Käytämme sivustollamme evästeitä. Jatkamalla hyväksyt evästeiden käytön. Hyväksyn
In English Suomeksi

Asiantuntijamme kertovat

Infrapuna-anturin valintaopas

Infrapuna

12.09.2016

Mittausten onnistumisen kannalta oikean anturin valinnan vaikutus lopputulokseen on 20 prosenttia. Loput 80 prosenttia onnistuneesta tuloksesta syntyy siitä, että anturi on asennettu oikein. Oikean anturityypin valintaan vaikuttavia tekijöitä ovat mittauskohteen emissiivisyys ja esteiden määrä mittalaitteen ja mittauskohteen välillä. Esteiseen lukeutuvat mukaan mm. savu, pöly ja optiikan likaantuminen. Lisäksi huomioon on otettava, täyttääkö mitattava kohde mittauskeilan alueen kokonaisuudessaan, vai peittääkö sen alueen vain osittain. Jos mittauskeilan koko pinta-ala ei täyty, on käytettävä tämän tyyppiseen kohteeseen erityisesti suunniteltuja antureita.

Infrapuna-anturin mittaustavan merkitys

Prosessisovellutuksissa käytetään useimmiten yksiaaltoista infrapunamittausta alueella 8-14 µm. Tällä alueella toimivat anturit on suunniteltu yleiskäyttöön sellaisille materiaaleille, jotka eivät heijasta valoa ja joiden lämpötila on suhteellisen matala. Yleiskäyttöön suunnitellut anturit eivät anna enää tarkkoja mittaustuloksia, mikäli mittauskohde muuttuu vaativammaksi. Haastavampia mittauskohteita ovat esimerkiksi

• voimakkaasti valoa heijastava materiaali, jolla on pieni emissiivisyys

• materiaalit, joiden emissiivisyys muuttuu esimerkiksi kulumisen tai laatuvaihtelun seurauksena

• pienet tai liikkuvat kohteet, jotka eivät täytä koko mittauskeilan aluetta

• vaikeat olosuhteet, esimerkiksi höyry, savu tai kaasu ilmassa, öljy, mekaaniset esteet tai optiikkaa likaavat aineet

 

Haastavat olosuhteet vaativat erityisesti niihin suunnitellut infrapuna-anturit. Nämä erikoisanturit voidaan jakaa edelleen kolmeen ryhmään: 1-aaltoinen, 2-aaltoinen (käytetään myös ilmaisua 2-väri tai suhdemittaus) ja moniaaltoinen. Optimaalinen mittaustulos saadaan valitsemalla sopiva anturi tarpeen mukaisesti. Seuraavassa taulukossa on summattu eri infrapuna-anturien ryhmien tärkeimmät ominaisuudet, jotka vaikuttavat anturin valintaan. 

Lyhyt- ja pitkäaaltoisten infrapuna-anturien tärkeimmät ominaisuudet

 

1-aaltoiset IR-anturit

1-aaltoinen infrapuna-anturi antaa keskiarvomittauksen kohdealueelta. Useimmissa käyttökohteissa lyhytaaltoinen IR-anturi (1-2 µm) antaa suuremman tarkkuuden kuin pitkäaaltoinen anturi (8-14 µm).

 

Pitkäaaltoinen anturi (8-14 µm), lämpötila-alue -45...+1750°C

Soveltuvat kohteet:

• Yleiskäyttöön tarkoitettu anturi. Useimmat markkinoilla olevat mallit toimivat kiinteällä 0.95 emissiokertoimella, mutta saatavilla on myös tarkemman tuloksen antavia säädettävällä emissiokertoimella varustettuja mittareita.
• Paras mittaustulos matalissa lämpötiloissa heijastamattomista materiaaleista puhtaissa olosuhteissa.

Lyhytaaltoinen anturi (1-2 µm), lämpötila-alue -45...+1750°C

Soveltuvat kohteet:

• Mataliin lämpötiloihin heijastaville materiaaleille, joilla on alhainen emissiivisyys, esimerkiksi kiiltävät metallipinnat

• Myös korkeisiin lämpötiloihin ei-heijastaville materiaaleille

• Melko likaaviin olosuhteisiin, joissa on pölyä, höyryä tai likaantuva optiikka

 

Pitkäaaltoinen IR-anturi on jopa 8 kertaa herkempi emissiivisyyden vaihteluille kuin lyhytaaltoinen anturi. Pitkäaaltoisella anturilla käyttäminen sille sopimattomissa olosuhteissa johtaa siis helpommin mittausvirheeseen. Jos esimerkiksi kiiltävän terästelan

lämpötila on 100°C ja sen pinnan emissiivisyyden vaihtelu on 10%, pitkä-aaltoisilla (8-14 µm) infrapuna-antureilla mittaustulokseen tulee 14°C virhe, kun lyhytaaltoisella anturilla se on vain 3°C.

2-aaltoiset IR-anturit

2-aaltoiset infrapuna-anturit pyrkivät mittaamaan kohdealueen kuumimman pisteen lämpötilan. Ne myös kompensoivat automaattisesti emissiivisyyden vaihtelut ns. grey-body –materiaaleilla. Nämä anturit mittaavat sekä kohdetta että emissiivisyyttä.

 

2-aaltoinen anturi, lämpötila-alue on +150...+2200°C

Soveltuvat kohteet:

• Pienelle tai vaihtelevalle emissiivisyydelle kaikissa lämpötiloissa

• Kohteeseen jossa on savua, höyryä, vettä, öljyä, optiikkaa likaavaa materiaalia, tai muita mekaanisia esteitä.
• Pienelle mittauskohteelle tai pieni lämmitetylle alueelle mittauskohteessa

• Kohteelle, jossa on suuria lämpötilaeroja

Moniaaltoiset anturit

Moniaaltoiset anturit sopivat mittaamaan kaikenlaisia metallipintoja. Nämä anturit mittaavat sekä kohdetta että emissiivisyyttä.

Moniaaltoiset IR-anturit toimivat lämpötila-alueella +150...+2200°C.

Soveltuvat kohteet:

• Non-grey body materiaalit kuten alumiini, messinki, kupari, sähköteräs, molybdeeni, ruostumaton teräs, erikoismetallit, tina, titaani, volframi ja sinkki

• Epätavalliset emissiivisyysominaisuudet, jotka johtuvat materiaalin päällystämisestä tai pitoisuuksista

• Taustahäiriöiden kompensointi tai muut häiritsevät poikkeavuudet

IR-anturit korkeissa ympäristölämpötiloissa

Kun ympäristölämpötila on korkea, voidaan käyttää valokuitumittauspäätä, jonka maksimilämpötila on 200ºC. PRO40, PRO80 ja PRT100 -sarjan antureihin voidaan lisätä valokuituoptiikkapää. Vaihtoehtoisesti antureihin on saatavissa ilma- tai vesijäähdytys, jos valokuituanturia ei haluta käyttää.

Emissiivisyys

Materiaalista riippuu kuinka paljon pinta pystyy säteilemään infrapunaenergiaa anturiin. 100% säteilevää pintaa kutsutaan mustasäteilijäksi (Black Body), ja se ilmoitetaan emissiivisyysarvolla 1. Käytännössä tähän ei päästä kuin referenssisäteilijällä laboratorio-olosuhteissa. Yleisillä materiaaleilla, kuten paperilla, puulla ja maalatuilla pinnoilla, emissiivisyys on 0.95. Tästä johtuen edulliset IR-mittarit ja anturit ovat suunniteltu kiinteälle emissiivisyysarvolle 0.95. Jos kuitenkin halutaan tarkka lämpötila, on käytettävä mittareita joissa on mahdollisuus korjata emissiivisyykerrointa pintamateriaalin mukaan. 

Metallit ovat ongelmallinen mitattava, koska niiden emissivisyysalue on hyvin laaja, vaihdellen alueella 0.05...0.8. Jos emissiivisyys vaihtelee esim. välillä 0.4...0.5, tarkoittaa se n. 10% virhettä lämpötilanäyttämään. Lisävirhettä syntyy siitä, että pinta toimii peilin tavoin, esim. arvolla 0.5, vain 50% pinnasta luovuttaa IR-energiaa ja loput 50% toimii peilin tavoin ja peilaa ympäristölämpötilaa anturiin. Tämä tarkoittaa sitä, että kylmät ja kuumat pinnat ympäristössä voivat heijastua mitattavan pinnan kautta anturiin, jossa ne summautuvat mittauskohteen lämpötilan kanssa. Tästä syystä metallien mittaamiseen käytetään lyhytaaltomittausta kapealla aaltoalueella (1-2 µm), jotta voidaan poistaa emissiivisyyden vaihtelun vaikutusta mittaustulokseen. Näiden IR-anturien hinnat nousevat helposti moninkertaiseksi verrattuna edullisiin 8-14 µm alueella toimiviin IR-antureihin nähden. Tyypillinen edullinen anturi on PC151 ja erittäin tarkka metallien mittaamiseen suunniteltu anturi vastaavasti PRO80.



Eri aallonpituuksille parhaiten sopivat IR-anturityypit
Yläpuolella olevassa kaaviossa on kuvattu eri aallonpituuksille parhaiten soveltuvat IR-anturityypit. Metallien ja kiiltävien pintojen mittaamiseen on valittava  mahdollisimman lyhyt aaltoalue, koska pinnan lähettämä IR-energia kasvaa lyhyillä aallonpituuksilla. Jos 8-14 µm aallonpituuden antureilla yritetään mitata alle 0.7 emissivisyyden pintoja, ympäristössä olevien kohteiden vaikutus kasvaa suureksi. 2-aalto-antureilla voidaan emissiivisyyden vaihtelu kompensoida automaattisesti ns. Graybody -alueella.

Mittausetäisyyden vaikutus 

Yleisimmillä  esim. 15:1 (FOV). Alla olevasta kuvasta nähdään, että etäisyyden kasvaessa mittauskohteen alan halkaisija kasvaa lähes samassa suhteessa. Jos kuvan mukaisen anturin etäisyys kasvaa kolmeen metriin, on mittausalan halkaisja silloin 200 mm.  Vaikeissa olosuhteissa on huomioitava myös pölyn, savun ja muiden vastaavien väliaineiden vaikutus pitkillä etäisyyksillä. 


IR-antureilla mittausetäisyys ilmoitetaan mittausalan suhteena etäisyyteen.


Erikoisanturien mittauskeilat voivat poiketa toisistaan, kuten esimerkiksi vaikeille kohteille kehityillä PRO-sarjan anturit tekevät. Anturin mittauskeila on tyypillisesti 50..150:1, jolloin päästään jopa metrin etäisyydeltä 10 mm mittausalan halkaisijaan. Lisäksi näillä antureilla signaalin vaimennussuhde voi olla jopa 1500:1. Tämä tarkoittaa että esim. pölyä, savua, höyryä ja höyryä on ilmassa, tai optiikan likaantuminen voi niin suuri, että 99.9% prosenttia signaalista menetetään ulkoisten tekijöiden vuoksi ja silti se ei vaikuta tarkkuuteen, koska signaali on 1500 kertaa suurempi kuin tarkkaan mittaukseen tarvitaan.


Erikoisanturien mittauskeilat voivat poiketa toisistaan suurestikin.

Infrapuna-anturi Lämpötilamittaus Emissiivisyys Anturi

Arkisto