Okienka IR do pomiarów bezkontaktowych
Okna podczerwieni są zależne od długości fali, co oznacza, że ich materiały ograniczają użyteczny zakres widmowy. W niektórych przypadkach pomiary temperatury muszą być wykonywane przez okienko obserwacyjne, takie jak zamknięte komory reakcyjne, piece lub systemy próżniowe.
Te specjalistyczne okienka pełnią funkcję przezroczystych interfejsów, umożliwiając kamerom termowizyjnym i pirometrom dokładne pomiary temperatury bez bezpośredniego dostępu do powierzchni docelowej. Wybierając odpowiedni materiał i konstrukcję, inżynierowie i badacze mogą zapewnić niezawodne gromadzenie danych, zachowując jednocześnie integralność strukturalną i bezpieczeństwo zamkniętego środowiska.
Przepuszczalność okienka musi być zgodna z czułością widmową czujnika. Szkło kwarcowe często nadaje się do zastosowań wysokotemperaturowych ze względu na swoją stabilność termiczną. Natomiast do pomiarów w niższych temperaturach, w zakresie długości fali 8…14 μm – powszechnym w długofalowej termografii w podczerwieni – preferowane są materiały takie jak german, AMTIR lub selenek cynku. Każdy materiał wykazuje odmienne właściwości transmisyjne. Powłoki antyrefleksyjne mogą znacznie zwiększyć przepuszczalność, osiągając w niektórych przypadkach wartość nawet 95%. Jednakże wszelkie straty transmisji muszą zostać skompensowane podczas kalibracji. Jeśli producent dostarczy precyzyjne dane dotyczące przepuszczalności dla odpowiedniego zakresu długości fal, można je zastosować bezpośrednio w konfiguracji przyrządu. W przeciwnym razie może być konieczne empiryczne określenie z użyciem źródła odniesienia i pirometru. Oprogramowanie może to skorygować, jeśli producent określi dokładną przepuszczalność dla danej długości fali. Materiały optycznie przezroczyste, które przepuszczają zarówno światło widzialne, jak i podczerwone, są korzystne w zastosowaniach wymagających wizualnego ustawienia, takich jak umieszczenie czujnika w komorze próżniowej. Rysunek 1, poniżej przedstawia przepuszczalność niektórych popularnych materiałów na okienka, o grubości 3 mm.
Rysunek 1: Przepuszczalność niektórych popularnych materiałów okiennych. Wyniki symulowano dla okna o grubości 3 mm bez żadnej powłoki.
Przy wyborze okna do pomiaru temperatury w podczerwieni, oprócz kompatybilności długości fal i przepuszczlaności, należy wziąć pod uwagę kilka parametrów.
Ważnym czynnikiem jest wytrzymałość mechaniczna okna, szczególnie w środowiskach, w których może być ono narażone na różnice ciśnień, wibracje, wysokie temperatury lub uderzenia mechaniczne. Grubość okna musi być odpowiednia, aby wytrzymać te naprężenia bez odkształceń lub pęknięć. Poniższe równania pozwalają obliczyć grubość okna (t), aby wytrzymać różnicę ciśnień (P) po przeciwnych stronach dla okien okrągłych o promieniu (r) niepodpartym oraz okna prostokątnego o długości (l) i szerokości (w) przy danej wytrzymałości na zginanie (MOR). W tym przypadku współczynnik K odpowiada opcji montażu i wynosi = 0,75, jeśli montaż odbywa się z krawędziami zaciskanymi, a dla krawędzi niezaciskanych współczynnik K = 1,125. Dodatkowo inżynierowie dodają współczynnik bezpieczeństwa (SF) z zakresu 4…6.
Okna okrągłe: \(t=r \times \sqrt {P \times K \times \frac {SF}{MOR} }\)
Okna prostokątne: \(t=l \times w \times \sqrt {P \times K \times \frac {SF}{2 \times MOR \times (l^2+w^2)} } \)
Inżynierowie muszą znaleźć równowagę między wytrzymałością mechaniczną okna a jego przepuszczalnością optyczną. Grubsze okna zapewniają większą wytrzymałość, ale zmniejszają przepuszczalność ze względu na zwiększoną absorpcję optyczną. Z kolei cieńsze okna poprawiają przepuszczalność światła, ale mogą nie być trwałe w dłuższej perspektywie. Z punktu widzenia pomiarów, maksymalizacja przepuszczalności ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia wysokiej jakości sygnału, podczas gdy względy mechaniczne wymagają wystarczającej wytrzymałości, aby sprostać wymaganiom operacyjnym przez cały okres użytkowania urządzenia. Rysunek 2 przedstawia przepuszczalność materiału dla różnych grubości. Spadek przepuszczalności zależy zarówno od długości fali, jak i grubości.
Rysunek 2: Przykładowa przepuszczalność dla różnych grubości germanu bez powłoki.
Kolejną istotną cechą, którą należy wziąć pod uwagę przy wyborze okna optycznego do zastosowań termicznych lub podczerwieni, jest jego maksymalna temperatura pracy. Parametr ten określa najwyższą temperaturę, w której materiał może niezawodnie funkcjonować bez degradacji fizycznej lub chemicznej. Jeśli temperatura w środowisku aplikacji przekroczy ten próg, okno może utracić przezroczystość (stać się nieprzezroczyste), odkształcić się z powodu zmiękczenia, a nawet pęknąć i rozbić się, stając się kruche. Takie uszkodzenia wpływają na dokładność i niezawodność pomiarów temperatury oraz mogą uszkodzić czujnik lub kamerę za oknem, a także stwarzać zagrożenie dla bezpieczeństwa w warunkach przemysłowych. Dlatego wybór materiału okna o odpowiedniej tolerancji termicznej ma kluczowe znaczenie dla długoterminowej wydajności i integralności systemu.
Oprócz właściwości materiału, należy wziąć pod uwagę trwałość mechaniczną i środowiskową okna podczerwieni. Odporność na uderzenia, pyłoszczelność i wilgoć oraz konfiguracje montażu (kołnierz, wkręcany lub zawiasowy) wpływają na wydajność w warunkach rzeczywistych.
Rozszerzalność cieplna i odporność na szok termiczny również mają istotne znaczenie, szczególnie w wysokich temperaturach lub szybko zmieniających się warunkach termicznych. Materiał, który znacznie rozszerza się lub kurczy pod wpływem zmian temperatury, może powodować pęknięcia naprężeniowe lub rozregulować tor optyczny, potencjalnie pogarszając jakość pomiaru lub uszkadzając system czujników. Jakość powierzchni i płaskość mają kluczowe znaczenie dla minimalizacji zniekształceń optycznych i zapewnienia spójnej transmisji w podczerwieni. Niska jakość powierzchni może rozpraszać lub odbijać promieniowanie w sposób niezamierzony, zmniejszając efektywny sygnał docierający do detektora. W systemach o wysokiej precyzji nawet drobne niedoskonałości w połysku lub płaskości powierzchni mogą wpływać na dokładność pomiaru. Trwałość w warunkach środowiskowych to kolejny kluczowy czynnik. Materiał, z którego wykonane jest okienko, musi być odporny na wpływy środowiska, takie jak kurz, wilgoć i działanie substancji chemicznych. W trudnych lub korozyjnych warunkach niektóre materiały mogą z czasem ulegać degradacji lub tracić swoje właściwości optyczne, co prowadzi do niedokładnych odczytów lub awarii. Prawidłowe uszczelnienie wokół okienka jest równie ważne, aby zapobiec przedostawaniu się zanieczyszczeń na tor optyczny lub do chronionej przestrzeni za okienkiem.
Poniższa tabela podsumowuje typowe wartości materiałów okienek podczerwieni.
| Wzór | Zalec. pasmo [µm] |
T [%] |
Tmax [°C] |
Przepuszcz. w paśmie widzialnym | Odp. chem. | Zastosowanie w wysokiej próżni | Toksyczność | Uwagi | Cena | E [GPa] |
ρ [g/m3] |
ν | α [ppm/°C] |
MOR [MPa] |
| Szkło chalkogenidowe | 0.7…13 | 70 | 300 | Nie | Średnia | Tak | Niska (zawiera Ge) | Szkło amorficzne, kruche, szerokie pasmo | Kosztowny, materiał specjalny | 25 | 4,4 | 0,28 | 20,0 | 30…50 |
| Al₂O₃ | 1…4 | 85 | 1800 | Tak | B. dobra | Tak | Nietoksyczny | Monokryształ, wysoka twardość | Bardzo kosztowna, precyzyjna optyka IR | 400 | 3,98 | 0,25 | 5,0 | 300…700 |
| BaF₂ | 2…5.1 | 90 | 500 | Tak | Słaba | Tak | Potencjalnie toksyczny (jony baru, szkodliwy w razie połknięcia lub inhalacji) | Wzglęnie miękki, łatwo się rozszczepia, szerokie pasmo | Wysoce kosztowny, materiał specjalny | 53 | 4,89 | 0,34 | 18,1 | 30…50 |
| CaCO₃ | 0.2…3.2 | 75 | 600 | Tak | Średnia | Tak | Nietoksyczny | Bardzo kruchy, łatwo się rozszczepia, dwójłomny, optyka polaryzacyjna | Wysoce kosztowny, materiał specjalny | 70 | 2,71 | 0,16 | 25,0 | 10…30 |
| CaF₂ | 2…8 | 92 | 600 | Tak | Słaba | Tak | Nietoksyczny | Średnia wytrzymałość, wrażliwy na szoki termiczne, niski wspólcz. załamania | Średni koszt | 75 | 3,18 | 0,26 | 18,85 | 40…70 |
| CsI | 0.25…55 | 85 | 350 | Tak | Słaba | Tak | Średnia (cez i jod mogą być toksyczne w formie rozpuszczonej) | Bardzo miękki, higroskopijny, szerokie pasmo | Wysoce kosztowny, materiał specjalny | 12 | 4,51 | 0,28 | 55,0 | 10…20 |
| Ge | 2…16 | 50 | 100 | Nie | Dobra | Tak | Nietoksyczny | Kruchy, zależnie od orientacji kryształu, wysoki współczynnik załamania | Bardzo kosztowna, precyzyjna optyka IR | 102 | 5,32 | 0,28 | 6,1 | 70…120 |
| TlBrI | 1…14 | 90 | 75 | Tak | Dobra | Tak | Toksyczny (zawiera wysoce toksyczny tal, podlegający kontroli) | Miękki, niska wytrzymałość, szerokie pasmo IR | Ekstremalnie drogi, ograniczone stosowanie | 15 | 7,37 | 0,41 | 37,4 | 15…30 |
| LiF | 0.15…6 | 91 | 600 | Tak | Słaba | Tak | Lekko toksyczny (w razie połknięcia lub wdychania pyłu) | Łatwo się rozszczepia, wrażliwy na szoki termiczne, pasmo od UV do IR | Średni koszt | 64 | 2,64 | 0,25 | 37,0 | 40…80 |
| MgF₂ | 0.12…6 | 94 | 1000 | Tak | Doskonała | Tak | Nietoksyczny | Twardy, ciężkie warunki, średnia wytrzymałość, stosowany na powłoki | Średni koszt | 38 | 3,18 | 0,27 | 13,7 | 80…120 |
| NaCl | 0.25…16 | 92 | 800 | Tak | Słaba | Tak | Nietoksyczny | Bardzo miękki, higroskopijny, szerokie pasmo | Niski koszt | 30 | 2,17 | 0,25 | 45,0 | 10…20 |
| Si | 1.5…8 | 52 | 200 | Nie | B. dobra | Tak | Nietoksyczny | Kruchy ale odporniejszy niż Ge, lekki | Średni koszt | 130 | 2,33 | 0,28 | 2,6 | 100…200 |
| SiO₂ | 1…2.5 | 93 | 900 | Tak | B. dobra | Tak | Nietoksyczny (wdychanie pyłu jest szkodliwe) | Amorficzny, odporny na szoki termiczne, niska rozszerzalność termiczna | Tani, szeroko dostępny | 73 | 2,2 | 0,17 | 0,55 | 50…100 |
| ZnS | 2…14 | 75 | 250 | Tak | Dobra | Tak | Niska toksyczność (unikać wdychania pyłu) | Klasa wielopasmowa mocniejsza od standardowej, wysoki współcz. załamania | Wysoce kosztowny materiał specjalny | 74 | 4,09 | 0,28 | 7,85 | 70…100 |
| ZnSe | 2…14 | 70 | 250 | Tak | Dobra | Tak | Potencjalnie toksyczny (zawartość Se; unikać pyłu i oparów) | Bardziej miękki niż ZnS, niskie pochłanianie | Bardzo kosztowna, preyzyjna optyka IR | 70 | 5,27 | 0,28 | 7,1 | 50…80 |
Legenda:
T - przepuszczalność okienka o grubości 3 mm
Tmax - maksymalna temmperatura pracy okienka
E - moduł Younga
ρ - gęstość
ν - współczynnik Poissona
α - współczynnik rozszerzalności termicznej
MOR - wytrzymałość na zginanie
Podsumowanie
- Okienka podczerwieni muszą być dopasowane do czułości widmowej czujnika.
- Grubsze okienka wytrzymują ciśnienie/wibracje, ale zmniejsza się ich przepuszczalność. Cieńsze optymalizują jakość sygnału, ale zagrażają trwałości.
- Ograniczenia maksymalnej temperatury pracy zapobiegają degradacji (np. pękaniu, nieprzezroczystości).
- Niedopasowanie rozszerzalności cieplnej elementów montażowych może powodować naprężenia. Materiały o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej (α) (np. szkło kwarcowe) są preferowane w środowiskach o wysokim ΔT.
- Jakość powierzchni (płaskość λ/4, odporność na zarysowania <60–40) minimalizuje zniekształcenia i rozproszenie frontu fali.
- Odporność chemiczna na ścieranie: Powłoki (np. diamentopodobny węgiel na Ge) chronią przed korozją lub obecnością cząstek stałych.
- Korekcja transmitancji. Niezbędne jest jedno z poniższych:
- Dostarczenie przez producenta danych dotyczących transmisji widmowej (wprowadzonych do oprogramowania czujnika).
- Empiryczna kalibracja z wykorzystaniem ciała doskonale czarnego i pirometru.
Źródła
- Hecht, Eugene. Optik, Berlin, Boston: De Gruyter, 2018. https://doi.org/10.1515/9783110526653