Grundlagen der Infrarot-Temperaturmessung
Einleitung
Die Temperaturmessung kann in zwei Kategorien unterteilt werden; berührend und kontaktlos. In der Praxis sind Thermoelemente und Pt 100-Fühler die am häufigsten eingesetzten Vertreter der ersten Gruppe. Sie müssen das Messobjekt berühren und messen prinzipiell die eigene, dem Objekt angeglichene Temperatur. Dies führt zu einem relativ langsamen Ansprechverhalten. Kontaktlos arbeitende Sensoren messen die von einem Objekt abgestrahlte Infrarot (IR)-Energie, besitzen schnelle Ansprechzeiten und werden oft zur Messung bewegter Objekte sowie von Objekten eingesetzt, die sich in einem Vakuum befinden oder aus anderen Gründen unzugänglich sind.
Infrarot-Thermometer oder Pyrometer sind hochentwickelte Sensoren, die in Forschung und Industrie breite Verwendung erlangt haben. Dieser Aufsatz beschreibt in verständlicher Weise die Theorie, auf der dieses Messprinzip basiert und wie diese Theorie helfen kann, mit den verschiedenen applikationsspezifischen Parametern umzugehen, denen potentielle Anwender gegenüberstehen.
Infrarot-Thermometer oder Pyrometer sind hochentwickelte Sensoren, die in Forschung und Industrie breite Verwendung erlangt haben. Dieser Aufsatz beschreibt in verständlicher Weise die Theorie, auf der dieses Messprinzip basiert und wie diese Theorie helfen kann, mit den verschiedenen applikationsspezifischen Parametern umzugehen, denen potentielle Anwender gegenüberstehen.
Theorie und Grundlagen
Die Infrarot-Strahlung wurde 1666 von Sir Isaac Newton entdeckt, als er das Sonnenlicht durch ein Prisma leitete und in die Regenbogenfarben auftrennte. Im Jahre 1880 tat Sir William Herschel den nächsten Schritt, indem er die relative Energie der einzelnen Farben ermittelte. Er entdeckte auch die Energie jenseits des sichtbaren Spektrums. Anfang 1900 definierten Planck, Stefan, Boltzmann, Wien und Kirchhoff die Aktivitäten des elektromagnetischen Spektrums weiter und stellten quantitative Daten und Gleichungen zur Beschreibung der IR-Energie auf.
Infrarot-Thermometer messen die Temperatur, indem sie die Infrarotstrahlung messen, die alle Materialien und Objekte mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (0° Kelvin) abgeben. In der einfachsten Bauform bündelt eine Linse die IR-Energie auf den Detektor, der die Energie in ein elektrisches Signal umwandelt. Nach Kompensation der Umgebungstemperatur kann dieses Signal dann angezeigt werden. Diese Konfiguration ermöglicht die Messung der Temperatur aus einer gewissen Entfernung und ohne Kontakt mit dem Messobjekt. Damit eignet sich das Infrarot-Thermometer für Messaufgaben, in denen Thermoelemente oder andere Fühler nicht eingesetzt werden können oder ungenaue Ergebnisse liefern. Einige typische Beispiele sind die Messung bewegter oder sehr kleiner Objekte, stromführende Teile oder aggressive Chemikalien, Messungen in starken elektromagnetischen Feldern, Messung von Objekten, die sich im Vakuum oder anderen abgeschlossenen Umgebungen befinden sowie Anwendungen, in denen eine schnelle Ansprechzeit gefordert ist.
Erste Entwürfe für Infrarot-Thermometer existieren seit dem 19ten Jahrhundert. Einige Konzepte wurden von Charles A. Darling in seinem Buch ”Pyrometry” vorgestellt, das 1911 veröffentlicht wurde.
Es dauerte bis 1930, bevor die Technologie verfügbar war, diese Konzepte in die Praxis umzusetzen. Seit dieser Zeit fand eine kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Instrumente statt, in deren Verlauf ein umfangreiches Wissen und Applikationserfahrung gesammelt werden konnte. Heute hat sich dieses Konzept als Standard-Messverfahren durchgesetzt und wird in Industrie und Forschung eingesetzt.
Infrarot-Thermometer messen die Temperatur, indem sie die Infrarotstrahlung messen, die alle Materialien und Objekte mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (0° Kelvin) abgeben. In der einfachsten Bauform bündelt eine Linse die IR-Energie auf den Detektor, der die Energie in ein elektrisches Signal umwandelt. Nach Kompensation der Umgebungstemperatur kann dieses Signal dann angezeigt werden. Diese Konfiguration ermöglicht die Messung der Temperatur aus einer gewissen Entfernung und ohne Kontakt mit dem Messobjekt. Damit eignet sich das Infrarot-Thermometer für Messaufgaben, in denen Thermoelemente oder andere Fühler nicht eingesetzt werden können oder ungenaue Ergebnisse liefern. Einige typische Beispiele sind die Messung bewegter oder sehr kleiner Objekte, stromführende Teile oder aggressive Chemikalien, Messungen in starken elektromagnetischen Feldern, Messung von Objekten, die sich im Vakuum oder anderen abgeschlossenen Umgebungen befinden sowie Anwendungen, in denen eine schnelle Ansprechzeit gefordert ist.
Erste Entwürfe für Infrarot-Thermometer existieren seit dem 19ten Jahrhundert. Einige Konzepte wurden von Charles A. Darling in seinem Buch ”Pyrometry” vorgestellt, das 1911 veröffentlicht wurde.
Es dauerte bis 1930, bevor die Technologie verfügbar war, diese Konzepte in die Praxis umzusetzen. Seit dieser Zeit fand eine kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Instrumente statt, in deren Verlauf ein umfangreiches Wissen und Applikationserfahrung gesammelt werden konnte. Heute hat sich dieses Konzept als Standard-Messverfahren durchgesetzt und wird in Industrie und Forschung eingesetzt.
Messprinzip
Wie bereits erwähnt, strahlen alle Körper mit einer Temperatur über 0°K Infrarot-Energie ab. Infrarot-Strahlung ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der zwischen dem sichtbaren Licht und den Radiowellen liegt. Die Wellenlänge von IR-Strahlung reicht von 0,7 µm bis1000 µm, wie in Abbildung 1 dargestellt. In der Praxis eignen sich aus diesem Frequenzbereich jedoch nur die Wellenlängen von 0,7 bis 20 µm zur Messung der Temperatur. Derzeit stehen keine Detektoren zur Verfügung, die empfindlich genug sind, um die geringen Energiemengen zu messen, die oberhalb einer Wellenlänge von 20 µm abgestrahlt werden. Die Energie wächst dabei proportional zur vierten Potenz der Temperatur.
Die Kurve stellt die Energie dar, die ein Schwarzkörper in einem Temperaturbereich von 700 K bis 1300 K abstrahlt. Wie ersichtlich ist, liegt der überwiegende Teil jenseits des sichtbaren Bereichs IR-Strahlung ist zwar für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar, dennoch ist es hilfreich, sich diese Strahlung als sichtbares Licht vorzustellen, um ein Verständnis des Funktionsprinzips und der in Applikationen auftretenden Frage zu gewinnen.
In vielen Aspekten verhält sich die IR-Strahlung auch tatsächlich wie sichtbares Licht. IR-Strahlung bewegt sich in einer geraden Linie von der Strahlungsquelle weg und kann durch Objekte im Strahlenweg reflektiert oder absorbiert werden. Von den meisten Objekten, die für das menschliche Auge nicht durchsichtig sind, wird die IR-Strahlung zum Teil reflektiert und zum Teil vom Objekt absorbiert. Von der absorbierten Energie wird wiederum ein Teil intern reflektiert und ein Teil wieder abgestrahlt. Dies gilt auch für Objekte, die für das menschliche Auge durchsichtig sind, wie Glas, Gase und dünne transparente Kunststoff-Folie. Zusätzlich dazu dringt jedoch auch ein Teil der Strahlung durch das Objekt hindurch. Abbildung 3 illustriert diese Abläufe. Insgesamt tragen diese Abläufe zu dem bei, was wir als Emissionsfaktor eines Objekts oder Materials bezeichnen.
Die Kurve stellt die Energie dar, die ein Schwarzkörper in einem Temperaturbereich von 700 K bis 1300 K abstrahlt. Wie ersichtlich ist, liegt der überwiegende Teil jenseits des sichtbaren Bereichs IR-Strahlung ist zwar für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar, dennoch ist es hilfreich, sich diese Strahlung als sichtbares Licht vorzustellen, um ein Verständnis des Funktionsprinzips und der in Applikationen auftretenden Frage zu gewinnen.
In vielen Aspekten verhält sich die IR-Strahlung auch tatsächlich wie sichtbares Licht. IR-Strahlung bewegt sich in einer geraden Linie von der Strahlungsquelle weg und kann durch Objekte im Strahlenweg reflektiert oder absorbiert werden. Von den meisten Objekten, die für das menschliche Auge nicht durchsichtig sind, wird die IR-Strahlung zum Teil reflektiert und zum Teil vom Objekt absorbiert. Von der absorbierten Energie wird wiederum ein Teil intern reflektiert und ein Teil wieder abgestrahlt. Dies gilt auch für Objekte, die für das menschliche Auge durchsichtig sind, wie Glas, Gase und dünne transparente Kunststoff-Folie. Zusätzlich dazu dringt jedoch auch ein Teil der Strahlung durch das Objekt hindurch. Abbildung 3 illustriert diese Abläufe. Insgesamt tragen diese Abläufe zu dem bei, was wir als Emissionsfaktor eines Objekts oder Materials bezeichnen.
Abb.1
Abb.2
Abb.3
Wie beim sichtbaren Licht gilt auch für IR-Strahlung, dass eine Oberfläche umso mehr Energie reflektiert, je stärker sie poliert ist. Die Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst den Emissionsfaktor also ebenfalls. Bei der Temperaturmessung ist dies besonders bei Objekten, die IR-undurchlässig sind und einen niedrigen Emissionsfaktor haben, von großer Bedeutung. Ein Objekt aus poliertem Edelstahl hat einen wesentlich kleineren Emissionsfaktor als das gleiche Objekt mit einer rauen Oberfläche. Das raue Objekt weist nach der maschinellen Bearbeitung, z.B. nach dem Abdrehen, viele kleine Rillen und Unebenheiten auf, die das Reflexionsvermögen des Werkstücks deutlich mindern.
Aus dem Energieerhaltungs-Satz folgt, dass die Summe der Koeffizienten von durchstrahlender, reflektierter und emittierter (absorbierter) IR-Energie gleich 1 sein muss.
σλ + αλ + τλ = 1
Weiterhin gilt, dass der Emissionsfaktor gleich dem Absorptionsfaktor ist:
ελ = αλ
er gilt:
Aus dem Energieerhaltungs-Satz folgt, dass die Summe der Koeffizienten von durchstrahlender, reflektierter und emittierter (absorbierter) IR-Energie gleich 1 sein muss.
σλ + αλ + τλ = 1
Weiterhin gilt, dass der Emissionsfaktor gleich dem Absorptionsfaktor ist:
ελ = αλ
er gilt:
Abb.4
ελ = 1 - σλ+ τλ
Der Koeffizient lässt sich in die Planck´sche Gleichung als Variable einsetzen, die die Eigenschaften einer Oberfläche relativ zur Wellenlänge beschreibt. Für undurchlässige Objekte kann die Gleichung wie folgt vereinfacht werden:
ελ = 1 - σλ
Objekte, die Infrarot-Strahlung weder reflektieren noch für diese durchlässig sind, werden als Schwarzkörper bezeichnet. Ein natürlicher Schwarzkörper ist nicht bekannt. Für die Theorie und zur Berechnung anderer Objekte hat ein Schwarzkörper einen Emissionsfaktor von 1,0. Die beste Annäherung an einen echten Schwarzkörper erhält man in der Praxis durch eine IR-undurchlässige Kugel mit einer kleinen, zylindrischen Eintrittsöffnung. Die Innenfläche eines derartigen Objekts hat einen Emissionsfaktor von 0,998.
Der Emissionsfaktor ist ein Maß für das Verhältnis der thermischen Strahlungen, die ein Graukörper und ein Schwarzkörper bei gleicher Temperatur abgeben. Als Graukörper wird ein Objekt bezeichnet, das bei allen Wellenlängen den gleichen Emissionsfaktor besitzt und weniger Infrarotstrahlung emittiert als ein Schwarzkörper. Ein Bund-Strahler ist ein Objekt, dessen Emissionsfaktor sich mit der Wellenlänge ändert, wie z.B. bei Metallen.
Der Koeffizient lässt sich in die Planck´sche Gleichung als Variable einsetzen, die die Eigenschaften einer Oberfläche relativ zur Wellenlänge beschreibt. Für undurchlässige Objekte kann die Gleichung wie folgt vereinfacht werden:
ελ = 1 - σλ
Objekte, die Infrarot-Strahlung weder reflektieren noch für diese durchlässig sind, werden als Schwarzkörper bezeichnet. Ein natürlicher Schwarzkörper ist nicht bekannt. Für die Theorie und zur Berechnung anderer Objekte hat ein Schwarzkörper einen Emissionsfaktor von 1,0. Die beste Annäherung an einen echten Schwarzkörper erhält man in der Praxis durch eine IR-undurchlässige Kugel mit einer kleinen, zylindrischen Eintrittsöffnung. Die Innenfläche eines derartigen Objekts hat einen Emissionsfaktor von 0,998.
Der Emissionsfaktor ist ein Maß für das Verhältnis der thermischen Strahlungen, die ein Graukörper und ein Schwarzkörper bei gleicher Temperatur abgeben. Als Graukörper wird ein Objekt bezeichnet, das bei allen Wellenlängen den gleichen Emissionsfaktor besitzt und weniger Infrarotstrahlung emittiert als ein Schwarzkörper. Ein Bund-Strahler ist ein Objekt, dessen Emissionsfaktor sich mit der Wellenlänge ändert, wie z.B. bei Metallen.