24  Lämpökuvauksen mittausmenetelmät

24.1  Johdanto

Lämpökamera mittaa ja kuvaa kohteen lähettämää infrapunasäteilyä. Kamera pystyy laskemaan ja näyttämään kohteen lämpötilan,‎ koska sen vastaanottaman säteilyn määrä riippuu kohteen pintalämpötilasta.
Kameran mittaamaan säteilyn määrään ei kuitenkaan vaikuta yksin kohteen lämpötila,‎ vaan myös sen säteilykyky eli emissiivisyys. Osa kohteen heijastamasta säteilystä on niin ikään peräisin ympäristöstä. Itse kohteesta peräisin olevan ja siitä heijastuneen säteilyn määrään vaikuttaa myös ilman absorptio.
Lämpötilan tarkka mittaaminen edellyttääkin useista eri lähteistä peräisin olevan säteilyn vaikutusten kompensointia. Kamera tekee tämän automaattisesti online. Seuraavat parametri on kuitenkin annettava:
  • kohteen emissiivisyys
  • heijastuva näennäislämpötila
  • kohteen ja kameran välinen etäisyys
  • suhteellinen kosteus.
  • ilman lämpötila.

24.2  Emissiivisyys

Tärkein korjausparametri on emissiivisyys,‎ eli se,‎ miten paljon säteilyä kohde lähettää verrattuna samanlämpöisen täydellisen mustan kappaleen lähettämään säteilyyn.
Tavallisesti kohteiden materiaalin ja käytettyjen pinnoitteiden emissiivisyys vaihtelee välillä 0,‎1–0,‎95. Erittäin kiiltävien (peili)‎pintojen säteilykyky on alle 0,‎1,‎ kun taas hapettuneiden tai maalattujen pintojen emissiivisyys on korkeampi. Öljymaalien emissiivisyys infrapuna-alueella on yli 0,‎9 eikä vaihtele näkyvän spektrin mukaan. Ihmisihon emissiivisyys on välillä 0,‎97–0,‎98.
Toista ääripäätä edustavat hapettumattomat metallipinnat,‎ jotka ovat miltei läpinäkymättömiä heijastaen valoa tehokkaasti sen aallonpituudesta riippumatta. Tämä tarkoittaa,‎ että metallien emissiivisyys on alhainen ja lisääntyy vain lämpötilan noustessa. Epämetallien emissiivisyys on tavallisesti korkea ja laskee lämpötilan noustessa.

24.2.1  Näytteen emissiivisyyden määrittäminen

24.2.1.1  Vaihe 1: Heijastuvan näennäislämpötilan määrittäminen

Määritä heijastuva näennäislämpötila jommallakummalla seuraavista menetelmistä:
24.2.1.1.1  Menetelmä 1: Suora menetelmä
    Toimi seuraavasti:
  1. Paikallista mahdolliset heijastuslähteet ottaen huomioon,‎ että tulokulma = heijastuskulma (a = b)‎.
    Graphic

    Kuva 24.1  1 = Heijastuslähde

  2. Jos heijastuslähde on pistelähde,‎ muuta lähdettä peittämällä se pahvinpalalla.
    Graphic

    Kuva 24.2  1 = Heijastuslähde

  3. Mittaa heijastuslähteen suuntasäteilyvoimakkuus (= näennäislämpötila)‎ käyttämällä seuraavia asetuksia:
    • Emissiivisyys: 1.0
    • Dobj : 0
    Voit mitata suuntasäteilyvoimakkuuden jommallakummalla seuraavista menetelmistä:
    Graphic

    Kuva 24.3  1 = Heijastuslähde

    Graphic

    Kuva 24.4  1 = Heijastuslähde

Heijastuvan näennäislämpötilan mittaaminen termoelementin avulla ei ole suositeltavaa. Tähän on kaksi tärkeää syytä:
  • Termoelementti ei mittaa suuntasäteilyvoimakkuutta.
  • Termoelementti vaatii pintaan erittäin hyvän lämpökontaktin,‎ joka saadaan yleensä liimaamalla ja peittämällä anturi lämpöeristeellä.
24.2.1.1.2  Menetelmä 2: Heijastusmenetelmä
    Toimi seuraavasti:
  1. Rypistä suuri pala alumiinifoliota.
  2. Suorista alumiinifolio ja kiinnitä se samankokoiseen pahvinpalaan.
  3. Aseta tämä pahvinpala mitattavan kohteen eteen. Varmista,‎ että alumiinifoliolla päällystetty puoli on kameraa kohti.
  4. Aseta emissiivisyysarvoksi 1,‎0.
  5. Mittaa alumiinifolion näennäislämpötila ja kirjoita se muistiin.
    Graphic

    Kuva 24.5  Alumiinifolion näennäislämpötilan mittaaminen.

24.2.1.2  Vaihe 2: Emissiivisyyden määrittäminen

    Toimi seuraavasti:
  1. Valitse näytteen sijoituspaikka.
  2. Määritä ja aseta näennäislämpötila edellä kuvatulla tavalla.
  3. Aseta näytteen päälle sähköteippiä,‎ jonka emissiivisyys on tunnetusti suuri.
  4. Lämmitä näyte lämpötilaan,‎ joka on vähintään 20 K korkeampi kuin huoneenlämpötila. Lämmityksen on oltava tasaista.
  5. Tarkenna kamera,‎ määritä asetukset automaattisäädöllä ja pysäytä kuva.
  6. Määritä kuvan kirkkaus ja kontrasti Taso - ja Mittausalue -asetuksilla.
  7. Aseta emissiivisyys teipin mukaiseksi (tavallisesti 0,‎97)‎.
  8. Mittaa teipin lämpötila jollakin seuraavista mittaustoiminnoista:
    • Isotermi (auttaa määrittämään lämpötilan sekä sen,‎ miten tasaisesti näytettä on lämmitetty)‎
    • Piste (yksinkertaisempi)‎
    • Neliö K.arvo (hyvä,‎ jos pinnan emissiivisyys vaihtelee)‎.
  9. Kirjoita lämpötila muistiin.
  10. Siirrä mittaustoiminto näytteen pintaan.
  11. Muuta emissiivisyysasetusta,‎ kunnes lämpötilalukema on sama kuin edellisessä mittauksessa.
  12. Kirjoita emissiivisyys muistiin.

24.3  Heijastuva näennäislämpötila

Tämän parametrin avulla kompensoidaan kohteesta heijastuvaa säteilyä. Ympäristön lämpötilan oikea asetus ja kompensointi on tärkeää,‎ kun emissiivisyys on pieni ja kohteen lämpötila suhteellisen kaukana heijastuvasta lämpötilasta.

24.4  Etäisyys

Etäisyys on kohteen ja kameran linssin etuosan välinen etäisyys. Tämän parametrin avulla kompensoidaan sitä,‎ että
  • kohteen ja kameran välissä oleva ilma absorboi kohteesta tulevaa säteilyä
  • kamera havaitsee ilman itsensä aiheuttaman säteilyn.

24.5  Suhteellinen ilmankosteus

Kamera voi myös kompensoida sitä,‎ että myös ilman suhteellinen kosteus vaikuttaa läpäisysuhteeseen. Suorita kompensointi antamalla suhteellista kosteutta vastaava arvo. Lyhyillä etäisyyksillä ja normaaleissa kosteusolosuhteissa ei suhteellisen kosteuden 50 %:n oletusarvoa tarvitse muuttaa.

24.6  Muut parametrit

Lisäksi FLIR Systems ‑yhtiön eräät kamerat ja analysointiohjelmat antavat mahdollisuuden kompensoida seuraavat parametrit:
  • Ilman lämpötila – eli kameran ja kohteen välisen kaasukerroksen lämpötila
  • Ulkoisen optiikan lämpötila – eli ulkoisten linssien tai kameran edessä olevien infrapunaikkunoiden lämpötila
  • Ulkoisen optiikan siirtymäkerroin – eli ulkoisten linssien tai kameran edessä olevien ikkunoiden siirtymäkerroin