Visualisering av armestralningv medalphj avarmekv amerauu.diva-portal.org/smash/get/diva2:1118109/FULLTEXT01.pdf · Institutionen for fysik och astronomi, Uppsala universitet Visualisering

Institutionen for fysik och astronomi, Uppsala universitet

Visualisering av v�armestr�alningmed hj�alp av v�armekamera

Konstruktion av en laborationsuppst�allningf�or att underl�atta studenters f�orst�aelse avv�armestr�alning

My L�ofbergHandledare: Matthias Weisz og�Amnesgranskare: Cecilia Gustavsson

Examensarbete C i fysik, 15hp

9 juni 2017

Examensarbete

C

Sammanfattning

Varmestralning ar ett fenomen som studenter har svart att forsta[1]. Med dettasom bakgrund kommer en laborationsuppstallning konstrueras med syfte att visua-lisera varmestralning med hjalp av en varmekamera. Fokus ar att undersoka trans-mission och reflektion av varmestralning i tva olika typer av glas, ett fonsterglasoch ett lagemissionsglas. Resultatet var lyckat och transmissionen och reflektionenav varmestralningen visualiserades bra i de bilder varmekameran tog. Konstruktio-nen utformades i form av en lada som omslot de uppstallningar dar matningarnautfordes. Tva experiment utfordes, ett for transmission och ett for reflektion. I varjeexperiment utfordes matningar med respektive glas. Bilderna tagna for experimentetmed transmission visade tydligt att transmission inte ar mojlig for varmestralningi nagot av glasen, att fonsterglaset absorberar och emitterar storre delen av deninkommande varmestralningen och att lagemissionsglaset reflekterar storre delen avden inkommande varmestralningen. Bilderna tagna for experimentet med reflektionvisade tydligt att lagemissionsglaset reflekterar storre delen av den inkommandevarmestralningen medan den stralning varmekameran registrerade for matningenmed fonsterglaset var en kombination av den reflekterande varmestralningen ochfonsterglasets egna emission.

Abstract

Heat radiation is a phenomenon that students find hard to understand[1]. Inthis report a laboratory setup has been designed with the purpose to visualize heatradiation using a thermal camera. The goal is to investigate transmission and re-flection of heat radiation in two types of glass, window glass and low-emission glass.The result was successful and the pictures taken with the thermal camera showedthe phenomena clearly. The construction where designed as a box which enclosedthe setups used when doing the experiments. Two experiments were performed,one for reflection and one for transmission. In both experiments measurements witheach glass was performed. For the experiment investigating transmission the imagesclearly showed that transmission is not possible for heat radiation in any of the twoglasses, that the window glass absorbs and emits most of the incoming heat radiationand that the low-emission glass reflects most of the incoming heat radiation. For theexperiment investigating reflection the images clearly showed that the low-emissionglass reflects most of the incoming heat radiation while the radiation that the heatcamera registered for the measurement with the window glass was a combination ofthe reflective heat radiation and the window glass own emission.

1

Innehall

1 Inledning 2

2 Teori 22.1 Elektromagnetisk stralning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Stralning fran kroppar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Svartkroppstralning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Verkliga kroppar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.3 Stralningsfenomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Kirchhoffs stralningslag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Reflektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.4 Metaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.5 Glas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Fonsterglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Lagemissionsglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.6 Stralningslagar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Plancks stralningslag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Stefan-Boltzmanns lag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Wiens forskjutningslag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Metod 93.1 Beskrivning av varmekamera, FLIR C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2 Laborationsuppstallning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Experiment 1 - Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Experiment 2 - Reflektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Resultat 124.1 Uppstallning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Uppstallning av experiment 1 - Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . 13Uppstallning av experiment 2 - Reflektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.2 Utforande av experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Utforande av experiment 1 - transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Utforande av experiment 2 - reflektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.3 Resultat av experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Resultat av experiment 1 - transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Resultat av experiment 2 - reflektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5 Diskussion 275.1 Analys av experiment 1 - transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.2 Analys av experiment 2 - reflektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Analys av fonsterglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Analys av lagemissionsglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6 Slutsats 32

A Appendix 35A.1 Bilder fran experiment 1, fonsterglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35A.2 Bilder fran experiment 2, Lagemissionsglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1

1 Inledning

Varmestralning ar ett omrade inom fysiken som studenter har svart att forsta[1]. Ge-nom att anvanda en varmekamera som verktyg underlattas denna forstaelse eftersomvarmekameran visualiserar fenomen som annars ar osynliga for ogat[1]. Med detta sombakgrund kommer en laborationsuppstallning konstrueras med syfte att visualisera varme-stralning med hjalp av en varmekamera. Fokus ar att undersoka transmission och re-flektion av varmestralning. For att fa ett brett vaglangdsomrade att undersoka i detinfraroda spektrumet kommer laborationsuppstallningen besta av ett temperaturva-rierande objekt for att undersoka reflektion samt en varmekalla med konstant tem-peratur for att undersoka transmission. Malet med konstruktionen ar att underlattaforstaelsen av varmestralning for studenter pa universitetsniva. Experimenten med la-borationsuppstallningen kommer utforas med tva olika typer av glas, ett fonsterglasoch ett lagemissionsglas. Valet att undersoka varmestralning i tva olika typer av glasgors for att skapa en diskussion hos studenter om hur fenomenen inom varmestralningforandras beroende pa material och hur fenomenen forandras nar materialet utsatts forolika vaglangder. Glas ar namligen ett material vars egenskaper forandras patagligt frandet synliga ljuset till det infraroda omradet.

2 Teori

2.1 Elektromagnetisk stralning

Elektromagnetisk stralning ar en elektromagnetisk vag dar energi overfors genom vaxel-verkan mellan de magnetiska och elektriska falt som vagen bestar av. Energin hos denelektromagnetiska vagen avgor dess frekvens och vaglangd[2]. Utifran vaglangd ellerfrekvens kan de elektromagnetiska vagorna delas in i ett antal olika omraden[2]. Dessavisas i Figur 1.

Figur 1: Det elektromagnetiska spektrumet med dess olika stralningsomraden (bilden ar egen-konstruerad).

2

I Figur 1 visas uppdelningen av det elektromagnetiska spektrumet i foljande ordning:radiovags-, mikrovags-, infrarod-, synligt ljus, ultraviolett-, rontgen- samt gammastraln-ing[2]. All elektromagnetisk stralning fran en punktkalla sprids sfariskt vilket medfor attdess intensitet avtar omvant proportionellt mot avstandet i kvadrat[3]. Denna rapportbehandlar det infraroda vaglangdsomradet. Den teknik som anvands for att undersokaden infraroda stralningen kallas termografi, med vars hjalp matningar av stralningen paforemal kan utforas utan att foremalen i fraga berors[2]. Detta kan forslagsvis utforasmed hjalp av en varmekamera. Stralning i det infraroda vaglangdsomradet kallas forvarmestralning och utgors av vaglangder mellan 780nm upp till 1mm[2].

2.2 Stralning fran kroppar

Svartkroppstralning

En kropp som absorberar all inkommande stralning kallas for en svart kropp. Stralningden svarta kroppen absorberar, emitterar den ocksa. Alla kroppar med en temperatur,T , over noll Kelvin avger elektromagnetisk stralning, dar en svart kropp definierar denmaximala emissionen[2].

Verkliga kroppar

I verkligheten finns inga svarta kroppar vilket innebar att verkliga foremal inte absor-berar all inkommande stralning. Verkliga kroppar kan narma sig en svart kropps egen-skaper vid vissa vaglangdsomraden men de blir aldrig en ideal svart kropp. Endast endel av den totala inkommande stralningen absorberas. Resterande stralning reflekterasoch/eller transmitteras[4]. For dessa kroppar delas den inkommande stralningen upp itre kvoter. En for absorption, en for reflektion och en for transmission. Dessa kvotersummerar alltid till ett, dar ett ar den totala inkommande stralningen, eftersom ener-gin bevaras. De tre kvoterna ar alla vaglangds- och temperaturberoende (deras vardenkan forandras da den inkommande stralningens vaglangder forandras eller om kroppensstruktur forandras pa grund av temperaturen) och har varden fran noll till och medett[2]Foljande ekvation beskriver denna summa[4]:

αλ + ρλ + τλ = 1 (1)

dar λ ar vaglangden, α ar kvoten mellan den stralning som kroppen absorberar och dentotala inkommande stralningen, ρ ar kvoten mellan den stralning som kroppen reflekte-rar och den totala inkommande stralningen och τ ar kvoten mellan den stralning somkroppen transmitterar och den totala inkommande stralningen. Exempelvis har kropparsom ar ogenomskinliga vardet τ = 0 och ekvationen 1 kan da forenklas till

αλ + ρλ = 1

α, ρ och τ kallas ofta for absorptions-, reflektions- och transmissionskoefficient.

3

2.3 Stralningsfenomen

Absorption

Nar en kropp utsatts for elektromagnetiskstralning kan kroppen komma att absorberastralningen. Mer specifikt innebar absorption att vissa bestandsdelar (t.ex. atomkarnor,atomer eller molekyler) i en kropp hamnar i ett exciterat tillstand nar kroppen tarupp den inkommande energin[5]. Den inkommande stralningen kan absorberas pa oli-ka satt beroende pa kroppens inre struktur. Exempelvis kan stralning absorberas somvibrationsenergi, rotationsenergi och/eller elektronenergi[5]. Vibrationsenergi innebar attstralningen absorberas av molekylerna i en kropp vilket resulterar i att atomerna i en mo-lekyl satts i vibration i forhallande till varandra. Rotationsenergi innebar att stralningenabsorberas av molekylerna i en kropp och de satts da i rotation runt en eller flera axlar.Elektronenergi innebar att stralningen absorberas genom att elektroner exciteras[5]. Allamaterial har olika typer av struktur, vissa ar mer lika an andra. Beroende pa materialetsstruktur kan det absorbera vissa vaglangder men inte andra[5]. Absorptionskoefficienten,αλ, ar vaglangdsberoende och anger hur bra ett material absorberar stralning [6].

Emission

Emissionen innebar den stralning som en kropp sander ut, det vill saga den stralningen kropp emitter. En kropp som absorberat stralning har vissa bestandsdelar (t.ex.atomkarnor, atomer eller molekyler) i ett exciterat tillstand. I dessa exciterade tillstandsker emission vilket innebar att bestandsdelarna i det exciterade tillstandet i kroppenatergar till sitt grundtillstand och darmed emitterar stralning[5]. Emissivitet ar denkvot mellan den stralning som en godtycklig kropp sander i jamforelse med en svartkropp da vaglangden och temperaturen ar densamma. Precis som for αλ, ρλ och τλ aremissiviteten, ελ, vaglangds- och temperaturberoende och har ett varde fran noll till ett.For svarta kroppar ar ελ = 1 och for andra kroppar ar ελ < 1[4].

Kirchhoffs stralningslag

Kirchhoffs stralningslag beskriver det samband som finns mellan en kropps absorptionoch dess emissivitet. Lagen sager att absorptionskoefficienten och emissiviteten ar den-samma for en kropp vid en given temperatur och vaglangd. Detta kan skrivas somαλ = ελ[2].

4

Transmission

Om en kropp som saknar absorptionsmekanism, for en viss vaglangd, utsatts for elektro-magnetisk stralning kommer denna stralning slappas igenom utan att paverka kroppen ifraga. Detta fenomen kallas transmission[2]. Kroppen kan darmed, for en viss vaglangd,transmittera den elektromagnetiska stralningen men for en annan vaglangd inte trans-mittera stralningen. Transmissionskoefficienten ar saledes vaglangdsberoende och kallasτλ. Transmission beror pa tjockleken av ett material om det finns en absorptionsmeka-nism i materialet for en viss vaglangd (eller vaglangdsomrade)[2].

Reflektion

Fenomenet reflektion innebar att den inkommande elektromagnetiska stralningen traffarytskiktet pa en kropp for att sedan spridas bort fran materialet. Den inkommandestralningen paverkar darmed inte kroppens egenskaper, utan ”studsar” endast pa ytan avkroppen. Det finns tva olika typer av reflektion, spekular och diffus reflektion. Spekularreflektion uppfyller att den inkommande stralningens infallsvinkel ar lika stor som denreflekterade stralningens utfallsvinkel. Detta ar reflektionslagen och beskrivs som α = βvilket visas i Figur 2a [2]. Spekular reflektion sker om en yta ar slat. Diffus reflektion arnar stralningen sprids i alla mojliga riktningar och sker nar en yta ar ojamn. I de flestamaterial sker en kombination av spekular och diffus reflektion[2]. De tva varianterna avreflektion representeras i Figur 2.

Figur 2: a) Spekular reflektion, b) Diffus reflektion (bilderna ar egenkonstruerade).

Reflektionen och reflektionskoefficienten, ρλ, ar vaglangdsberoende.

5

2.4 Metaller

Metaller ar amnen med hog reflektionskoefficient i saval det synliga ljuset som i detinfraroda vaglangdsomradet. Nar, daremot, stralningen nar det ultravioletta vaglangds-omradet minskar reflektionen drastiskt. En drastisk minskning sker vid en gransfrekvenssom for metaller ligger i det ultravioletta vaglangdsomradet, den sa kallade plasmafre-kvensen. Orsaken till reflektion i metaller beror pa att de innehaller fria elektroner somror sig fritt inne i materialet, vilket resulterar i att inte stralningen inte kan tranga sigigenom materialet. [7].

2.5 Glas

Glas ar en isolator och ett material som endast reflekterar en liten del av den inkommandestralningen. I glas ar det andra mekanismer som orsakar reflektionen an de for metaller.Dessa mekanismer ar komplicerade och kommer darfor inte forklaras i denna rapport.Det racker darfor att kanna till att reflektion kan ske i glas men hur det gar till lamnasute.

Fonsterglas

For frekvenser i det synliga ljuset saknas en absorptionsmekanism hos fonsterglas ochstralningen kan darmed transmitteras[4]. Eftersom det inte finns nagon absorptionsmeka-nism for fonsterglas i det synliga ljuset spelar inte tjockleken nagon roll for att transmis-sion ska vara mojlig, se sektion 2.3. I det infraroda omradet har glas en absorptionsme-kanism vilket innebar att transmission inte ar mojlig inom detta vaglangdsomrade. Merspecifikt innebar det att da fonsterglaset utsatts for varmestralning kommer stralningenabsorberas av molekylerna i fonsterglaset och deras atomer borjar vibrera[7]. Fonsterglashar en mycket hog emissivitet i det infraroda omradet, ungefar 0,90[4].

Lagemissionsglas

Lagemissionsglas bestar av fonsterglas samt en belaggning av ett varmereflekterandeskikt. Belaggningen slapper igenom synligt ljus, ar inte tjockare an 1µm och bestar av ettmetalliskt material vilket innebar att det reflekterar varmestralning bra, se sektion 2.4.Det metalliska materialet baseras vanligen pa tennoxid eller silver[8]. Lagemissionsglashar en emissivitet < 0, 2 i det infraroda vaglangdsomradet[9].

6

2.6 Stralningslagar

Plancks stralningslag

Plancks stralningslag, eller Plancks lag, beskriver fordelningen av stralningen for en svartkropp. Da Max Planck skulle forklara halrumsstralning, det vill saga stralning ut genomett hal i en volym, antog han att stralningen hade kvantegenskaper da det inte var,eller ar, mojligt att teoretiskt forklara detta med den klassiska fysiken. Detta antagandemedforde att Planck kunde forklara spektralfordelningen for en svart kropp[4]. Planckfordelningen for stralningstatheten ges av ekvation 2.

u(f, T ) =8πf3

c3· 1

ehfkT − 1

(2)

Dar u(f, T ) ar stralningstatheten [W/m2], h ar Plancks konstant som ar 6, 6261 · 10−34

[Js], f ar frekvensen [Hz], c ar ljusets hastighet som ar 2, 99 ·108 [m/s], k ar Boltzmannskonstant som ar 1.380650 · 10−23 [J/K] och T ar den termodynamiska temperaturen i[K]. Alla varden ar tagna ur Physics Handbook [10].

Den spektrala fordelningen av frekvenserna for en svart kropp bestams av den termody-namiska temperaturen[4]. Varje temperatur motsvaras saledes av en specifik stralnings-kurva i Planckfordelningen, hogre temperaturer medfor en hogre total stralning, somvisas i Figur 3. I Figur 3 motsvarar kurvan T = 6000K ungefar temperaturen hos so-lens yta[10]. I Figur 3 representerar de lodrata, streckade, linjerna det synliga ljusetspektrum. Som syns i bilden ligger en del av solens stralningskurva i det synliga ljusetsomrade. Som Figur 3 visar innehaller solen fler vaglangdsomraden men dessa kan intemanniskor se med ogat.

7

Figur 3: Energitatheten for svartkroppsstralning som funktion av frekvensen vid olika tempe-raturer. Bilden ar egenkonstruerad.

Stefan-Boltzmanns lag

Stefan-Boltzmanns lag ar

ϕ = σ · T 4[W/m2] (3)

Ekvationen anger ett samband mellan temperaturen och stralningstatheten. T, anges iKelvin [K] och σ ar Stefan-Boltzmanns konstant som ar 5, 67 · 10−8[W/m2K−4][4, 10].For en icke-svartkropp tillkommer emissiviteten och ekvation 3 kan da skrivas som:

ϕ = ε · σ · T 4[W/m2] (4)

Grafiskt ar Stefan-Boltzmanns lag arean under kurvan som motsvaras av den tempe-ratur kroppen har, det vill saga den temperatur som anges i Plancks stralningslag,se sektion 2.6. Lagen harleds fram genom att integrera Planck-kurvan[4]. Den totalastralningstatheten kan aven uttryckas i total stralningseffekt genom att multipliceramed arean, A, pa bada sidor i formeln.

8

Wiens forskjutningslag

Vid jamforelser av olika stralningskurvor i Planckfordelningen, se sektion 2.6, forskjutsmaximum mot hogre frekvenser (kortare vaglangder) nar temperaturen stiger. Dettaforhallande kallas Wiens forskjutningslag. Lagen visas genom att hitta maximum avPlanckfordelningen for olika temperaturer[4]. Wiens forskjutningslag ges av[4]:

hfmaxkT

≈ 2.821 (5)

dar fmax ar den maximala frekvensen[10].

3 Metod

Fragestallningen enligt sektion 1 var att konstruera en laborationsuppstallning som skavisualisera varmestralning hos tva olika typer av glas, fonsterglas och lagemissionsglas.De fenomen som kommer att undersokas ar absorption, emission, reflektion samt trans-mission. Detta kommer att goras genom att anvanda termografi, i form av en varmekamera,som verktyg.

3.1 Beskrivning av varmekamera, FLIR C2

Varmekameran som kommer att anvandas ar en FLIR C2 och har en noggrannhet pa±2

◦C. Det ar den emitterade stralningen fran ett objekt som varmekameran samlar

upp och omvandlar till en temperatur [11]. For att kunna avbilda den inkommandestralningen tar kameran hjalp av Stefan-Boltzmanns lag och den totala stralningseffekten,enligt sektion 2.6. Kameran ar intresserad av hela stralningsspektrumet men behover intehela stralningsspektrumet for att kunna gora en avbildning med en korrekt temperatur[2].FLIR C2 har ett spektralomrade pa 7, 5µm - 14µm, vilket ligger i det infraroda vaglangds-omradet[11]. Objekten kameran mater pa far ha temperaturer mellan −10

◦C och 150

◦C

dar −10◦C motsvarar stralningsmaximum i 11, 012µm och 150

◦C i 6, 848µm. Tempera-

turerna kameran beraknar avbildas i form av olika farger pa kamerans skarm. Kameranhar en lins som kan skapa en infrarod bild samt en lins som kan skapa en synlig bild. Detfinns olika typer av fargskalor som kan anvandas och den valda skalan vissas bilden[11].

9

3.2 Laborationsuppstallning

I sektion 1 framgar det att tva olika typer av experiment kommer att utforas med denframtagna laborationsuppstallningen. I det forsta experimentet undersoks transmissionhos tva olika typer av glas och i det andra experimentet undersoks reflektion hos tva olikatyper av glas. Glasen ar som namnts tidigare ett fonsterglas och ett lagemissionsglas.Laborationsuppstallningen bor darfor innehalla delar som kan undersoka dessa fenomen.Har foljer en overgripande beskrivning av vad laborationsuppstallningen bor innehallafor att kunna uppfylla fragestallningen.

For att visualisera fenomenen sa tydligt som mojligt bor experimenten utforas omslutnaav ett isolerande material for att minimera inverkan av varmestralning utifran. Materi-alet bor aven vara matt och icke slatt da detta minimerar oonskad reflektion. Tra ar ettmaterial som uppfyller detta [11]. Genom att ha det omslutande materialet i rumstem-peratur kommer man vid utforande av experimenten veta hur mycket stralningen franmaterialet som paverkar matningarna. Av samma anledning bor kameran omslutas avett liknande material eftersom kameran bestar av elektriska komponenter, vilket innebaratt den har en hogre temperatur an rumstemperatur vid anvandning. Kameran borkopplas till forslagsvis en dator for att undvika knapptryckningar vid bildtagning, vilketkommer stora experimenten. Till bada experimenten behovs tva olika typer av glas, ettfonsterglas och ett lagemissionsglas samt en stallning dar glasen kan fastas.

Uppstallningen till experiment 1 som ska undersoka transmission i glas bor besta av envarmekalla med en konstant hog temperatur for att kunna mojliggora en eventuell visu-alisering av transmission samt absorption och emission. Uppstallningen till experiment2 som ska undersoka reflektion i glas bor besta av ett temperaturvarierande objekt foratt kunna undersoka vad som hander i respektive glas da den inkommande stralningensvaglangd forandras. Nedan foljer en mer detaljerad beskrivning av vad uppstallningarnatill respektive experiment bor innehalla.

Experiment 1 - Transmission

Experimentet fokuserar pa att undersoka om transmission sker for varmestralning genomtva olika typer av glas men aven hur mycket glasen absorberar och emitterar. Tva olikamatningar kommer att utforas i denna uppstallning, ett for respektive glas. Till dettaexperiment behovs foljande delar: Ett fonsterglas och ett lagemissionsglas, en varmekallasom kan fa en konstant temperatur, ca 70

◦C varmare an rumstemperatur och tempera-

tursensorer som mater temperaturerna pa varmekallan och glasen. Uppstallningen skautformas sa att varmekallan placeras pa ena sidan av glaset och kameran pa andra sidanglaset riktad sa att kameran ser varmekallan enligt Figur 4.

10

Figur 4: Skiss over hur uppstallningen for experiment 1 ska se ut. Bilden ar egenkonstruerad.

Experiment 2 - Reflektion

Experimentet fokuserar pa att undersoka reflektion hos de tva glasen. Aven absorp-tion och emission kommer att undersokas. Tva olika matningar kommer att utforas idenna uppstallning, ett for respektive glas. Till detta experiment behovs foljande de-lar: Ett fonsterglas och ett lagemissionsglas (samma glas som anvands i experiment 1),ett temperaturvarierande objekt vars temperatur inte gar utanfor kamerans objektstem-peratur enligt sektion 3.1 och temperatursensorer som mater temperaturerna pa dettemperaturvarierande objektet och glasen. Uppstallningen ska utformas sa att det tem-peraturvarierande objektet och kameran ar placerade pa samma sida av glaset, i hojdmed varandra. Kameran ska riktas mot objektets reflektion enligt Figur 5

Figur 5: Skiss over hur uppstallningen for experiment 2 ska se ut. Bilden ar egenkonstruerad.

11

4 Resultat

I denna sektion presenteras konstruktionen av laborationsuppstallningarna, utforandetav experimenten samt resultaten av experimenten.

4.1 Uppstallning

En lada konstruerades av spanskivor och planhyvlade furulister. Ladan fick innermatten50cm ·50cm ·100cm. I mitten av ladan fastes planhyvlade furulister pa ett sadant sattsa att glasskivorna kunde foras ner och sta i ladan. Ladans matt valdes ut efter glasenvars matt var 50cm ·50cm. Genom att placera glasen i mitten av ladan kunde ladananvandas till bada experimenten. Da ladan ar gjord av tra uppfyller den kraven namndai sektion 3.2. Till kameran konstruerades en lada av cellplast, utan tak och baksida,och ett hal skars ut i cellplasten for kameralinsen. Cellplast har en matt och ojamnyta och uppfyller darav ocksa kraven i sektion 3.2. Temperatursensorer anvandes foratt lasa av temperaturer pa de olika materialen och dessa lastes av manuellt pa endisplay. For att fasta sensorerna anvandes kaptontejp som tal hog varme. Kaptontejpensemissivitet uppmattes till 0,95. Kameran kopplades samman med en dator for att kunnaspela in matningarna och ta bilder. Ett hal borrades i ladan, stort nog for att rymmasladden mellan kameran och datorn. Alla hal i ladan tacktes for med svart eltejp for attundvika att oonskad stralning skulle paverka matningarna. Figur 6 visar ladan utifrantillsammans med datorn som kopplats ihop med kameran.

Figur 6: Lada till uppstallning sett utifran.

12

Uppstallning av experiment 1 - Transmission

En kokplatta valdes som varmekalla. I experimentet placerades en kokplatta uppstalld5cm fran glaset pa ena sidan for att stralningens intensitet skulle avta sa lite som mojligtpa vagen till glaset 2.1. Detta visas i Figur 7 Kokplattan hade inga reglage och koppladesdarfor till en transformator med en spanning som kunde varieras mellan 0V och 250V.Kokplattans syfte var att i bada matningarna strala mot glaset med en konstant, hogtemperatur for att visualisera absorption, emission och transmission bra. Valet av enhog temperatur var ocksa for att halla nere tiden pa matningarna. Med transformatornkunde stralningen regleras och temperaturen kunde hallas nagorlunda konstant. Etthal borrades for kokplattans sladd sa att denna kunde kopplas in utanfor ladan. 30cmpa andra sidan om glaset placerades kameran, riktad mot kokplattan i en sned vinkelfor att undvika att se kameralinsen i bilden, enligt reflektionslagen 2.3. Uppstallningenillustreras i Figur 7, Figur 8 och Figur 9.

Figur 7: Avstand mellan kokplatta och glas sett uppifran

Figur 8: Bild av kokplatta och glas sett ur varmekamerans perspektiv

13

Figur 9: Uppstallning till experiment 1 sett uppifran

Temperatursensorerna placerades pa glasets fram- och baksida mittemot varandra, paden yta dit kokplattan var riktad. Syftet med detta var att se hur kokplattan paverkarglaset. En sensor placerades pa kokplattan for att pa sa satt halla koll pa kokplattanstemperatur. Detta ses i Figur 10.

Figur 10: Temperatursensorernas placering i experiemt 1.

Lagemissionsglaset placerades med belaggningen mot kokplattan. Om belaggningen pla-cerats mot kameran skulle fonsterglasets varmas upp av kokplattan och varmen skulleledas till belaggning 2.5. Belaggningen skulle da varmas upp trots att ingen stralninggick igenom. Detta vore missvisande och visualiseringen skulle bli otydlig.

14

Uppstallning av experiment 2 - Reflektion

I detta experiment placerades ett temperaturvarierande objekt parallellt och 30cm franglaset. Att placera objektet parallellt med glaset var for att stralningen skulle traffa gla-set jamnt. Syftet med ett temperaturvarierande objekt var att undersoka vad som handeri glaset da stralningen forandras. Objektet bestod av en kopparplatta som sprejats i enmatt, svart farg. Detta medforde att objektet fick en hog emissivitet som uppmattes till0,98 och darmed blev det framforallt stralning fran objektet och inte annan reflekteradstralning som traffade glaset. En kopparplat valdes eftersom denna leder varme bra. Medhjalp av ett system med vatten varmdes och kyldes objektet. Vattnet varmdes upp meden vattenkokare for att sedan kylas med hjalp av varmeoverforing till omgivningen. Daobjektet narmades sig rumstemperatur tillfordes is for att fortsatta sanka temperatu-ren. Objektet hade en starttemperatur pa cirka 60

◦C och en sluttemperatur pa cirka

5◦C. Dessa temperaturer valdes efter begransningar i utrustningen och de temperaturer

kameran kunde hantera 3.1. Malet var att forsoka halla en sa konstant minskning avtemperaturen som mojligt. Tva hal borrades for att kunna ha objektet inuti ladan menutrustningen utanfor. Bilder pa objektet ses i Figur 11 och Figur 12.

Figur 11: Objektet sett fran glaset.

Figur 12: Vattensystemet for objektet.

Kameran placerades pa samma sida glaset i linje med objektet (20cm avstand) och 30cmfran glaset. Den riktades in mot objektets reflektion, i en sned vinkel for att undvikakameran ska se sig sjalv i glaset och darmed synas i bilden enligt reflektionslagen, sektion2.3. Uppstallningen sett uppifran visas i Figur 13 och kamerans riktning mot glaset visasi Figur 14.

15

Figur 13: Uppstallning till experiment 2 sett uppifran

Figur 14: Bild av objekt och glas sett ur varmerkamerans perspektiv.

Temperatursensorer placerades pa glasets fram- och baksida mittemot varandra och iobjektets reflektion i glaset. Pa sa satt kan en undersokning av hur glaset paverkas,hur det absorberar och/eller reflekterar, utforas. En sensor placerades aven pa objektetsbaksida for att kunna jamfora dess temperatur med vad kameran uppmatte. Orsakentill detta var dels for att se till att temperaturen sjonk konstant men ocksa for att vetaskillnaden mellan vad kameran laste av for temperatur fran reflektionen och vad objektethade for temperatur. Sensorernas placering illustreras i Figur 15

16

Figur 15: Temperatursensorernas placering i experiment 2.

4.2 Utforande av experiment

Fonsterglasets emissivitet uppmattes till 0,95. Lagemissionsglasets emissivitet antogs haen emissivtet < 0, 2 da det var en metallbelaggningen 2.5. I bada experimenten startadeglasen i rumstemperatur. Samma installningar pa kameran anvandes vid bada experi-menten. Avstandet stalldes in pa 0, 25m da detta passade in bast med utformningenav uppstallningen. Emissiviteten valdes till 0,95. Detta eftersom fonsterglaset hade denemissiviteten och objektet nastan samma, 0,98. Eftersom objektets reflektion skulle un-dersokas i lagemissionsglaset som reflekterar bra passade aven installningen 0,95 brain har. Emissiviteten ar vaglangds- och temperaturberoende, enligt sektion 2.3, menapproximeras att vara konstant i alla experiment. Den reflekterade skenbara tempera-turen sattes till 22

◦C som motsvarar den omgivande stralningen (rumstemperatur) men

da emissiviteten valdes till ett hogt varde spelade inte den parameter en sa stor roll.En regnbagsfargad skala valdes for den infraroda avbildningen och skalan lastes i badaexperimenten for att bilderna skulle bli lattare att jamfora med varandra.

Utforande av experiment 1 - transmission

Innan matningarna startade kopplades kokplattan in for att na en starttemperatur runt90

◦C. Da kokplattan uppnatt denna temperatur fordes fonsterglaset ner, locket sattes

pa plats, filminspelningen sattes igang och matningarna paborjades. En gang i minutenlastes temperaturerna av och en bild togs. Nar matningen med fonsterglaset avslutatsutfordes matningen med lagemissionsglaset med belaggningen riktad mot kokplattan.

Utforande av experiment 2 - reflektion

Inledningsvis sattes systemet for det temperaturvarierande objektet igang for att nastarttemperaturen 60

◦C. Darefter fordes lagemissionsglaset ner med belaggningen mot

kameran, locket sattes pa plats, filminspelningen sattes igang och matningarna startade.Som for experiment 1, lastes temperaturerna av en gang i minuten. Bilder togs enligtTabell 4 och Tabell 5. Nar matningen for lagemissionsglaset avslutats utfordes matningenmed fonsterglaset.

17

4.3 Resultat av experiment

Resultat av experiment 1 - transmission

Har presenteras tabeller samt bilder tagna av varmekameran i experiment 1.

Tabell 1 redovisar de temperaturer som lasts av fran temperatursensorerna fasta pafonsterglaset och kokplattan. Tabell 2 redovisar de temperaturer som lasts av fran tem-peratursensorerna fasta pa lagemissionsglaset och kokplattan.

Tabell 1: Visar temperaturerna pa fonsterglasets bada sidor samt temperaturen pa kokplattanvid olika tidpunkter

Tid [min] Glas mot kamera [◦C] Glas mot kokplatta [◦C] Pa kokplatta [◦C]0 23.3 27.4 88.41 25.4 29.7 89.22 28.2 32.5 89.93 30.4 34.7 90.14 32.3 36.7 90.55 34 38.7 91.26 35.5 40.1 91.47 36.8 41.5 91.98 38 42.6 92.39 38.9 43.6 92.5

Tabell 2: Visar temperaturerna pa lagemissionsglasets bada sidor samt temperaturen pa kok-plattan vid olika tiderpunkter.

Tid [min] Glas mot kamera [◦C] Glas mot kokplatta [◦C] Pa kokplatta [◦C]0 21.8 25.8 86.51 22.2 27.6 86.72 22.3 28.3 873 22.3 29.1 884 22.4 29.9 89.55 22.4 30.7 916 22.4 31.3 91.87 22.5 31.7 91.98 22.5 32 91.69 22.5 32.5 91.5

For att se hur temperaturerna hos de olika objekten forandrades over tid under de tvaolika matningarna i experiment 1 har fyra olika grafer tagits fram. Beskrivningen av deolika graferna star i samband med varje graf och ar skapade utifran Tabell 1 och Tabell2.

18

Figur 16: Graf over hur temperaturerna forandras over tiden vid matning med fonsterglas enligtTabell 1. Sensor 1 visar kokplattans temperatur, sensor 2 visar temperaturen pa glasytan somar riktad mot kokplattan och sensor 3 visar temperaturen pa glasytan riktad mot kameran.

Figur 17: Graf over hur temperaturerna forandras over tiden vid matning med lagemissionsglasenligt Tabell 2. Sensor 1 visar kokplattans temperatur, sensor 2 visar temperaturen pa glasytansom ar riktad mot kokplattan och sensor 3 visar temperaturen pa glasytan riktad mot kameran.

Tabell 3 visar de bilder som tagits i experiment 1.

19

Tabell 3: Visar alla bilder tagna av varmekameran i experiment 1

Tid [min] Lagemissionsglas Fonsterglas

t = 0

t = 1

t = 2

t = 3

t =4

20

Tabell 3: Visar alla bilder tagna av varmekameran i experiment 1

Tid [min] Lagemissionsglas Fonsterglas

t = 5

t = 6

t = 7

t = 8

t = 9

Resultat av experiment 2 - reflektion

Har presenteras tabeller samt bilder tagna av varmekameran i experiment 2.

21

Tabell 4 redovisar de temperaturer som lasts av fran temperatursensorerna fasta pafonsterglaset och objektet.

Tabell 4: Visar temperaturerna pa fonsterglasets bada sidor samt temperaturen pa objektet vidolika tidpunkter.

Tid [min] Baksida glas [◦C] Glas mot kamera [◦C] Pa objekt [◦C]0 22 22.4 59.8

1 22.1 22.5 58.5

2 22.1 22.5 57.2

3 22.2 22.5 55.9

4 22.2 22.6 54.7

5 22.2 22.6 53.6

6 22.2 22.6 52.5

7 22.2 22.6 51.5

8 22.2 22.6 50.6

9 22.2 22.6 49.7

10 22.3 22.6 48.8

11 22.3 22.6 47.9

12 22.3 22.6 46.8

13 22.3 22.6 46.2

14 22.2 22.5 45.1

15 22.2 22.5 43.7

16 22.2 22.5 43.1

17 22.2 22.5 41.5

18 22.2 22.5 40

19 22.2 22.4 39.1

20 22.1 22.4 37.9

21 22.1 22.4 37.1

22 22.1 22.3 36.1

23 22.1 22.3 35.3

24 22 22.3 34.5

25 22 22.3 34

26 22 22.2 33.1

27 21.9 22.2 32.1

28 21.9 22.1 31.4

29 21.9 22.1 30.5

30 21.9 22.1 29.4

31 21.8 22 27.5

32 21.8 22 26.6

33 21.8 21.9 25

34 21.7 21.9 24

35 21.7 21.8 22.9

22

Tabell 4: Visar temperaturerna pa fonsterglasets bada sidor samt temperaturen pa objektet vidolika tidpunkter.

Tid [min] Baksida glas [◦C] Glas mot kamera [◦C] Pa objekt [◦C]36 21.6 21.8 21.7

37 21.6 21.7 21.1

38 21.5 21.7 19.7

39 21.5 21.6 18.9

40 21.5 21.6 18.2

41 21.4 21.5 17.1

42 21.4 21.5 16.1

43 21.3 21.4 15.3

44 21.3 21.4 14.7

45 21.2 21.3 14

46 21.2 21.3 13.1

47 21.1 21.2 12.1

48 21.1 21.2 11.7

49 21.1 21.1 11.1

50 21.1 21.1 10.4

51 21 21.1 9.6

52 20.9 21 8.8

53 20.9 20.9 7.9

54 20.9 20.9 7.2

55 20.8 20.9 6.6

56 20.8 20.8 6.1

57 20.7 20.8 5.7

58 20.7 20.7 5.5

59 20.7 20.7 5.3

60 20.6 20.6 5.1

Tabell 5 redovisar de temperaturer som lasts av fran temperatursensorerna fasta palagemissionsglaset och objektet.

23

Tabell 5: Visar temperaturerna pa lagemissionglasets bada sidor samt temperaturen pa objektetvid olika tidpunkter.

Tid [min] Baksida glas [◦C] Glas mot kamera [◦C] Pa objekt [◦C]0 20.8 21 60.4

1 20.8 21.1 58.9

2 20.8 21.1 57.7

3 20.9 21.2 56.6

4 20.9 21.2 55.4

5 20.9 21.2 54.4

6 21 21.2 53.4

7 21 21.3 52.4

8 21 21.3 51.5

9 21 21.3 50.6

10 21 21.3 49.7

11 21.1 21.3 49

12 21.1 21.3 48.2

13 21.1 21.4 47.5

14 21.1 21.4 45.9

15 21.1 21.4 45.2

16 21.1 21.4 43.8

17 21.1 21.4 43

18 21.1 21.4 41.9

19 21.2 21.4 41.1

20 21.2 21.4 40.2

21 21.2 21.4 39

22 21.2 21.4 38.2

23 21.2 21.4 37.4

24 21.2 21.4 36.4

25 21.2 21.4 36

26 21.2 21.4 35

27 21.2 21.4 34.1

28 21.2 21.4 33.4

29 21.2 21.4 32.4

30 21.2 21.3 31.7

31 21.2 21.3 30.3

32 21.2 21.3 29.3

33 21.2 21.3 27.9

34 21.1 21.3 27.5

35 21.1 21.3 25.9

36 21.1 21.2 24.1

37 21.1 21.2 22.7

24

Tabell 5: Visar temperaturerna pa lagemissionglasets bada sidor samt temperaturen pa objektetvid olika tidpunkter.

Tid [min] Baksida glas [◦C] Glas mot kamera [◦C] Pa objekt [◦C]38 21.1 21.2 22

39 21.1 21.2 20.7

40 21 21.2 19.9

41 21 21.2 19.4

42 21 21.1 18

43 21 21.1 17.2

44 21 21.1 16.4

45 21 21 15.4

46 21 21 14.8

47 20.9 21 14.2

48 20.9 21 13.7

49 20.9 21 13.1

50 20.9 20.9 12.3

51 20.9 20.9 11

52 20.9 20.9 9.6

53 20.8 20.9 8.7

54 20.8 20.8 8.1

55 20.8 20.8 7.6

56 20.8 20.8 7.1

57 20.7 20.8 6.3

58 20.7 20.7 5.7

59 20.7 20.7 5.4

60 20.7 20.7 5.2

I Tabell 6 visas de bilder som tagits i experiment 2.

25

Tabell 6: Visar utvalda bilder tagna med varmekamera i experiment 2. T1 ar temperaturen paobjektet med lagemissionsglaset och T2 ar temperaturen pa objektet med fonsterglaset. For attse alla bilder, se Appendix

T1[◦C] Lagemissionsglas T2[

◦C] Fonsterglas

T = 60.4◦C T = 59.8◦C

T = 37.4◦C T = 37.9◦C

T = 22◦C T = 22.9◦C

T = 11◦C T = 11.1◦C

T = 5.2◦C T = 5.1◦C

26

5 Diskussion

Innan en mer detaljerad diskussion om de bada experimenten utfors kommer det nagrakommentarer gallande sjalva konstruktionen och matningarna.

Temperaturerna avlastes manuellt och det finns en osakerhet i utrustningen vilket paverkarresultaten. Da det ar visualiseringen av fenomenen som ar i fokus behover inte matvardenavara exakta for att fenomenen ska bli synliga och illustreras tydligt. Fonsterglaset ochlagemissionsglaset har en slat yta vilket innebar att reflektionen till storre del kom-mer vara spekular 2.3. Fonsterglaset har en emissivitet pa 0,95 och en reflektion pa0,05 eftersom transmission inte ar mojlig inom det infraroda vaglangdsomradet 2.5,4.2. Reflektionen hos fonsterglaset kommer vara tydlig i kameran tack vare den spe-kulara reflektionen. Lagemissionsglaset har en hog reflektionskoefficient som skapar ennastintill fullstandig reflektion och som aven den kommer vara tydlig tack vare denspekulara reflektionen 2.5. Figur 18 illustrerar stralningskurvorna for nagra av de tem-peraturer kameran uppnatt under experimenten samt kamerans spektralomrade. Denhogsta temperaturen som uppnaddes av kameran var 60

◦C och detta representeras av

stralningskurvan for 60◦C. Den lagsta temperaturen som uppnaddes av kameran var

6.3◦C och detta representeras av stralningskurvan for 5

◦C. De lodrata linjerna represen-

terar kamerans stralningsspektrum. Syftet med Figur 18 ar att synliggora hur kameranarbetar. Trots att storre delen av stralningen ligger utanfor kamerans spektralomradeoch trots att maximum for stralningskurvan ocksa ligger utanfor kamerans spektral-omrade sa registrerar kameran anda en temperatur 2.6. Kameran behover saledes intehela stralningskurvan eller maximum for att kunna avgora en kropps temperatur.

Figur 18: Energitatheten for svartkroppsstralning som funktion av frekvensen vid olika tempera-turer. De streckade linjerna representerar kamerans spektralomrade. Bilden ar egenkonstruerad.

27

5.1 Analys av experiment 1 - transmission

Bilderna pa hur fonsterglaset varms upp av kokplattan ar tydliga. Den forsta bilden,da t = 0min visar en bla farg. I mitten av den forsta bilden syns en ljusare nyansav bla som sedan blir morkare narmre kanterna. Da tiden gick varmdes fonsterglasetupp och fargerna i bilden forandrades. Fonsterglaset blev forst varmare i mitten ochvarmen spred sig sedan ut i glaset i ett cirkulart monster, enligt kolumn tre i Tabell 3.I Figur 16 ses det hur temperaturerna pa kokplattan forhaller sig till temperaturernapa fonsterglasets fram- och baksida. Glaset mot kameran varmdes upp fran 23.3

◦C till

38.9◦C enligt Tabell 1. I lagemissionsglaset skedde samma sak som hos fonsterglaset men

forloppet var inte lika kraftfullt. I Figur 17 ses det hur temperaturerna pa kokplattanforhaller sig till temperaturerna pa fonsterglasets fram- och baksida. Glaset mot kameranvarmdes upp fran 21.8

◦C till 22.5

◦C enligt Tabell 1.

Skillnaden mellan fonsterglaset och lagemissionsglaset ar deras formaga att absorberastralningen. Fonsterglaset har en mycket hogre absorptionsformaga an lagemissionsglasetvilket i sin tur innebar att fonsterglaset emitterar mycket mer an lagemissionsglaset2.5. Det ar respektive glas emissionsformaga som kameran registrerar och som syns pabilderna i Tabell 3. Fonsterglaset varms saledes upp mer an vad lagemissionsglaset gorvilket ar det kamerans bilder visar. Lagemissionsglaset reflekterar istallet i stort settall stralning fran kokplattan eftersom belaggningen ar riktad mot kokplattan (ε < 0.2och transmission ar inte mojlig) 2.5. Fonsterglaset mot kameran steg 15.6

◦C under hela

matningen och lagemissionsglaset mot kameran steg 0.7◦C, enligt Tabell 1 och Tabell 2.

Detta bekraftar att fonsterglaset absorberat stralningen val medan lagemissionsglasetreflekterat stralningen val.

I bilderna till bada matningarna i Tabell 3 ar kamerans sikte inte riktat exakt i mittendar temperaturen hos glasen ar som hogst. Temperatursensoren mot kameran placeradesinte heller exakt i mitten da detta skulle forstora bilden. Detta innebar att kameranssikte och temperatursensorn mot kameran inte var placerade i exakt samma punkt ochdarav kan deras varden skilja sig fran varandra utover matfel.

Det fanns svarigheter med att halla en konstant temperatur pa kokplattan med hjalpav transformatorn vilket resulterade i en temperaturskillnad pa 4.1

◦C vid matning med

fonsterglaset och 4◦C med lagemissionsglaset, enligt Tabell 1 och Tabell 2. Skillnaden

mellan de tva matningarna blev 0.1◦C vilket inte paverkar resultatet betydligt men da

transformatorn var svar att styra finns det en risk att nasta matning resulterar i enstorre skillnad. En mojlig losning ar att anvanda en kokplatta vars temperatur ar lattatt reglera.

I tabellerna framgar det daremot att matningarna med fonsterglaset lag cirka 2◦C over

matningarna med lagemissionsglaset genom hela forloppet. Detta paverkar jamforelsenav glasen och dess bilder dar en hogre temperatur kan ha avlasts hos fonsterglaset ijamforelse med lagemissionsglaset. Trots denna skillnad mellan matningarna visualiserasfenomen anda bra da en tydlig skillnad mellan glasen ar synlig, enligt Tabell 3.

28

Mattiden for respektive glas var 9 minuter. Pa denna tid varmdes fonsterglaset upp till38.9

◦C vilket ar en hojning pa 15.6

◦C fran matningens start, enligt Tabell 1. Lagemissions-

glaset hojdes endast 0.7◦C, enligt Tabell 2, en hojning som ar ytterst liten. Skillnaden

mellan de tva glasen ar tydlig men mattiden skulle kunna bli langre for att fa en annutydligare skillnad mellan glasen.

Da t = 0min ar temperaturen pa fonsterglaset mot kokplattan 27.4◦C och temperaturen

mot lagemissionsglaset mot kokplattan 25.8◦C, enligt Tabell 1 och Tabell 2. Detta ar in-

te korrekta temperaturer pa glasen. Temperatursensorerna ar fasta med kaptontejp somabsorberar bra vilket resulterar i att tejpen varms upp och detta registrerar tempera-tursensorn. Temperatursensorn mater darmed inte enbart glasens temperatur utan aventemperaturen pa tejpen som varms upp av kokplattan. Detta fel foljer med genom helamatningen och kan skapa en uppfattning hos studenterna om att bade fonsterglaset ochlagemissionsglaset mot kokplattan varms upp mer an vad de egentligen gor. En mojliglosning ar att pa nagot satt isolera temperatursensorn mot kokplattan sa att varmenfran kokplattan inte paverkar temperatursensorn.

Fonsterglasets och lagemissionsglasets temperatur var vid borjan av matningen inte vidrumstemperatur pa grund av att kokplattan hann borja varma innan matningarna star-tade. Innan matningarna paborjades skulle locket till ladan sattas pa och filminspelning-en skulle starta. Tiden detta tog var maximalt 1 minut men da kokplattan startade vid90

◦C och var placerad 5cm fran glasen var intensiteten hog och hann paverka de bada

glasen innan matningen startade 2.1. Detta fel paverkar inte kamerans bild eftersomsensorn sitter pa andra sidan glaset men det kan forvirra studenter da de ska utfora ex-perimentet. Det ar darfor viktigt att gora de medvetna om uppvarmningen som hinnerske innan matningarna startar.

En av anledningarna till att valja en temperatur tillrackligt hogt over rumstemperaturpa kokplattan var for att mojliggora en tydlig visualisering av absorption, emission ochtransmissionen i respektive glas 4. Enligt sektion 2.3 kan transmission endast ske ommaterialet i fraga saknar absorptionsmekanism for den givna vaglangden. Om det skullekunna ske transmission i respektive glas skulle denna registrerats direkt vid matningarnasstart av kameran och visa kokplattans temperatur men enligt sektion 2.5 ar transmissioninte mojlig for varmestralning i glas.

Bilderna da t = 0min for de bada glasen i Tabell 3 visar att ingen transmission skerda bada bilderna ar bla, det vill saga rumstemperatur i detta fall. Temperaturen forfonsterglaset var 23.3

◦C och kameran registrerade 23.1

◦C. Temperaturen for lagemissions-

glaset var 21.8◦C och kameran registrerade 22.1

◦C. Temperaturerna pa respektive glas

och vad kameran registrerar stammer mycket bra overens vilket styrker att det arfonsterglasets och lagemissionsglaset temperatur kameran registrerar. Temperaturernaar tagna ur Tabell 1 och Tabell 2 da t = 0min. Om transmission var mojlig i respektiveglas skulle kamerans bild vara vit vilket skulle representera temperaturen 90

◦C, det vill

saga kokplattans temperatur.

29

5.2 Analys av experiment 2 - reflektion

Vaggen dar objektet ar placerat varms upp pa grund av ledning. Detta syns i bildernabade for fonsterglaset och lagemissionsglaset. I matningarna for lagemissionsglaset synsden uppvarmda vaggen mer an i matningarna for fonsterglaset, enligt Tabell 6. Orsakenar att lagemissionsglaset reflekterar avsevart mer stralning an fonsterglaset (ρ ≥ 0.98mot ρ = 0.05). Varfor uppvarmningen syns mer i borjan av bada matningarna an i slutetberor pa att objektet startar pa 60

◦C och sedan kyls. Objektet varmdes och kyldes med

hjalp av vatten. Det kravdes is som placerades i vattnet manuellt for att kyla objektet.Denna faktor gjorde det svart att halla en konstant sankning av temperaturen vilketresulterade i att det var svart att fa tva matningar med samma forlopp for objektet.En mojlig losning ar att placera is i systemet vid fasta tidpunkter for att pa sa satt faobjektets kylning likadan i bada matingarna.

Analys av fonsterglas

Genom att titta pa bilderna i foljd kan man se hur fargerna forandras. Fran borjan arobjektets reflektion gul men forandras sedan till ljusgront, gront, ljusblatt och till sistblatt. Denna fargforandring innebar att temperaturen sjunker (jamfor med fargskalani bilderna) och det ar precis det objektet ocksa gor enligt kolumn ”T

◦1 C” i Tabell 6.

Kameran visar inte samma temperaturer som objektet vid nagon av matningarna ochorsaken till detta kommer nu att motiveras.

Fonsterglaset emitterar stralning bra (ε = 0, 95). Da matningen startade var objektet60

◦C och varmde upp fonsterglaset da fonsterglaset sjalv hade rumstemperatur. Enligt

Tabell reftab:objektglas var startvardet pa fonsterglaset 22.4◦C och hojdes till 22.6

◦C da

t = 13min. Efter t = 13min gick temperaturen ner och slutade pa 20.9◦C nar matningen

var slut. Den forsta hojningen berodde pa att objektet varmde upp fonsterglaset menda objektet konstant kyldes avstannade uppvarmningen och fonsterglasets tempera-tur borjade minska pa grund av fonsterglasets egna emission samt varmeledning ochkonvektion mellan fonsterglaset och luften i rummet. Matningarna hann stanna innanfonsterglasets temperatur hann forandras betydande. Fonsterglasets temperatur forblevsaledes relativt konstant.

Fonsterglasets hoga emissivitet resulterar i en lag reflektion (ε = 0, 05) da transmissioninte ar mojlig for varmestralning genom fonsterglas 2.5. Fonsterglaset emitterar mycketoch reflekterar lite men da fonsterglaset har en slat yta ar reflektionen till stor delspekular och reflektionen syntes darfor anda tydligt i bilderna i kolumn ”Fonsterglas” iTabell 6, 2.3.

30

Objektets stralningskurva forandrades hela tiden under matningen eftersom temperatu-ren pa objektet sjonk. Det startade pa 59.8

◦C och slutade pa 5.1

◦C vars stralningskurvor

ses i Figur 18. Da matningarna utfordes samlade kameran upp stralning bade fran detfonsterglaset emitterade men ocksa fran reflektionen av objektet, det vill saga stralningfran tva olika stralningskurvor enligt Plancks stralningslag 2.6. Kameran vet dock inteom att stralningen kommer fran tva olika kallor eftersom den samlar in all inkommandestralning och inte kan avgora om det ar reflekterad eller emitterad stralning. Kamerantar saledes den inkommande stralningen och undersoker vilken temperatur som passarbast in pa denna 3.1. Med denna information kan temperaturerna som kameran visarfor fonsterglaset motiveras.

Den forsta bilden i kolumn ”Fonsterglas” i Tabell 6 visar en temperatur pa 30.2◦C

nar objektet i sjalva verket ar 59.8◦C. Orsaken till detta beror pa att kameran inte

kan skilja pa stralning fran fonsterglaset och objektet. Den tolkar den inkommandestralningen som en stralningskurva som motsvarar 30.2

◦C men som i sjalva verket ar

en kombination av fonsterglasets emission och objektets reflektion. I Figur 18 illustrerasstralningskurvorna for 59.8

◦C och 22.4

◦C med stralningskurvorna for 60

◦C och 22

◦C. Det

ar en kombination av dessa tva stralningskurvor som kameran registrerar eftersom deninte vet att stralningen kommer fran tva olika kallor. Kameran omvandlar darefter dentotala registrerade stralningen till den temperatur ett objekt som har emissiviteten 0,95(det ar vad kameran ar installd pa) maste ha for att ge upphov till en sadan temperatur.

I den femte och sista bilden i kolumn ”Fonsterglas” i Tabell 6 hander precis sammasak som i den forsta bilden men har visar kameran en temperatur som ar hogre an vadobjektet ar. Kameran visar 18.2

◦C nar objektets temperatur i sjalva verket ar 5.1

◦C.

Orsaken till detta ar precis som for den forsta bilden.

I den tredje bilden i kolumn ”Fonsterglas” i Tabell 6 visar kameran en temperatur pa22.4

◦C och objektet ar i sjalva verket 22.9

◦C vilket innebar att de ar valdigt lika. Or-

saken till detta ar precis densamma som for den forsta, den femte och for de resterandebilderna med fonsterglaset. Kameran registrerar all inkommande stralning och i dentredje bilden har objektet i stort satt samma temperatur som fonsterglaset (temperatu-ren hos objektet 22.9

◦C, temperaturen hos fonsterglaset 21.9

◦C) vilket innebar att den

stralningskurva kameran valjer sjalvklart ligger mycket nara objektets och fonsterglasetsrespektive stralningskurvor. Alla bilder som togs under matningen kan ses i AppendixA.1.

Analys av lagemissionsglas

Precis som for fonsterglaset kan man titta pa bilderna i foljd och se hur fargernaforandras. Fran borjan ar objektets reflektion rod men forandras sedan till orange, gront,ljusblatt och morkblatt. Denna fargforandring innebar att temperaturen sjunker (jamformed fargskalan i bilderna) och det ar precis det objektet ocksa gor enligt kolumn ”T

◦1 C”

i Tabell 6 vilket ocksa kan ses i kolumn ”Glas mot kamera [◦C]”i Tabell 5.

31

Emissiviteten var fel installd for lagemissionsglaset men kamerans sikte riktades in mitti reflektionen fran objektet. Da lagemissionsglaset i princip reflekterar all stralning kanden sagas fungera som en spegel for det infraroda vaglangdsomradet och kameran kom-mer lasa av objektets verkliga temperatur. Resterande del av lagemissionsglaset visaromgivningens temperatur, det vill saga rumstemperatur, av samma anledning som detomrade dar objektets reflektion syns. Vid jamforelse av kolumn ”T

◦1 C” och kolumn

”Lagemissionsglas” i Tabell 6 visar temperaturen hos kameran i princip samma tem-peratur som objektet har i respektive ogonblick. Skillnaden mellan temperaturerna arinom kamerans matfelsomrade och kan raknas bort 3.1. Kameran visar saledes objektetstemperatur utan att titta pa det, tack vare reflektionen i lagemissionsglaset.

Alla bilder som togs under matningen kan ses i Appendix A.2. Analysen galler dabelaggningen pa lagemissionsglaset ar riktad mot kameran. Att vanda pa glaset och riktafonsterglassidan mot kameran skulle resultera i samma resultat som for fonsterglaset.

6 Slutsats

Resultatet av den konstruktion som skapades var lyckad. Transmission och reflektion avvarmestralning visualiserades bra i de bilder varmekameran tog fram trots dess osakerhetpa ±2

◦C. Att utfora matningar pa tva olika typer av glas och jamfora dessa var givande

da forstaelsen av absorption, emission, reflektion och transmission blev tydligare ochdarmed mer forstaeliga.

Experiment 1 visualiserade tydligt att transmission inte ar mojlig for varmestralning ifonsterglas och lagemissionsglas. Detta kan vara en intressant insikt for studenter, hurett materials egenskaper kan forandras beroende pa vilken stralning det utsatts for ef-tersom transmission i glas ar mojlig for det synliga ljuset. Skillnaden mellan fonsterglasetsoch lagemissionsglasets absorptionsformaga och emissionsformaga visualiserades tydligtdar fonsterglaset absorberade och emitterade storre delen av varmestralningen medanlagemissionsglaset istallet reflekterade storre delen av varmestralningen. En sadan tydligskillnad mellan de tva glasens formaga att absorbera och emittera kan skapa en battreforstaelse hos studenterna om hur fenomenen inom varmestralning kan forandras mel-lan olika material. Experiment 2 visualiserade tydligt hur reflektion forandras beroendepa material men att den fortfarande kan vara tydlig trots att materialet i fraga intereflekterar bra. Experimenten visade att lagemissionsglaset reflekterade bra samt attfonsterglaset med en lag reflektionsformaga anda visade en tydlig reflektion tack vareatt storre delen av reflektionen var spekular. I experiment 2 kan darfor en forstaelse hosstudenterna skapas om hur reflektion fortfarande kan vara tydlig trots att materialet ifraga inte har en hog reflektionsformaga.

32

De tydliga visualiseringar av fenomenen som skapas med den framtagna laborationsupp-stallningen kan vara till stor hjalp for att forbattra forstaelsen for varmestralning hosstudenter. Genom detta arbete kan studenter darmed fa chansen att upptacka och forstavarmestralning pa ett nytt satt.

Konstruktionen av laborationsuppstallningen var som namnts ovan lyckad men nagraforbattringar skulle kunna goras for att underlatta utforandet av experimenten. Svarighet-en att halla temperaturen pa kokplattan konstant i experiment 1 skulle kunna atgardasmed en kokplatta vars temperatur gar att reglera. Att kaptontejpen som faste tempera-tursensorn pa glaset mot kokplattan angav en missvisande temperatur av glaset skullekunna atgardas genom att isolera temperatursensorn mot kokplattan sa att varmen frankokplattan inte paverkar temperatursensorn. Matningarna for experiment 1 skulle kun-na vara nagra minuter langre for att fa en annu tydligare skillnad mellan fenomenensom sker hos fonsterglaset respektive lagemissionsglaset. Till sist skulle kylningen avdet temperaturvarierande objektet i experiment 2 kunna forbattras da det var svart attkyla objektet pa exakt samma satt tva ganger i rad (en gang for fonsterglaset och engang for lagemissionsglaset) eftersom is skulle tillforas manuellt efter behov. En mojligforbattring skulle kunna vara att tillfora is vid fasta tider. Da skulle kylningen av ob-jektet bli densamma for bada matningarna.

For att ta visualiseringen av varmestralningen ett steg langre ar en mojlighet att un-dersoka varmestralningen i andra typer av material. Forslagsvis ett material dar trans-mission ar mojlig i det infraroda vaglangdsomradet men inte for det synliga ljuset. Ettannat forslag ar att undersoka transmissionen i glas da tjockleken pa glaset forandras.I respektive experiment utfordes tva matningar, ett for varje glas. Ytterligare en ut-veckling av laborationsuppstallningen och visualisering av varmestralning ar att endastutfora en matning per experiment dar halva glaset bestar av fonsterglas och andra hal-van av lagemissionsglas. Kokplattan och objektet placeras sa att halva dess yta stralarmot fonsterglaset och halva dess yta stralar mot lagemissionsglaset. Pa sa satt kravsendast en matning och fenomenen i de bada glasen blir annu tydligare.

Forfattarens tack

Jag vill tacka Stefan Jarl Holm for all hjalp med ritningar och inkopslistor av materialtill konstruktionen, Jesper Haglund for hjalp med information om varmekameran samtArne Roos som delgett viktig information om glas. Jag vill tacka for samarbetet medlarare och kursassistenter i termodynamikkurserna pa Uppsala universitet som hjalpttill med synpunkter och diskussioner om projektet. Till sist vill jag tacka verkstaden paAngstromslaboratoriet som hjalpt till med material till konstruktionen.

33

Referenser

[1] Haglund J. & Jeppsson F. & Hedberg D. & Schonborn J.K. Students’ framing oflaboratory exercises using infrared cameras. Physical review special topics - Physicseducation research, 11(2):1–22, 2015.

[2] Vollmer M. & Mollman K-P. Infrared Thermal Imaging. WILEY-VCH, 2010.

[3] Cressler D. J. Silicon Earth. Cambridge University Press, 2009.

[4] Beckman O. & Grimvall G. & Kjollerstrom B. & Sundstrom T. Energilara. Liber,2005.

[5] Ingelman-Sundberg M. & Persson B. Manniskokroppens kemi. Natur & Kultur,1989.

[6] Bransden B.H. & Joachain C.J. Physics of atoms and molecules. Prentice Hall,2003.

[7] Fox M. Optical Properties of Solids. Oxford University Press, 2001.

[8] Roos A. Energieffektiva fonster – bra for bade planbok och miljo. Formas tidning,Miljoforskning for ett uthalligt samhalle, 1:20–21, 2004.

[9] Pilkington. Data - Pilkington K Glass. http://www.pilkington.com/

europe/sweden/swedish/building+products/glasfakta/varmeisolering/

pilkington+k+glass.htm, (hamtad 2017-05-23).

[10] Nordling C. & Osterman J. Physics handbook, for science and engineering. Stu-dentlitteratur, 2006.

[11] FLIR systems. Bruksanvisning FLIR Cx-serien. FLIR systems, 2015.

34

http://www.pilkington.com/europe/sweden/swedish/building+products/glasfakta/varmeisolering/pilkington+k+glass.htm



A Appendix

A.1 Bilder fran experiment 1, fonsterglas

Tabell 7: Visar alla bilder med fonsterglas tagna i experiment 1

tid [min] Fonsterglas

t = 0

t = 2

t = 5

t = 8

t = 11

35



t = 14

t = 17

t = 20

t = 23

t = 26

36



t = 29

t = 32

t = 35

t = 36

t = 39

37



t = 42

t = 45

t = 49

t = 51

t = 54

38



t = 57

t = 60

39

A.2 Bilder fran experiment 2, Lagemissionsglas

Tabell 8: Visar alla bilder med lagemissionsglas tagna i experiment 2

tid [min]] Lagemissionsglas

t = 0

t = 3

t = 6

t = 9

t = 12

40



t = 15

t = 17

t = 20

t = 23

t = 26

41



t = 29

t = 32

t = 35

t = 38

t = 41

42



t = 44

t = 47

t = 51

t = 53

t = 56

43



t = 59

t = 60

44

Visualisering av armestralningv medalphj avarmekv amerauu.diva-portal.org/smash/get/diva2:1118109/FULLTEXT01.pdf · Institutionen for fysik och astronomi, Uppsala universitet Visualisering

Documents