 % lämpötilalle, ±0.04 mm paikalle ja ±0,3 ms ajalle. [8] Pyrometrisen mittauksen verifioinnissa pinnoitteen tarkkailun täytyy olla synkronoituna lämpösäteilymittauksen kanssa, jotta pyrometrin emissiokertoimessa oleva virhe voitaisiin määrittää mittauspisteessä. Lisäksi emissiokerroin olisi tämän jälkeen tiedossa pelkästään käytetyn pinnoitteen toimintalämpötilassa. Käytettäessä useita eri lämpötilassa toimivia pinnotteita on mahdollista saada tietoa useammista lämpötilapisteistä, joiden väliset muutokset saadaan interpoloimalla. Normaaleja lämpötilaa ilmaisevia pinnoitteita tarkempi vaihtoehto ovat lämpötilaa ilmaisevat fosforit (Thermographic phosphors). Siinä missä metalli- tai muulla vastaavalla pinnoitteella toimintalämpötilassa tapahtuva muutos on peruuttamaton, eivät lämpötilaa ilmaisevat fosforit toimi tietyssä lämpötilassa peruuttamattomasti vaan ilmaisevat lämpötilaa jatkuvasti. Fosforeiden toiminta perustuu niiden kykyyn absorboida sähkömagneettista säteilyä ja emittoida sitä viiveellä takaisin ympäristöön. Fosforiaineen emittoima säteily on pienempienergistä kuin absorboitu säteily, eli sen aallonpituus on pidempi. Lämpötilaa ilmaisevilla fosforeilla emittoidun säteilyn intensiteetti ja kesto muuttuu fosforin lämpötilan funktiona. Tämän perusteella kyetään fosforin säteilemää energiaa tutkimalla määritellä sen ympäristön lämpötila. Pintalämpömittauksina käytettynä fosforista muodostetaan ohut kalvo, joka seuraa muun pinnan lämpötilaa. [9], [10] Lämpötilaa ilmaisevien fosforeiden käyttölämpötilat yltävät 1700 celsiusasteeseen asti. Mittauksessa fosfori viritetään esimerkiksi pulssitetulla laser-säteellä. Pulssin taajuus määrää lämpömittauksen näytteenottotaajuuden. Fosforin hehkun mittaukseen voi käyttää esimerkiksi fotodiodia. Yksinkertaisin tapa analysoida fosforin hehkua on mitata hehkun vaimenemisaika. Hehku vaimenee nopeammin korkeammissa lämpötiloissa. [10] Toinen mahdollinen keino on mitata hehkun intensiteetti. Se on kuitenkin ongelmallisempaa, sillä intensiteetti riippuu monesta tekijästä kuten fosforikerroksen pinnan rakenteesta. Tämän takia mittalaitteisto tulisi kalibroida jokaiselle mittaustilanteelle erikseen. [9] 10

Lämpötilaa ilmaisevien fosforeiden käyttö on lähinnä tutkimusasteella, ja niiden käyttö on helpoimmassakin tapauksessa melko monimutkaista. Käytännöllisten fosforiantureiden valmistus- ja käyttömentelmissä on vielä avoimia kysymyksiä, ja niiden tutkimus jatkuu edelleen. [9] 4.3 Pinnoittaminen tunnetun emissiivisyyden materiaalilla Eräs tapa varmistaa lämpösäteilymittauksen oikeellisuus on pinnoittaa mittauskohde aineella, jonka emissiivisyys on tunnettu. Yleensä tähän tarkoitukseen käytetään korkean emmissiivisyyden materiaaleja, jolloin pinta ei heijasta ulkopuolista säteilyä. Mitattavan pinnan voi pinnoittaa kokonaan tai käyttää vain tiettyä osaa pinnasta referenssipisteenä, jolloin pystytään vertaamaan materiaalien emissiivisyyksiä toisiinsa. [3] R. Brandt et al. selvittivät Stuttgartin yliopiston Ydinteknologian ja energiajärjestelmien laitoksen (Institut für Kernenergetik und Energiesysteme) ja Rolls-Roycen yhteistutkimuksessa Rolls-Roycen referenssimaalien HE6 ja HE23 käyttöä korkeissa lämpötiloissa. Mittaukset suoritettiin 950 1313 C lämpötilavälillä, mittaamalla pinnan säteilemää lämpöä normaalinsuuntaisesti, 30 sekä 60 asteen kulmassa pinnan normaaliin nähden. Kuvassa 4 on esitetty normaalinsuuntaisen mittauksen tuloksia. Kuva 4: Referenssimaalien HE6 ja HE23 emissiivisyys lämpötilan funktiona materiaalien ensimmäisessä lämmitys- ja jäähdytyssyklissä. (3) Kuvasta 4 nähdään, että HE6:n emissiivisyys kasvoi ensimmäisen lämmityksen aikana, mutta on jäähtyessään suhteellisen stabiili 0,95. Tästä johtuen tutkijat päättivät käyttää jäähdytyksenaikaista emissiivisyyttä referenssinä. HE23:n emissiivisyys puolestaan laski mittausalueella arvosta 0,93 arvoon 0,89. Kuvassa 5 on esitetty tutkittujen referenssimaalien emissiivisyyden kulmariippuvuus. 11

Kuva 5: Referenssimaalien HE6 ja HE23 kulmariippuvuus ilmaistuna kulmassa mitatun emissiivisyyden suhteena normaalinsuuntaiseen mittaustulokseen (ε /εn), esitettynä mittauskulman funktiona. (4) Kuvasta 5 nähdään tutkijoiden havainto, että HE6:n emissiivisyys laski huomattavasti kulman funktiona, kun HE23:n kulmariippuvuus puolestaan jäi mittausepävarmuuden rajoihin. Mittausjärjestelyiden kokonaisepävarmuudeksi emissiivisyydelle Brandt et al. laskivat neljä prosenttia. [3] Myös R. Pulz et al. Saksan valtion materiaalitutkimuksen ja -testauksen keskuksesta (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) ovat määrittäneet HE23- referenssimaalin emissiivisyyden 1000 C asti ja päätyneet samankaltaiseen tulokseen. Tutkijat käyttivät testeissään alle 40 µm paksuisia HE23-kerroksia, joiden emissiivisyyttä he tutkivat 7,5 13 µm aallonpituuksilla. HE23-pinnoitteelle määritettiin testeissä 0,9 ± 0,04 emissiokerroin. Tutkimuksen tuloksena referenssipinnoite todettiin toimivaksi kalibrointimenetelmäksi läpinäkyvien pintojen lämpötilamittauksessa. [11] Varsinaisten referenssimaalien lisäksi on olemassa muita korkean emissiivisyyden materiaaleja, joita käytetään esimerkiksi lämpösuojaustarkoituksessa. Näistä osan emissiivisyys on määritelty tarkasti. Esimerkiksi Nasan tutkimuksissa C. Ohlhorst et al. määrittivät monen suojamateriaalin emissiivisyyden. Niiden emissiivisyys on aiemmin mainittuihin referenssimaaleihin nähden hieman alhaisempi. Nasan tutkimuksissa selvitettiin kahdeksan eri materiaalin emissiivisyys korkeassa lämpötilassa ja paineessa. Testeissä etsittiin materiaalien toiminnan äärirajoja suojauskyvyn selvittämiseksi. Testatuista materiaaleista esimerkiksi Ultramet Ultra 2000-pinnoite osoitti vakaimmasta päästä olevan, 0,84 ± 0,04 emissiivisyyden 1370 1760 C (2500 3200 F) mittausalueella. [12] Tällaisten suojamaalien hinta ja saatavuus saattavat olla varsinaisia referenssimaaleja parempi. Ultrametin omissa mustalle reniumpinnoittelleen suorittamissa kokeissa määritelty emissiivisyys on esitetty kuvassa 6. 12

Kuva 6: Ultrametin antama emissiivisyyskäyrä mustalle reniumpäällysteelle (5) Ultramet on tutkinut emissiivisyyttä 700 2000 C välillä sekä kiinteässä muodossa, että korkeimmassa lämpötilassa tapahtuneen osittaishapettumisen jälkeen. Kuvasta 6 voidaan huomata, että emissiivisyys tuhannen celsiusasteen ympärillä on ennen hapettumista noin 0,73. [13] Tunnetun emissiivisyyden materiaalien etu on, ettei pyrometrinen mittaus tarvitse rinnalle toista mittausjärjestelmää, vaan toiminta perustuu alkuperäisen mittaustavan tarkentamiseen. Pinnan emissiivisyys vaikuttaa kuitenkin sen luovuttamaan lämpöenergiaan. Mitä suurempi pinnan emissiivisyys on, sitä tehokkaammin se säteilee lämpöä. Tämä laskee mitattavan pinnan lämpötilaa ja aiheuttaa lämpötilaeroja päällystetyn ja päällystämättömän pinnan välille. Lisäksi tunnetun emissiivisyyden pinnoitetta valittaessa tulee varmistaa sen emissiivisyys nimenomaan mittauslämpötilalla ja käytetyllä aallonpituusalueella mittausepävarmuuden minimoimiseksi. 13

5 Johtopäätöksiä Korkean lämpötilan pyrometrisen mittauksen varmentamiseen on useita keinoja. Tässä työssä selvitettiin termoparien, lämpötilaa ilmaisevien pinnoitteiden sekä tunnetun emissiivisyyden pinnoitteiden soveltuvuutta 600 1000 C lämpötilojen mittaamiseen. Käyttäessä termoparia, kannattaa mittauskohteen pinnalle kasvattaa mahdollisuuksien mukaan ohutkalvotermopari tai pienentää termoparin massaa muilla mahdollisilla tavoilla. Näin saadaan mittauksen viive ja mittauskohteen lämpökuormitus minimoitua. Lämpötilan ilmaisevia pinnoitteita käyttäessä lienee hyödyllistä valita useita eri lämpötiloissa toimivia pinnoitteita, joiden toimintahetkistä pystyy luomaan historian kappaleen pinnan lämpenemisestä. Tämä menetelmä vaatii kuitenkin jonkinnäköisen valvonnan, joka synkronoidaan käytetyn pyrometrisen mittalaitteen antamaan mittaukseen. Emissiokerroin pystytään korjaamaan näissä pisteissä ja mittapisteiden välillä sitä pystyy arvioimaan esimerkiksi lineaarisesti. Lämpötilaa ilmaisevien fosforien käyttö on tällä hetkellä vielä varsin kokeellisella asteella, joten sen käytännön hyödyntäminen voi olla haastavaa. Suoraviivaisimmin lämpösäteilymittausta tukisi tunnetun emissiivisyyden materiaalin käyttäminen mittalaitteen käyttämän emissiokertoimen korjaamiseksi. Menetelmä ei vaadi erillisiä mittalaitteita ja antaa jatkuvaa mittausdataa toisin kuin peruuttamattomasti lämpötilaa ilmaisevat pinnoitteet. Valittaessa pinnoitemateriaalia tulee ottaa huomioon sen vaikutus mittauskohteen säteilemään lämpöön. Lisäksi pinnoitteen lämmönkestävyys ja sen emissiivisyyden tarkkuus mittausalueella tulee ottaa huomioon. Pinnoitemateriaalille annettu emissiivisyyskäyrä tulee olla myös määritelty samanlaisissa oloissa, eli samalla aallonpituudella ja samasta mittauskulmasta kuin mittausjärjestelyssä. Näistä asioista varmistuttua voi tunnetun emissiivisyyden materiaalilla pinnoittaminen olla hyvin toimiva ratkaisu kyseiseen ongelmaan. Kaikissa tässä työssä esitellyissä menetelmissä on omat hyvät ja huonot puolensa. Oleellista kussakin tavassa on tuntea menetelmän rajoitukset ja heikkoudet ja toimia mittaustilanteessa niiden puitteissa. 14

6 Lähdeluettelo [1] D. R. Salmon, R. P. Tye ja N. Lockmuller, A critical analysis of European standards for thermal measurements at high temperatures: II. Recommendations for inclusion in a new standard, Measurement Science and Technology, osa/vuosik. 20, nro 1, Tammikuu 2009. DOI: 10.1088/0957-0233/20/1/015102 [2] T. Weckström, Lämpötilan mittaus, Mittatekniikan keskus, Helsinki, 2002. ISBN: 952-5209-65-2, ISSN 1235-5704 [3] R. Brandt, C. Bird ja G. Neuer, Emissivity reference paints for high temperature applications, Measurement, osa/vuosik. 41, nro 7, pp. 731-736, 2008. ISSN: 02632241 DOI: 10.1016/j.measurement.2007.10.007 [4] ASTM Committee E20 on Temperature Measurement, Manual on the use of thermocouples in temperature measurement, 4:s painos, Philadelphia: ASTM International, 1993. ISBN: 978-1-61583-674-1 [5] I. M. Tougas ja O. J. Gregory, Thin film platinum-palladium thermocouples for gas turbine engine, Thin Solid Films, osa/vuosik. 539, pp. 345-349, 2013. ISSN: 00406090 DOI: 10.1016/j.tsf.2013.05.076 [6] J. D. Wrbanek, G. C. Fralick ja D. Zhu, Ceramic thinfilm thermocouples for SiCbased ceramic matrix composites, Thin Solid Films, osa/vuosik. 520, nro 17, pp. 5801-5806, Kesäkuu 2012. ISSN: 00406090 DOI: 10.1016/j.tsf.2012.04.034 15

[7] Omega Engineering inc., Omegalaq-pinnoitteiden datalehti, 2013. [Online]. Available: http://www.omega.com/temperature/pdf/laq.pdf. [Haettu 8.9.2013]. [8] B. Larregain, N. Vanderesse, F. Bridier ja P. Bocher, Method for Accurate Surface Temperature Measurements During Fast Induction Heating, Journal of Materials Engineering and Performance, p. 7, Huhtikuu 2013. ISBN: 9781615038398 DOI: 10.1007/s11665-013-0527-x [9] J. Brübach, C. Pflitsch, A. Dreizler ja B. Atakan, On surface temperature measurements with thermographic phosphors: A review, Progress in Energy and Combustion Science, osa/vuosik. 39, nro 1, pp. 37-60, Helmikuu 2013. ISSN: 03601285 DOI: 10.1016/j.pecs.2012.06.001 [10] M. Aldén, A. Omrane, M. Richter ja G. Särner, Thermographic phosphors for thermometry: A survey on combustion applications, Progress in Energy and Combustion Science, osa/vuosik. 37, nro 4, pp. 422-461, 2011. ISSN: 03601285 DOI: 10.1016/j.pecs.2010.07.001 [11] R. Pulz, B. Rehmer ja B. Skrotzki, Pyrometric temperature measurement of ceramic thermal shock samples, Measurement, osa/vuosik. 44, nro 1, pp. 259-266, Tammikuu 2011. ISSN: 0263-2241 DOI: 10.1016/j.measurement.2010.09.050 [12] C. Ohlhorst, W. Vaughn, K. Daryabeigi, R. Lewis, A. Rodriguez, J. Mllhoan ja J. Koenig, Emissivity results on high temperature coatings for refractory composite materials, Proceedings of the 29th International Thermal Conductivity Conference, ITCC29 and the Proceedings of the 17th International Thermal Expansion Symposium, ITES17, Birmingham, AL, 2008. ISBN: 9781932078725 [13] Ultramet, Refractory Metal Coatings & Freestanding Structures, Ultramet, [Online]. Available: http://www.ultramet.com/refractory_metal_coatings.html. [Haettu 15.9.2013]. 16

7 Kuvat (1) Mustan kappaleen spektri, fi.wikipedia.org. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e7/bbs.jpg (Haettu 23.7.2013) (2) I.M. Tougas ja O.J. Gregory, Rhode Islandin yliopisto, [5], s. 347 (3) R. Brandt et al., Stuttgartin yliopisto [3], s. 734 (4) R. Brandt et al., Stuttgartin yliopisto [3], s. 735 (5) Mustan reniumpäällysteen emissiokerroin lämpötilan funktiona, Ultramet. http://www.ultramet.com/refractory_metal_coatings.html (Haettu 15.9.2013) 17