Grundlagen zur Infrarot-Temperaturmessung
Grundlagen zur Infrarot-Temperaturmessung
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  Das Prinzip der Infrarot-Temperaturmessung

  Die Infrarot-Strahlung

  Begriffe: Emission, Reflexion, Transmission

  Zusammenhang von Messfleck und Objektgröße

  Berühungslose Temperaturmessung an Metallen

  Berühungslose Temperaturmessung an Glas

  Berühungslose Temperaturmessung an Kunststoffen

  Auswahl eines IR-Thermometers für Kunststoff-Folien

  Ermittlung eines unbekannten Emissionsgrades

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Das Prinzip der Infrarot-Temperaturmessung

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 lichtempfind-lichen Schicht (Netzhaut) gelangt. Dort findet eine Umwandlung in ein Signal statt, welches zum Gehirn geleitet wird.

In der Abb. 1 ist ein IR-Messsystem gezeigt. Der Sensor selbst erfasst die von einem Objekt abgestrahlte Energie und lenkt diese auf einen oder mehrere Infrarot-Detektoren. Dort wird die IR-Energie in elektrische Signale umgewandelt, die dann auf Grundlage der Kalibrierung des Sensors und des eingestellten Emissionsgrades in Temperaturwerte umgerechnet werden. Jetzt kann die gemessene Temperatur auf einem Display angezeigt, als analoges Signal ausgegeben oder über einen digitalen Ausgang auf einem Computer-Terminal dargestellt werden.

Die Infrarot-Messstrecke

Bild 1: Die Infrarot-Messstrecke nach oben




Die Infrarot-Strahlung

Die Infrarot-Strahlung ist Bestandteil des elektromagnetischen Spektrums, zu dem auch die Funkwellen, das sichtbare Licht, die ultraviolette Strahlung sowie Gamma- und Röntgenstrahlen gehören. Der infrarote Bereich liegt zwischen dem sichtbaren Teil des Spektrums und den Funkwellen.
Die Angabe der Wellenlänge erfolgt zumeist in Mikrometern (μm), wobei sich der IR-Bereich von 0,7 μm bis 1000 μm erstreckt. Für die IR-Temperaturmessung selbst ist jedoch nur das Band von 0,7 bis 18 μm von Bedeutung.

Das elektromagnetische Strahlungsspektrum

Bild 2: Das elektromagnetische Strahlungsspektrum nach oben




Emission, Reflexion, Transmission

Das nachstehende Bild 3 macht den Zusammenhang deutlich, dass Objekte Energie reflektieren, trans-mittieren (durchlassen) und emittieren (abstrahlen) können.
Die Intensität der von einem Objekt abgestrahlten IR-Energie ist von seiner Temperatur abhängig. Der Emissionsgrad bezeichnet die Abstrahlungscharakteristik unterschiedlicher Materialien und Oberflächen.

Für die formelmäßige Darstellung dieser 3 Größen gilt: Emission + Reflexion + Transmission = 1.

Unterstellt man bei festen Körpern, dass diese Objekte praktisch keine Hintergrundenergie durchlassen, so kann man in der Formel die Transmission zu "0" setzen und reduziert damit die angegebene Formel auf folgende 2 Größen: Emission + Reflexion = 1.


Emission, Transmission, Reflexion

Bild 3: Emission, Transmission, Reflexion nach oben


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 besitzen deshalb hohe Emissionsgrade zwischen 0,8 und 0,95. 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 untenstehende Abbildung 4.


Spezifische Ausstrahlung bei verschiedenen Emissionsgraden

Bild 4: Spezifische Ausstrahlung bei verschiedenen Emissionsgraden nach oben
 




Zusammenhang von Messfleck und Objektgröße

Um eine einwandfreie Messung der Objekttemperatur zu erhalten, muss das Messobjekt mindestens so groß oder größer als der Messfleck des jeweiligen Infrarot-Thermometers sein.
Das Messgerät nimmt die vom Objekt kommende Energie auf und würde bei einem zu großen Messfleck auch noch Energie vom Hintergrund des Objektes erhalten. Dadurch würde das Messergebnis verfälscht werden und der angezeigte Messwert wäre wertlos. Die untenstehende Skizze verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Messfleck- und Objektgröße.

Eine Ausnahme von dieser Regel stellen die Quotientenpyrometer dar. Der Vorteil dieser Geräte ist, dass es reicht, nur einen Teil des Messflecks durch das Messobjekt auszufüllen, um trotzdem ein technisch einwandfreies Messergebnis zu erhalten. Quotientenpyrometer können bisher nur bei Temperaturen ab etwa 500 °C wirksam eingesetzt werden. Die Entwickler bemühen sich, diese Temperaturgrenze durch neue Sensoren und Techniken weiter nach unten zu drücken.

Zusammenhang von Messfleck und Objektgröße

Bild 5: Zusammenhang von Messfleck und Objektgröße nach oben




Berührungslose Temperaturmessung an Metallen

Der Emissionsgrad von Metallen ist von der Wellenlänge und der Temperatur abhängig. Da Metalle häufig reflektieren, besitzen sie tendenziell einen niedrigeren Emissionsgrad, was unterschiedliche und unzuverlässige Messergebnisse zur Folge haben kann. In diesen Fällen ist es wichtig, ein Instrument auszuwählen, das die Infrarot-Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge und in einem bestimmten Temperaturbereich misst, bei dem die Metalle einen möglichst hohen Emissionsgrad haben. Bei vielen Metallen vergrößert sich der Messfehler mit der Wellenlänge, so dass die kürzeste für die Messung verfügbare Wellenlänge genutzt werden sollte, siehe untenstehende Abb. 5.
Hier wird dargestellt, welcher Messfehler sich bei einem  10% falsch eingestelltem Emissionsgrad in Abhängigkeit von der Wellenlänge und Objekttemperatur ergibt.
Bitte beachten Sie:
Die optimale Wellenlänge für hohe Temperaturen bei Metallen liegt mit etwa 0,8 bis 1,0 µm an der Grenze zum sichtbaren Bereich. Wellenlängen von 1,6; 2,2 und 3,9 µm sind ebenfalls möglich. In speziellen Fällen (z. B. Aufheizprozessen), wo über einen relativ weiten Temperaturbereich gemessen werden soll und sich der Emissionsgrad mit der Temperatur ändert, können mit Quotientenpyrometern gute Ergebnisse erzielt werden.

 Messfehler im Zusammenhang mit Wellenlänge und Temperatur
Bild 6: Messfehler im Zusammenhang mit Wellenlänge und Temperatur nach oben




Berührungslose Temperaturmessung an Glas

Bei der Temperaturmessung von Glas mit einem Infrarot-Thermometer sind Reflexion und auch Transmission zu berücksichtigen. Durch sorgfältige Auswahl der Wellenlänge ist es möglich, sowohl die Oberfläche wie auch in der Tiefe des Glases die Temperatur zu messen.
Bei Anwendungen für Messungen unterhalb der Oberfläche ist ein Sensor für 1,0; 2,2 oder 3,9 µm Wellenlänge einzusetzen.
Für Oberflächentemperaturen wird ein Sensor für 5 µm empfohlen.
Bei niedrigen Temperaturen sollten 8 - 14 µm genutzt und zur Kompensation der Reflexion der Emissionsgrad auf 0,85 eingestellt werden. Da Glas als schlechter Wärmeleiter die Oberflächentemperatur schnell ändern kann, ist hier ein Messgerät mit kurzer Ansprechzeit zu empfehlen.
Die untenstehende Grafik zeigt den physikalischen Zusammenhang der einzelnen Einflussgrößen Reflexion, Emission und Transmission bei den IR-Temperaturmessungen an Glas.

Emission, Reflexion und Transmission an Glas

 Beschriftung im Bild: τ = Transmission; έ = Emission; ρ = Reflexion

Bild 7: Zusammenhang von Reflexion, Emission und Transmission von Glas. nach oben




Berührungslose Temperaturmessung an Kunststoffen

Die Transmissionsgrade von Kunststofffolien variieren mit der Wellenlänge und verhalten sich proportional zu ihrer Dicke. Dünne Materialien sind durchlässiger als dicke Kunststoffe.
Für eine optimale Temperaturmessung ist es wichtig, eine Wellenlänge auszuwählen, bei welcher der Transmissionsgrad annähernd Null ist. Einige Kunststoffe (Polyäthylen, Polypropylen, Nylon und Polystyrol) sind bei 3,43 µm undurchlässig, andere (Polyester, Polyurethan, Teflon, FEP und Polyamid) bei 7,9 µm. Bei dickeren (> 0,4 mm), stark pigmentierten Folien sollten Sie eine Wellenlänge zwischen 8 und 14 µm wählen. Wenn Sie sich nicht sicher sind, können Sie dem Infrarotgerätehersteller eine Probe des Kunststoffes schicken, um die für die Messung optimale spektrale Bandbreite zu bestimmen. Bei fast allen Kunststofffolien liegt ein Reflexionsgrad zwischen 5 und 10% vor.
Wie aus den nachstehenden Abbildungen hervorgeht, ist unabhängig von der Dicke Polyäthylen bei 3,43 µm fast und Polyester bei 7,9 µm vollkommen undurchlässig.
Weiter unten finden Sie eine Auswahltabelle (Bild 10) für IR-Thermometer zur Messung an Kunststoffen.

Spektrale Durchlässigkeit von Polyäthylenfolien

Bild 8: Spektrale Durchlässigkeit von Polyäthylenfolien nach oben


Spektrale Durchlässigkeit von Polyesterfolien

Bild 9: Spektrale Durchlässigkeit von Polyesterfolien nach oben




Auswahl eines IR-Thermometers für Kunststoff-Folien


Auswahl eines IR-Thermometers für Kunststofffolien

Bild 10: Auswahl eines IR-Thermometers für Kunststoff-Folien nach oben




Ermittlung eines unbekannten Emissionsgrades

1. Bestimmen Sie mit Hilfe eines Kontaktfühlers, eines Thermoelementes oder einer anderen geeigneten Methode die aktuelle Temperatur des Materials. Messen Sie anschließend mit dem IR-Thermometer die Temperatur des Objektes und korrigieren Sie die Einstellung des Emissionsgrades bis der korrekte Temperaturwert erreicht ist.
Sie haben nun den richtigen Emissionsgrad des gemessenen Materials ermittelt.

2. Bei Messung von relativ niedrigen Temperaturen (bis 260 °C) bringen Sie auf dem zu messenden Objekt einen Kunststoffaufkleber an, der groß genug ist, den Messfleck zu bedecken. Messen Sie danach dessen Temperatur bei Einstellung eines Emissionsgrades von 0,95. Messen Sie anschließend die Temperatur eines angrenzenden Gebietes auf dem Objekt und verändern Sie den Emissionsgrad solange bis die gleiche Temperatur erreicht ist.
Sie haben nun den richtigen Emissionsgrad des gemessenen Materials ermittelt.

3. Wenn möglich, tragen Sie auf einen Teil der Oberfläche des Messobjektes matte schwarze Farbe auf, deren Emissionsgrad größer als 0,98 ist. Dann messen Sie die Temperatur der gefärbten Stelle bei eingestelltem Emissionsgrad von 0,98. Messen Sie danach die Temperatur einer angrenzenden Fläche auf dem Objekt und verändern Sie den Emissionsgrad solange, bis die gleiche Temperatur erreicht ist.
Sie haben nun den richtigen Emissionsgrad des gemessenen Materials ermittelt.

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 Quelle und Copyright für sämtliche Abbildungen auf dieser Seite: Raytek GmbH Berlin

 Letztes Update: 20.07.2014

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