Lämpösäteily ja lämpökamera 2016-11-24T08:43:11+00:00

Lämpösäteily ja infrapuna

MW: 3…5 µm | LW: 8…12 µm

Infrapuna on laaja käsite. Infrapuna on näkyvää valoa pitkäaaltoisempaa sähkömagneettista säteilyä. Lähinnä valon aluetta ilmenevää infrapunaa kutsutaan lähi-infrapunaksi (Near InfraRed=NIR). Lämpösäteily (MW, LW) on infrapunasäteilyä, joka on lähi-infrapunaa pitkäaaltoisempaa. Sitä lähettää jokainen kappale, jonka lämpötila on yli absoluuttisen nollapisteen (-273 astetta C). Lämpösäteily liikkuu valon nopeudella, kuten muukin sähkömagneettinen säteily. Säteilyn voimakkuus korreloi kappaleen todelliseen lämpötilaan.

Täydellistä mustakappaletta (=täydellinen säteilijä) lukuunottamatta jokainen kappale myös heijastaa muista lähteistä tulevaa säteilyä. Kappaleen pintamateriaalirakenne määrittelee, kuinka suuri osa kappaleesta tulevasta säteilystä on sen itsensä lähettämää (emittoimaa). Metalliset paljaat pinnat heijastavat enemmän ympäristön energiaa kuin itse lähettävät. Tästä johtuen kiiltäviä metalleja ei voida, varsinkaan matalissa lämpötiloissa (noin alle 100), mitata ollenkaan.

Kappaleen säteilemän energian osuus kappaleen kokonaisenergian määrästä ilmaistaan emissiivisyytenä. Se on desimaaliluku nollan ja ykkösen väliltä. Mitä suurempi emissiivisyys, sitä vähemmän kappale heijastaa ympäristön energiaa ja sitä enemmän kappale säteilee lämpöä.

Ilmakehän vesihöyry ja hiilidioksidi absorboivat osan lämpösäteilystä lyhyillä infrapunan aallonpituuksilla. Tietyillä aallonpituuksilla lämpösäteily suodattuu lähes olemattomaksi. Lämpökamerat rakennetaan tämän johdosta ilmaisemaan ilmakehässä olevien ”infrapunaikkunoiden” läpi. Käytännössä puhutaan lyhytaalto- ja pitkäaaltoalueesta. Keskiaaltoalue (Medium Wave, MW) on 3-5 µm, pitkäaaltoalue (Long Wave, LW) 8-12 µm.

Eri aaltoalueilla lämpösäteily käyttäytyy huomattavan erilaisella tavalla. Kappaleiden emissiivisyys on yleensä pienempi keskiaaltoalueella. Emissiivisyys myös vaihtelee keskiaaltoisella mittauskaistalla selvästi enemmän. Lisäksi säteilyenergian erot ovat huomattavat. Alle 100 asteen lämpötilassa lämpösäteilyenergiaa on huomattavasti enemmän pitkäaaltoalueella. Lämpökamerat kalibroidaan kuitenkin mittaamaan aallonpituuskaistasta riippumatta kohteen lämpötiloja oikein.

NIR: 1…3 µm

Lähellä näkyvän valon aluetta ei havaita kappaleen omaa lähettämää lämpösäteilyä alle n. 650°C vaikka alue määritelläänkin kuuluvaksi myös infrapuna-alueeseen. Tästä johtuen videokameroita, joissa on pimeäkuvausmahdollisuus (infrapunakuvaus), ei voida käyttää lämpökuvaukseen, koska näissä kameroissa ilmaistaan juuri ja juuri silmälle näkymätöntä valon alueen osaa, joka ”valaistaan” IR-ledeillä, eikä kappaleen itsensä lähettämää varsinaista lämpösäteilyä. Samaa aluetta hyödynnetään mm. tv:n kaukosäätimissä, tietokoneiden ja matkapuhelinten langattomassa tiedonsiirrossa ja joissain langattomissa kuulokkeissa. Joissakin erikoissovelluksissa hyödynnetään myös lähi-infrapunan alueella toimivia kameroita ilmaisemaan vettä. Veden absorptio on erittäin voimakasta lähi-infrapunan alueella, joten NIR-kuvassa vesi näkyy täysin mustana.

Muita lähi-infrapunan sovellutusalueita:

  • S, C ja L alueiden telekommunikaatiossa käytettävien laserien tarkastus
  • Piilastujen tarkastus
  • Rikospaikkatutkinta
  • Spektroskopia
  • Teollisen ruoanvalmistuksen tarkastus

Lämpökameran toiminta

Lämpökamera on lämpösäteilyn vastaanotin. Se mittaa kuvauskohteen pinnasta luonnostaan lähtevää lämpösäteilyä. Lämpökameran ilmaisin muuttaa kohteen lämpösäteily-voimakkuuden lämpötilatiedoksi, josta lämpökuva muodostetaan digitaalisesti reaaliajassa. Lämpökameraa käytetään ensisijaisesti pintalämpötilajakaumien havainnollistamiseen.

Matriisi-ilmaisimia (FPA) on kahden tyyppisiä: Jäähdytettyjä & jäähdyttämättömiä

Jäähdytettyjen matriisien toimintalämpötila on noin -200 astetta celsiusta. Jäähdytys toteutetaan tavallisesti heliumkiertopumpulla. Jäähdyttämättömien matriisien pitempi vasteaika ei anna mahdollisuutta kuvata erittäin nopeita lämpöilmiöitä kuten jäähdytettyjen matriisien kamerat, mutta ne tarjoavat mahdollisuuden ympärivuorokautiseen valvontaan, koska niissä ei ole jatkuvasti liikkuvia mekaanisia osia. Matriisi-ilmaisimissa jokaisella kuvapisteellä on oma ilmaisin. Ilmaisinkenno ei kuitenkaan toimi jäähdyttämättömissä matriiseissa kuten videokamerassa CCD-kenno toimii (varaustilamuutokseen), vaan ilmaisu perustuu kohteen lämpösäteilyn aiheuttaman ilmaisimen resistiiviseen muutokseen.

Ilmaisinmateriaalina käytetään samantyyppistä materiaalia, jota käytetään sähkövastusten valmistamisessa. Vanhemmissa, yhden jäähdytetyn ilmaisimen kameroissa ilmaisin on myös jäähdytettävä lähes -200 asteeseen. Lämpökameran ilmaisin on tässä tapauksessa tavallisesti alkuaineseosta, esim. HgCdTe. Tämän tyyppisissä lämpökameroissa käytetään mekaanista juovaskanneria, joka ”pyyhkii” mittauskohteen pysty- ja vaakasuunnassa. Tänä päivänä jäähdyttämättömän matriisi-ilmaisimen kamerat ovat yleisimmin käytössä.

Optiikka

Erilaisilla optiikoilla voidaan vaikuttaa lämpökameran näkymäalueeseen. Optiikkamateriaali on usein hiilipinnoitettua germaniumia. Tämä siitä syystä, että optisen kanavan pitää luonnollisesti läpäistä ja taittaa lämpösäteilyä, jota tavallinen lasi ei tee. Lämpökameran erotuskyvyllä tarkoitetaan pienintä pinta-alan kokoa, jonka kuvausjärjestelmä pystyy erottamaan. Tähän voidaan vaikuttaa vaihtamalla optiikkaa. Lämpökameroihin ei tyypillisesti ole saatavissa optista zoomausta. Tämä johtuu optiikkamateriaalien kalleudesta, optisten pintojen vaikeasta lämpötilahallittavuudesta ja läpäisyprosentin oleellisesta heikentymisestä.

Pienin eroteltava pinta voidaan laskea kertomalla mittausetäisyys kameran geometrisella erottelukyvyllä. Geometrinen erottelukyky ilmaistaan yksittäisen pisteen mittauskulmana milliradiaaneissa. Geometrisen erottelukyvyn määrittelyn lähtökohta on luonnollisesti ilmaisinmatriisin yksittäisen ilmaisimen koko. Mittaustarkkuus riippuu erotuskyvyn lisäksi käytetyn lämpötila-alueen laajuudesta.

Lämpökameran käytöstä

Lämpökameroita on kahta päätyyppiä: mittaavia ja ei-mittaavia. Mittaavilla lämpökameroilla on useita sovellusalueita. Niitä käytetään mm. kiinteistöjen kuntotarkastuksissa, teollisuuden ennakoivassa kunnossapidossa, lämpöprosessien tutkimuksissa ja lämpökorreloivien vikojen paikantamisessa. Ei-mittaavia lämpökameroita käytetään yleensä etsintä- ja valvontalaitteina. Lämpökamerat toimivat valmiiksi spesifioidulla mittauskaistalla (lyhyt- tai pitkäaaltoinen infrapunakaista) ja lämpötila-alueella, joka on noin -40…+1500 astetta. Yleisimmin käytetään pitkäaaltokaistaa (n. 8-12µm).

Jotta lämpökameran mittaustulokset olisivat tarkkoja, käyttäjän täytyy määritellä kuvauskohteen emissiivisyys ja ympäröivä taustasäteily (=taustan lämpötila).

Yleisimpiä lämpökameran mittausominaisuuksia ovat määritellyn pisteen ja/tai alueen lämpötilamittaus (min, maks tai keskiarvo), isotermi (lämpötilan osa-alue tai ”värihälytys”) sekä vaaka- tai pystysuora profiili (yksittäisen vaakasuoran viivan lämpötilakuvaaja). Lämpötilan erotuskyky on parhaimmillaan noin 0,02 astetta. Erotuskykyä voidaan parantaa ns. kuvasummauksella mutta tällöin menetetään kuvantamisnopeutta häiritsevästi. Kuva alkaa ”häntiä”. Lämpökuvaukset voi tallentaa videolle, muistikortille tai kameran sisäiseen muistiin.

Lue yleisimpien materiaalien emissiivisyyslukuja
Lue laajempi lämpökuvauksen teoriapaketti
Lue infrapunatekniikan historiaa