F/0.2 aukkosuhteella IR:ää tutkailemaan

[mrkat]

Ikivanha romujäänne jonka olen lapsena saanut, auton valo, Made in France. Rättisitikasta peräsin olevaksi on nyt sanottu. Mutta piirtää yllättävän terävän spotin. Lapsena taskulampun polttimolla syystalven pimeillä kiusalla valaistiin naapuritalojen seinille. (Toivottavasti ei jäänyt traumoja. ;)

Parabolipeili, f=25 mm paikkeilla, D=125 mm. Tästä aukkosuhde F 0.2. Mutta tavanomaisin opein jos laskee "valotustehon", niin ei toimi. F8 kaukoputkeeni verraten näin tulisi 1600x valotehoisampi kun oikeasti avaruuskulmana sain 500x.  Peilille arvioin 6 steradiaania eli lähes puolipallo.

Peilin tehoa kuvannee hyvin se, että tuvan puu-uunissa kun oli tuli ja se loimusi 20x30 cm uunin luukusta niin huoneen vastakkaiselta seinältä yli 3 metrin päässä suuntasin tuon peilin siihen ja polttopisteeseen paperirullan, niin se alkoi savuta. Toistin tempun 4-5x parina päivänä. Sukulaiset vähän ihmetteli..

Tarkoitus ottaa karkeaan 200-400K infrapunakartoitukseen NTC-vastuksilla tms. Kuun lämpö havaita ja ehkä pari lehmää..
 

[mistral]

Parabolipeili, f=25 mm paikkeilla, D=125 mm. Tästä aukkosuhde F 0.2. Mutta tavanomaisin opein jos laskee "valotustehon", niin ei toimi. F8 kaukoputkeeni verraten näin tulisi 1600x valotehoisampi

Puoli tuntia näppäiltyäni taskulaskinta päädyin kanssa tuohon 1600x valotehoon, ehkä se sitten stemmaa. Sitä en tiedä, korreloiko lämpötila 1:1:een valotehon (infrapuna) kanssa vai onko logaritminen suhteessa lämpötilaan.

[Lauri Kangas]

Aukkosuhde määrittää kuinka pienelle pinta-alalle obiskan muodostama kuva projisoituu. Esim. 24mm f/8 linssistä tulee kuvatasolle yhtä paljon fotoneita neliömilliä (tai pikseliä tms.) kohti kuin 500mm f/8:lla ja siksi voidaan käyttää samoja valotusaikoja.

500mm:llä kuvakulma kuitenkin on pienempi joten kuva-alalta tulee vähemmän fotoneja. Siksi apertuuria pitää olla enemmän (500mm/8 = 62.5mm vs. 24mm/8 = 3mm).

Jos tarkoitus on havaita lämpötehoa jollain vastuksilla niin silloin harjoitetaan yhden pikselin detektointia eli kerätään kaikki peilin tietystä suunnasta keräämät fotonit yhteen pisteeseen. Silloinhan ei enää tiedetä peilin polttovälistä mitään eli aukkosuhteella ei ole mitään väliä. Tällöin valonkeräyskyvyn (tai lämmön-) ratkaisee vain peilin halkaisija.

[mrkat]

Jos tarkoitus on havaita lämpötehoa jollain vastuksilla niin silloin harjoitetaan yhden pikselin detektointia eli kerätään kaikki peilin tietystä suunnasta keräämät fotonit yhteen pisteeseen. Silloinhan ei enää tiedetä peilin polttovälistä mitään eli aukkosuhteella ei ole mitään väliä. Tällöin valonkeräyskyvyn (tai lämmön-) ratkaisee vain peilin halkaisija.

Nyt tekee mieli sanoa: höpö höpö.
Anturini ei ole ensinnäkään ihan piste vaan 2x3 mm pallomainen kohde.

Toiseksi intuitio: 114 mm f/8 kaukoputkellani on turha yrittää saada paperia savuamaan nuotioon/uuniin suunnattuna vaikka halkaisija likimain tuo autonpeili.

Kolmanneksi F/0.2:lla anturini näkee puoli avaruutta ympärillään +100 asteisena lämpöä ja valoa hohtavana täyskuun pintana kun likisaman halkaisijan kaukoputkessa F/8:lla vain pienen tuhannesosan avaruutta semmoisena muun osan 99.9% ympäristöavaruuttansa näkee mustana viileänä +5..-30 asteisena kaukoputkena..
Tosin näillä peilien halkaisijoilla F/0.2:ssa anturini pitäisi olla pienempi, hankinnassa onkin pienempi. Mutta periaatteessa joku mikronin AgNO3-kide näkee noin kuten sanoin.

[mrkat]

Lisäksi lapsempana tehtiin myös toisinpäin tuolla kaukoputkella se lampunvalon suuntauskoe.
Pettymys oli hirmuinen kun odotimme koko naapuritalon seinän valaistuvan tai edes kaukoutken peilinkokoisen läntin kuten tuolla autonlampulla mutta tuloksena olikin hirmu himmeä pelkkä hehkulangan kuva.. jota etsittiin ja piti seinänviereen mennä sihtaamaan.

Tämän pitäisi toimia myös toisinpäin. Talon seinästä ei tule f/8:lla kuin himmeä vaikutus anturiin vs f/0.2 autonpeili.

[Lauri Kangas]

Nyt tekee mieli sanoa: höpö höpö.
Anturini ei ole ensinnäkään ihan piste vaan 2x3 mm pallomainen kohde.

Toiseksi intuitio: 114 mm f/8 kaukoputkellani on turha yrittää saada paperia savuamaan nuotioon/uuniin suunnattuna vaikka halkaisija likimain tuo autonpeili.

No joo, olet kyllä osittain oikeassa tässä (ja minä myös osittain ). Ongelman ydin lienee siinä että uunisi luukku ei ole pistemäinen kohde, joten sen eri osista tulee valoa obiskaan eri kulmista. Siispä sen kuva polttotasolla ei voi missään vaiheessa olla piste, vaikka olisi kuinka hyvin tarkennettu.

Tästä aiheutuu sitten se että tuolla kaukoputkella 912mm polttovälillä uunin luukun kuva leviää paperille isommaksi, joten lämpöenergiaa pinta-alaa kohti tulee vähemmän kuin yhtä isolla mutta lyhempipolttovälisellä peilillä. Tällöin paperin pintalämpötila ei sitten välttämättä ylitä syttymispistettä. Tämä tilannehan on sitten sama kuin kameran kennolla.

Vastuksesi on aika pieni ja lyhytpolttovälinen peili helpottaa sitten sitä että kokonainen uunin luukun kuva (tai ainakin suurempi osa) saadaan nipistettyä siihen vastuksen pinnalle sitä lämmittämään. Tässä tilanteessa aukkosuhteella siis on todella väliä. Merkitystä ei olisi jos lämmönlähde olisi pistemäinen tai sitten jos anturi olisi sen verran iso että lähteen kuva mahtuisi sille kokonaan (ja se toimisi ideaalisesti keräten kaiken lämmön).

Kuitenkaan vain noiden aukkosuhteiden eroista ei voi tuollaista 1600x lämmitystehon eroa johtaa vaan siihen vaikuttavat muutkin suureet.

Mutta näistä pilkunviilauksista huolimatta projekti on oikein mielenkiintoinen ja odotan innokkaasti tuloksia.

[mrkat]

Joo no tässä vaikuttaa sekin että vastus mittaa ympäri ämpäri kun valok.kenno vain enempi yhdestä suunnnasta puolen. Muutenkin lämmön ja valonmittaus on erilaista. Fotonit ei pääse karkuun mutta vastus jäähtyy koko ajan..
Toiseksi kuukaan ei ole aivan pistemäinen vaan levy. Noin F/0.2 peililläni pitäisi olla pieni anturi, mieluimmin just kuun kokoluokkaa 0.25-1.25 mm. Jos siis koko kuun kokonaissäteilyä mittaa.

NTC+peilisysteemini erottaa +32°C kämmenen 1,5 dm2 lämpiämisen muistaakseni -2..2,5 Ohmin muutoksena  1100 ohm NTC-vastuksella kun käsi on yli 3 m päässä eli lämpesi huoneessa 0,05° astetta kaukaisen kämmenen lämmöstä.
Laskin että NTC:n pitäisi lämmetä täyskuusta aboutti jotain 0,02°C ja 400 m päässä olevasta lehmästä 0,002°C. Ilmavirtauksia estää tavallinen läpinäkyvä pakkauskalvo (yl. polyeteeniä) joka läpäisee 85-90% IR-säteilystä. Ikkunalasi taas jysäytti lämpenemisefektin eli IR:n täysin kun kokeilin aivan sen edessä. 

Myöhemmin kuulin että Myytinmurtajissakin lasi stoppasi IR-säteilyn kun harhauttivat "murtomiehinä" IR-varashälyttimiä.

[Kaizu]

Yleismittareihinkin saa lämpöpari-antureita lämpötilan mittaukseen. Siinä on kaksi eri metallia liitetty yhteen ja lämpötila aikaansaa jännitteen tällaisessa parissa ja sitä mitataan yleismittarilla. Anturin koko on hyvin pieni, halkaisijaltaan parin millin luokkaa.

Fotonit ei pääse karkuun mutta vastus jäähtyy koko ajan..

Siltä osin kuin vastus jäähtyy säteilemällä niin juurikin fotonit sieltä karkaavat

Kaizu

[mrkat]

Yleismittareihinkin saa lämpöpari-antureita lämpötilan mittaukseen. Siinä on kaksi eri metallia liitetty yhteen ja lämpötila aikaansaa jännitteen tällaisessa parissa ja sitä mitataan yleismittarilla. Anturin koko on hyvin pieni, halkaisijaltaan parin millin luokkaa.

Joo mutta katsoin jo varhain että termopareilla uV:t/°C on liian pieniä ja wikipediassa tunnustetaan:
They are less suitable for applications where smaller temperature differences need to be measured with high accuracy, for example the range 0–100 °C with 0.1 °C accuracy. For such applications thermistors, silicon bandgap temperature sensors and resistance temperature detectors are more suitable. -http://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple

1880 Langley käytti kahta lampppunoella mustattua platinalankaa, joista toisen peitti ja toisen altisti lämpösäteilylle. Herkisti mittauksen Wheatstonen sillalla. Lopulta havaitsi lehmän lämmönkin 400m päästä. 
Platinalangalla sähkövastus muuttuu 0,4%/°C kun taas NTC-vastuksella kymmenen kertaa herkempi eli noin -4%/°C.

Tässä ehkä pienintä NTC-helmeä mitä löytyy ELFA-liikkeestä:

NTC-vastus helmi 10 kΩ, B57540G1103F005
Tuotenro 60-290-62
Resistanssi @ 25 °C    10 kOhm
Teho maks.    18 mW@25 °C
Terminen aikavakio    3 s (ilma)
B25/100-arvo    3625 K
B0/100-arvo    3586 K
Nimellislämpötila    25 °C
IEC-ilmastoluokitus    55/250/56
Lämpötila-alue    -55...+250 °C
Resistanssin toleranssi    ±1 %

Hinta 4,65 euroa yksittäin.
(Tosin tuolle antaa kaksikin eri koon kuvaa. En tiedä kumpi oikea.)
Vastusarvon ja lämpötilan suhde ei ole niin lineaarinen kuin platinalangalla vaan lähinnä logaritminen. Tieteellisisissä tarkkuushommissa platinalanka on parempi.

Terminen aikavakio on myös tärkeä. Tuossa, jos 0 °C:hen jäähtyneen NTC:n tuo +10 °C:n  lämpöiseen ilmaan niin 3 sekunnissa se lämpiää +6,3 °C asteeseen ja 6 sekunnin kuluttua alkutilanteesta NTC:n lämpötila pitäisi olla jo +8,6 °C jne.

Siltä osin kuin vastus jäähtyy säteilemällä niin juurikin fotonit sieltä karkaavat
Kaizu

Tietyssä mielessä lämpövastus muistuttaa enempi silmää kuin valokuvafilmiä: Tietyn lyhyen ajan voit kerätä eli "varastoida" fotoneja mutta pääosin et.

JK. Noin pienellä anturilla lämmönjohtuminen ja konvektio ilmaan ollevat ylivoimaisia lämmönsiirtotapahtumia säteilyyn verrattuna.

[mrkat]

Sukulaisen IR-mittarilla IR608 voin myös "leikkiä", se mittaa tosin epätarkemmin ja vain -18 C ylöspäin mutta tietyllä jekulla (sormi puoliksi edessä) olen arvioinut että taivas on avaruuteen läpinäkyvä päivälläkin ja antaa kovia pakkaslukemia (-25..-40C). Eikä yhtään lämpene edes auringon lähellä. Eli voin mitata kuuta ja taivaita keskipäivälläkin..

Tämä 300K:n  IR-tähtitiede on kuin radiotähtitiede, ei haittaa aurinko eikä täyskuutamo.