Mitkä ovat infrapunalämpömittarien periaatteet ja luokitukset?
1. Infrapunaperiaate
Mikä tahansa esine, jonka lämpötila ylittää absoluuttisen nollan (-273 astetta), lähettää lämpösäteilyä ulospäin. Erot kohteen lämpötilassa johtavat vaihteluihin säteilyenergiassa ja säteilyn aallonpituudessa, jolloin infrapunasäteily sisältyy aina spektriin. Alle 1000 asteen kohteissa infrapuna-aallot muodostavat hallitsevat sähkömagneettiset aallot lämpösäteilyssä. Siksi kohteen luontaisen infrapunasäteilyn mittaaminen mahdollistaa sen pintalämpötilan tarkan havaitsemisen, mikä muodostaa infrapunalämpötilan mittauksen objektiivisen perustan ja ydinperiaatteen.
Musta kappale on ihanteellinen säteilijä, joka absorboi kaiken tulevan säteilyenergian aallonpituuksilla ilman heijastusta tai läpäisyä ja jonka pinnan emissiokyky on 1. Käytännössä kaikki luonnonkohteet eivät kuitenkaan ole mustaa kappaletta. Infrapunasäteilyn jakautumisen lakien selventämiseksi ja kvantifioimiseksi tutkimukseen tarvitaan teoreettinen malli. Planck ehdotti kvantisoitua oskillaattorimallia onkalosäteilylle ja johti Planckin mustan kappaleen säteilyn lain, joka määrittelee mustien kappaleiden spektrisäteilyn aallonpituudella. Se toimii kaikkien infrapunasäteilyteorioiden kulmakivenä, ja sitä kutsutaan myös mustan kappaleen säteilylakiksi.
Säteilyn aallonpituuden ja kohteen lämpötilan lisäksi todellisten esineiden säteilytehoon vaikuttavat materiaalityyppi, käsittelytavat, lämpöhistoria, pintaolosuhteet ja ympäristötekijät. Mustan kappaleen säteilylain soveltamiseksi käytännön esineisiin otetaan käyttöön materiaalin ominaisuuksiin ja pintaolosuhteisiin liittyvä suhteellinen kerroin, nimittäin emissiokyky. Tämä kerroin osoittaa, kuinka tarkasti todellisen esineen lämpösäteily on lähellä mustan kappaleen lämpösäteilyä välillä 0 ja 1. Säteilylakien mukaisesti minkä tahansa materiaalin infrapunasäteilyn ominaisuudet voidaan määrittää, kun sen emissiokyky on tiedossa. Keskeisiä emissiivisuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat materiaalityyppi, pinnan karheus, fysikaalis-kemiallinen rakenne ja materiaalin paksuus.
2. Infrapunalämpömittarien toimintaperiaate ja rakenne
Luonnossa kaikki absoluuttisen nollan yläpuolella olevat esineet lähettävät jatkuvasti infrapunasäteilyä ympäröivään tilaan. Objektin infrapunasäteilyn suuruus- ja aallonpituusjakauma korreloivat läheisesti sen pintalämpötilan kanssa. Tarkka pintalämpötilamittaus voidaan saavuttaa ottamalla talteen kohteen itsestään lähettämä infrapunaenergia, joka on infrapunasäteilyn lämpömittauksen perusta.
Infrapunalämpömittarien toimintaperiaate on muuntaa mitattujen esineiden (esim. sulan teräksen) lähettämä infrapunasäteilyenergia sähköisiksi signaaleiksi. Infrapunasäteilyn intensiteetti vastaa suoraan kohteen lämpötilaa ja mitattu lämpötila määräytyy muunnetun sähköisen signaalin voimakkuuden perusteella.
Infrapunalämpömittari koostuu optisesta järjestelmästä, valosähköisestä tunnistimesta, signaalivahvistimesta, signaalinkäsittely-yksiköstä ja näytön lähtömoduulista. Optinen järjestelmä kerää infrapunasäteilyenergiaa kohteesta näkökentän sisällä, jonka kattavuus määräytyy lämpömittarin optisten komponenttien ja asettelun mukaan. Fokusoitu infrapunaenergia muunnetaan verrannollisiksi sähköisiksi signaaleiksi valosähköisen ilmaisimen avulla. Vahvistuksen ja erillisillä piireillä suoritetun käsittelyn jälkeen signaalit kalibroidaan sisäänrakennettujen algoritmien ja tavoiteemissioparametrien avulla lopullisen mitatun lämpötila-arvon tulostamiseksi.
Kun mitataan tavoitelämpötilaa infrapunalämpömittarilla, laite ottaa ensin infrapunasäteilyn asetetun spektrikaistan sisällä ja laskee tavoitelämpötilan sen mukaan. Infrapunalämpömittarit luokitellaan toimintaperiaatteiden mukaan yksivärilämpömittareihin ja kaksivärilämpömittareihin (suhdesäteilylämpömittarit). Yksiväriset lämpömittarit mittaavat lämpötilaa, joka on verrannollinen säteilyn voimakkuuteen yhdellä kaistalla, kun taas kaksiväriset lämpömittarit laskevat lämpötilan kahden erillisen spektrikaistan säteilysuhteen perusteella.
3. Infrapunalämpömittarien kehittäminen ja luokittelu
Nykyaikainen infrapunalämpötilan mittaustekniikka tukee skannaavaa lämpötunnistusta vaihtelevan lämpötilan pinnoilla, jotta voidaan luoda lämpötilajakautumakuvia ja tunnistaa tehokkaasti piilossa olevat lämpötilaerot. Infrapunalämpökamerat toteuttavat tämän toiminnon.
Infrapunalämpökuvaustekniikkaa sovellettiin alun perin sotilasvarusteisiin. Texas Instruments (TI) kehitti maailman ensimmäisen infrapunaskannaustunnistusjärjestelmän. Siitä lähtien länsimaat ovat ottaneet laajalti käyttöön infrapunalämpökuvaustekniikkaa sotilaallisille alustoille, mukaan lukien lentokoneet, tankit ja sotalaivot, lämpökohdistusjärjestelminä, mikä parantaa huomattavasti kohteen etsintä- ja iskukykyä.
Infrapunalämpötilan mittauslaitteet luokitellaan yleensä kolmeen tyyppiin:
(1) Infrapunapistelämpömittarit: mukaan lukien kannettavat ja kiinteästi asennettavat mallit;
(2) infrapunaskannerit;
(3) Infrapunalämpökamerat.
