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Was ist Infrarot?

Ein IR-Thermometer lässt sich mit dem menschlichen Auge vergleichen. Die Linse des Auges stellt die Optik dar, durch welche die Strahlung (Photonenfluss) vom Objekt über die Atmosphäre zur lichtempfindlichen Schicht (Netzhaut) gelangt. Dort findet eine Umwandlung in ein Signal statt, welches zum Gehirn geleitet wird. In Abb. 3 ist ein IR-Messsystem gezeigt.

Funktionsweise der berührungslosen Temperaturmessung

Jeder Körper mit einer Temperatur (T) über dem absoluten Nullpunkt sendet entsprechend seiner Temperatur infrarote Strahlung, so genannte Eigenstrahlung aus. Ursache dafür ist die innere mechanische Molekülbewegung. Die Intensität dieser Bewegung hängt von der Temperatur dieses Körpers ab. Da Molekülbewegungen gleichzeitig Ladungsbewegungen darstellen, wird eine elektromagnetische Strahlung (Photonenteilchen) ausgesandt. Diese Photonen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und gehorchen den bekannten optischen Gesetzmäßigkeiten. Sie lassen sich umlenken, mittels Linsen bündeln oder können von spiegelnden Flächen reflektiert werden. Das Spektrum dieser Strahlung erstreckt sich von 0,7 bis 1000 µm Wellenlänge. Daher ist es für unser Auge normalerweise nicht sichtbar, siehe Abb. 4.

Elektromagnetisches Spectrum

Der unsichtbare Teil des Spektrums enthält bis zu 100.000 mal mehr Energie. Darauf baut die Infrarotmesstechnik auf. In Abb. 5 ist ebenfalls zu sehen, dass sich das Strahlungsmaximum mit steigender Objekttemperatur zu immer kürzeren Wellenlängen verschiebt und sich die Kurven eines Körpers bei verschiedenen Temperaturen nicht schneiden. Die Strahlungsenergie im gesamten Wellenlängenbereich (Fläche unterhalb jeder Kurve) wächst mit der 4. Potenz der Temperatur. Diese Zusammenhänge wurden von STEFAN und BOLTZMANN 1879 erkannt und erlauben eine eindeutige Temperaturbestimmung aus dem Strahlungssignal.

Abb. 5 zeigt typische Strahlungsverhältnisse eines Körpers bei unterschiedlichen Temperaturen. Man sieht, dass heiße Körper auch noch zu einem geringen Teil sichtbare Strahlung abgeben. Das ist auch der Grund, warum jeder Mensch sehr heiße Objekte (über 600°C) als rot- bis weißglühend sehen kann. Erfahrene Stahlarbeiter können an Hand der Farbe sogar die Temperatur ziemlich genau abschätzen. Das klassische Glühfadenpyrometer wurde in der Stahl- und Eisenindustrie ab 1930 eingesetzt.

Grafik Strahlungscharakteristik eines schwarzen Strahlers in Abhängigkeit von der Temperatur

Sieht man sich Abb. 5 an, sollte das Ziel darin bestehen, das IR-Thermometer so breitbandig wie möglich auszulegen, um möglichst viel Energie (entspricht der Fläche unter einer Kurve) bzw. Signal vom Messobjekt zu erhalten. Es gibt aber einige Gründe, die zeigen, dass das nicht immer von Vorteil ist. In Abb. 5 wächst die Strahlungsintensität bei 2 µm beispielsweise wesentlich stärker mit steigender Temperatur als bei 10 µm. Je größer der Strahlungsunterschied pro Temperaturdifferenz, um so genauer arbeitet das IR-Thermometer. Entsprechend der Verschiebung des Strahlungsmaximums zu kleineren Wellenlängen mit steigender Temperatur (Wien'sches Verschiebungsgesetz) richtet sich der Wellenlängenbereich nach dem Messtemperaturbereich des Pyrometers. Bei niedrigen Temperaturen würde sich ein bei 2 µm arbeitendes IR-Thermometer wie das Auge bei Temperaturen unter 600°C verhalten, es sieht wenig bis nichts, da die Strahlungsenergie zu klein ist. Ein weiterer Grund, Geräte für verschiedene Wellenlängenbereiche zu haben, ist die Abstrahlcharakteristik von einigen Materialien, so genannten nichtgrauen Strahlern (Glas, Metalle und Kunststofffolien). Abb. 5 zeigt das Ideal, den so genannten Schwarzen Strahler oder auch Schwarzen Körper (engl.: Blackbody). Viele Körper emittieren aber weniger Strahlung bei gleicher Temperatur. Das Verhältnis aus dem realen Abstrahlwert und dem des Schwarzen Strahlers wird Emissionsgrad ε (Epsilon) genannt und kann maximal 1 (Körper entspricht dem idealen Schwarzen Strahler) und minimal 0 betragen. Körper, deren Emissionsgrad kleiner 1 ist, werden graue Strahler genannt. Körper, deren Emissionsgrad zusätzlich temperatur- und wellenlängenabhängig ist, nennt man nichtgraue Strahler.
Weiterhin gilt, dass sich die Summe der Abstrahlung aus Absorption (A), Reflexion (R) und Transmission (T) zusammensetzt und gleich Eins ist. (siehe Gleichung 1 und Abb. 6)

A + R + T = 1 (1) 

Feste Körper haben keine Transmission im infraroten Bereich (T = 0). Dann ergibt sich aus Gleichung 1 für die Absorption und damit Emission (nach dem so genannten KIRCHHOFSCHEN Gesetz geht man davon aus, dass alle Strahlung, die ein Körper aufgenommen (absorbiert) hat und die zu einer Temperaturerhöhung führte, auch dann von diesem Körper abgestrahlt, sprich: emittiert, wird:

E = 1 – R (2) 

Grafik Strahlungsreflexionen und Strahlung

Der ideale Schwarze Strahler hat auch keine Reflexion (R = 0), so dass damit E = 1 ist.
Viele Nichtmetalle wie z. B. Holz, Kunststoff, Gummi, organische Materialien, Stein oder Beton haben nur gering reflektierende Oberflächen und deshalb hohe Emissionsgrade zwischen 0,8 und 0,95 (s. Emissionsgrade für Nichtmetalle). Metalle dagegen, insbesondere mit polierten bzw. glänzenden Oberflächen, können bei etwa 0,1 liegen. Diesem Umstand wird bei den IR-Thermometern durch entsprechende Möglichkeiten zur Einstellung des Emissionsfaktors Rechnung getragen, siehe auch Abb. 7 (s. Emissionswerte für Metalle).

Unsere Anwendungstechniker können Ihnen bei der Auswahl des effizientesten IR-Sensors für Ihr Material, Ihren Temperaturbereich und Ihre Anwendung behilflich sein.

Grafik Spezifische Ausstrahlung bei verschiedenen Emissionsgraden

 

Um mehr zu erfahren, laden Sie die Broschüre Grundlagen der berührungslosen Temperaturmessung - Infrarottechnologie  herunter.

 

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