Puhtaiden, hapettumattomien metallipintojen emissiivisyys on hyvin matala — niin matala, että niitä on vaikea mitata lämpökameralla. Monissa teollisuuden tuotekehityssovelluksissa on matalan emissiivisyyden kohteita, etenkin sähkösovelluksissa. Tarkkoihin mittauksiin tarvitaan näiden kohteiden emissiivisyyden parantamista.
Lämpökamera mittaa infrapunasäteilyn voimakkuutta ja muuntaa sen näkyväksi kuvaksi. Kohteesta lähtevä lämpösäteily kohdistuu kameran optiikan avulla infrapunailmaisimeen, joka lähettää tiedot elektroniikalle jatkokäsittelyä varten. Tämä data muunnetaan kuvaksi, josta voidaan lukea lämpötiloja – jokainen pikseli on todellisuudessa yksittäinen lämpötilamittaus.
Lämpökuvien oikeaan tulkintaan tarvitaan tietoa siitä, miten eri materiaalit ja olosuhteet vaikuttavat mittaustuloksiin. Emissiivisyys kertoo, kuinka tehokkaasti kohde säteilee infrapunasäteilyä verrattuna täydelliseen säteilevään pintaan (ns. mustakappale, jonka emissiivisyysarvo on 1). Käytännössä mitattavat kohteet eivät ole täydellisiä säteilejiä, vaan niiden emissiivisyys on alle 1. Tällöin mitattu lämpötila muodostuu säteilevän, heijastuneen ja läpäisseen säteilyn yhdistelmästä. Mittaustarkkuuden kannalta on oleellista asettaa oikea emissiivisyysarvo kameraan. FLIRin lämpökameroissa on valmiiksi määritettyjä emissiivisyysarvoja monille materiaaleille.
Täydellisen mustan kappaleen emissiivisyys on 1. Toisin sanoen kohteen säteily lähtee 100-prosenttisesti kohteen pinnasta.
Todellisuudessa kohteemme eivät ole täydellisiä mustia kappaleita. Kohteen mitattu lämpötila on seurausta lähetetyn, läpäisseen ja heijastuneen säteilyn yhdistelmästä.
Kohteen emissiivisyys, heijastuvuus ja lämmönjohtavuus riippuvat materiaalista
Useimpien ei-metallisten materiaalien emissiivisyys on noin 0,9, eli 90 % mitatusta säteilystä tulee itse kohteesta. Kiillotettujen metallien emissiivisyys on yleensä vain 0,05–0,1. Hapettuneilla tai korroosion vaurioittamilla pinnoilla emissiivisyys voi olla 0,3–0,9. Materiaaleja, joiden emissiivisyys on alle 0,7, on vaikea mitata. Alle 0,2:n emissiivisyydet vaativat erityistoimenpiteitä. Onneksi on olemassa kustannustehokkaita ratkaisuja, joilla emissiivisyyttä voidaan parantaa — yleensä vähentämällä pinnan heijastavuutta.
Lämpökuvaa katsoessa saattaa luulla, että lehdet ovat kylmempiä kuin mukin pinta. Todellisuudessa niillä on täsmälleen sama lämpötila, ja infrapunasäteilyn intensiteetin ero johtuu emissiivisyyden erosta.
Sähköteippi
Useimpien laadukkaiden sähköteippien emissiivisyys on 0,95. Teipin tulee olla läpinäkymätöntä, erityisesti keskitaajuusalueella (3–5 μm) toimivilla kameroilla. Esimerkiksi Scotch™ 88 musta vinyyliteippi on suositeltava (emissiivisyys 0,96). Ohuet vinyyliteipit voivat päästää infrapunasäteilyä lävitseen ja eivät siksi sovi.
Suuren, kiiltävällä metallikorkilla varustetun piirin lämpötila: ilman pinnoitetta piirin lämpötila oli lähellä huoneenlämpöä. Kun piiriin kiinnitettiin kerros korkean emissiivisyyden omaavaa Kapton-teippiä, todelliseksi lämpötilaksi saatiin 43,9 °C.
Tässä esimerkissä on kaksi teipillä suljettua tölkkiä. Vasen on täytetty kuumalla vedellä; toinen on huoneenlämmössä. Kuuman tölkin lämpötila teipistä mitattuna on 72,8 °C ja tölkistä mitattuna 23,5 °C. Jälkimmäinen lukema on pohjimmiltaan huoneenlämmössä, koska tölkin emissiivisyys on melko alhainen. Tämä on klassinen esimerkki siitä, miksi on tarpeen käyttää korkean emissiivisyyden omaavaa sovellusta matalan emissiivisyyden omaavassa kohteessa.
Maalit ja pinnoitteet
Useimpien maalien emissiivisyys on 0,9–0,95. Metallipohjaisia maaleja tulee välttää, samoin kiiltäviä pintoja – matta on parempi kuin kiiltävä. Pinnoitteen on oltava tarpeeksi paksu, yleensä kaksi kerrosta riittää. Maali sopii laajemmille alueille (mutta on pysyvä), kun taas teippi käy pienempiin kohteisiin. Irrotettavaksi pinnoitteeksi soveltuvat jauheet (esim. Dr. Scholl’s™ jalkapuuteri tai tunkeumavärin kehitteet), kunhan ne levitetään tarpeeksi paksusti.
Vasemmalla: Piirilevy ilman emissiivisyyttä lisäävää maalia. Oikealla: emissiivisyyttä lisäävällä maalilla. Maalien käytön haittapuolena voi olla hienojen yksityiskohtien väheneminen.
Valkopohjakynä (”white-out”)
Valkopohjakynä nostaa pinnan emissiivisyyttä (0,95–0,96) ja sopii erityisesti pienille komponenteille, joihin teippi ei tartu. Valkopohjan voi poistaa alkoholilla.
Huomioitavaa
Koska monet näistä kohteista ovat usein sähköisesti jännitteisiä, on aina oltava varovainen. Tämä tarkoittaa, että kohteet pinnoitetaan vain silloin, kun ne eivät ole jännitteellisiä, ja käytetään vain hyväksyttyä pinnoitetta, jotta varmistetaan asianmukainen toiminta jännitteellisinä. Varmista, että pinnoite peittää riittävän suuren alueen. Tiedä kamerasi mittauspisteiden kokosuhde ja vähimmäiskäyttöetäisyys, jota voit turvallisesti käyttää. Esimerkiksi kamera, jonka pisteiden kokosuhde on 250:1, voi mitata yhden tuuman kohteen enintään 250 tuuman eli 20,8 jalan etäisyydeltä (tai yhden senttimetrin kohteen enintään 250 senttimetrin eli 2,5 metrin etäisyydeltä). Korkeampiin lämpötiloihin käytä korkean lämpötilan maalia, kuten moottori- tai hiiligrillimaalia. Teippien ja jauheiden käyttölämpötila-alue on rajoitettu. Sähköjärjestelmissä, jos teippi sulaa, ongelma on todennäköisesti merkittävä. Joten sinun ei pitäisi tarvita korkean lämpötilan materiaalia tähän sovellukseen.
Piirilevyjen emissiivisyysarvojen hallinta
Vianetsintämenetelmien aikana komponenttien lämpötilojen mittaaminen täytetyillä piirilevyillä (PCB) voi olla erittäin hyödyllinen ja kustannustehokas tekniikka, mutta se on vaikeaa eri komponenttien erilaisten e-arvojen vuoksi. Yleensä piirilevyt on valmistettu erilaisista metalli- ja muovikomponenteista, joita eri valmistajat ovat valmistaneet ja jotka viimeistelevät komponentit omalla tavallaan. Kun levy käsitellään tunnetulla, testatulla ja karakterisoidulla pinnoitteella, ongelma yleensä yksinkertaistuu. Pinnoituksen jälkeen komponenttien pinnoilla on samat e-arvot, ja suhteelliset lämpötilat voidaan määrittää ottamalla termogrammi.
Voit hallita emissiivisyyden arvoja käsittelemällä piirilevyn pinnoitteella.
Emissiivisyyden määrittäminen
Emissiivisyyden arvon tunteminen on välttämätöntä todellisen lämpötilan arvioimiseksi mitatusta säteilystä. Emissiivisyyden taulukkoarvoja on kuitenkin käytettävä varoen. Usein ei ole selvää, millä aallonpituusalueella emissiivisyysarvo on pätevä. Ja emissiivisyydet muuttuvat aallonpituuden mukaan. Myös pinnan kunto, rakenne ja muoto ovat keskeisiä tekijöitä materiaalin emissiivisyydessä. Tässä on yksi tapa ymmärtää emissiivisyyden epävarmuuden vaikutus mittaustarkkuuteen: Oletetaan, että kohteen emissiivisyyden epävarmuus on ±0,05. Emissiivisyydelle 0,95 tämä edustaa noin 5 %:n virhettä (0,05/0,95). Materiaalille, kuten kiiltävälle kuparille, jonka emissiivisyys on 0,05, tämä edustaa 100 %:n virhettä (0,05/0,05). Nämä virheet leviävät lämpötilalaskentaan ja lisäävät lämpötilalukeman virhettä. Suosittelemme, että lämpötilan mittausta ei yritetä alle noin 0,5:n kohteen emissiivisyyksille tämän vaikutuksen vuoksi. Päällystä kohde korkean emissiivisyyden omaavalla materiaalilla.
Korkean emissiivisyyden pinnoitemateriaalit
Täältä löydät tarkemman taulukon eri materiaalien emissiivisyydestä.
