Thermografie. Eric Rahne

Lichtstärke unabhängig von der Entfernung.

Abb. 30: Betrachtung einer durch Taschenlampe beleuchteten Kreisfläche mittels eines Fernrohres (Darstellung der die Leinwandabmessung überschreitenden Beleuchtung)

      Die obige Darstellung dagegen beschreibt die Grenzen des photometrischen Gesetzes: den Fall nämlich, wo der zu große Abstand zur Leinwand eine die Abmessung der Leinwand überschreitende Beleuchtungsfläche erreicht. Hierbei kann das Fernrohr nur noch einen Teil der von der Taschenlampe ausgestrahlten Energie empfangen, die über den Rand der Leinwand hinausgehende Beleuchtungsfläche wird nicht von der Leinwand reflektiert und damit nicht erfasst. (Bei dieser Betrachtung wird die aus dem Raum neben der Leinwand stammende Strahlungsenergie der Einfachheit halber vernachlässigt.) Damit entspricht also die beobachtete Strahlungsenergie nicht mehr der durch die Taschenlampe ausgesandten Menge!

      Dieses Problem führt zu den Messfehlern der Infrarot-Strahlungsthermometer bei mangelnder Ausfüllung des Messfleckes (siehe Absatz 3.1.2.1. „Pyrometeroptiken - Messfläche (Messfleck) und Lasermarker”), bzw. zu den Messfehlern bei Nichteinhaltung der Anforderungen an die geometrische Auflösung bei Thermokameras (siehe Absatz 3.2.11.2. „Geometrische Auflösung thermografischer Systeme”).

1.4. Tatsächliche Messbedingungen und Besonderheiten

      Die in den vorhergehenden Kapiteln beschriebenen Zusammenhänge gelten ausschließlich für ideale Messobjekte und ideale Messbedingungen, u.a. für das Modell des idealen Strahlers (schwarzer Körper) als Messobjekt und das ideale Fenster als Übertragungsstrecke. Die tatsächlichen, unter Praxisbedingungen auftretenden und die Messergebnisse beeinflussenden Umstände - z.B. die Eigenschaften des Messobjektes und der Übertragungsstrecke - wurden bisher nicht behandelt. Aus Sicht der praktischen - berührungslosen - Temperaturmessung sind allerdings auch diese zu beachten.

      1.4.1. Messanordnung der berührungslosen Temperaturmessung / Thermografie

      Bei der berührungslosen Temperaturmessung und der quantitativen Thermografie ist es notwendig alle sich aus den physikalischen und messtechnischen Grundlagen ergebenen Besonderheiten in Betrachtung zu ziehen. Da es sich hierbei um optische Messverfahren handelt, muss zum einen das Messobjekt (für Infrarotstrahlung) „sichtbar” sein, zum anderen müssen die strahlungsphysikalischen Eigenschaften des Messobjektes, der Messstrecke sowie die Störstrahlungen (Umgebung, Hintergrund) beachtet, und auch die messtechnischen Parameter des Messsystems mathematisch erfasst und korrigiert werden.

Abb. 31: Messanordnung der berührungslosen Temperaturmessung (Thermografie)

1.4.2. Eigenschaften realer Messobjekte

      Das Modell des idealen Strahlers (des schwarzen Körpers) wurde in den bisherigen Kapiteln als zwingend notwendiges Modell der theoretischen Abhandlung der auf Infrarotstrahlung basierenden berührungslosen Temperaturmessung (und damit auch der Thermografie) behandelt. Die in der Praxis vorkommenden Materialien (und damit Messobjekte) weichen in ihren strahlungsphysikalischen Eigenschaften - teilweise sogar wesentlich - von den Eigenschaften dieses Modells ab. Es ist daher wichtig, diese Eigenschaften und deren Auswirkungen auf die Messergebnisse zu prüfen. Zur Beschreibung des Unterschiedes in den Abstrahlfähigkeiten dient der sogenannte Emissionsgrad (ε), welcher als dimensionsloser Zahlenwert beschreibt, in welchem Maße (im Vergleich zum idealen Strahler) der jeweilige Körper zur Strahlungsabgabe fähig ist. Der ideale Strahler hat als Referenz 100% Emissionsfähigkeit und damit einen Emissionsgrad von 1. Dies bedeutet, dass seine Strahlungsabgabe entsprechend seiner Temperatur genau den Kurven des Planckschen Strahlungsgesetzes entspricht. Alle anderen Körper emittieren nur weniger Strahlung als der ideale Strahler, damit ist deren Emissionsgrad stets kleiner 100% (d.h. ε<1).

      Der Emissionsgrad selber hängt von mehreren Parametern ab, welche zum Teil stoffspezifisch sind, zum anderen aber auch temperaturabhängig sein können. Im Einzelnen sind dies:

       Oberflächenmaterial (bei für Infrarotstrahlung undurchsichtigen Oberschichten, ansonsten Material der darunterliegenden Schicht)

       Wellenlänge (stoffspezifische Eigenschaft)

       Oberflächenrauigkeit

       Mess- bzw. Beobachtungswinkel

       Temperatur

      Da der Emissionsgrad in erster Linie vom Oberflächenmaterial (bzw. dessen strahlungsphysikalischen Eigenschaften) und der Oberflächenrauigkeit, sowie vom Messwinkel (Betrachtungswinkel) abhängt, werden diese im Folgenden detailliert behandelt.

       Hinweis: Der Emissionsgrad beschreibt als Verhältniszahl, in welchem Maße (im Vergleich zum idealen Strahler mit ε = 1) der jeweilige Körper zur Strahlungsabgabe fähig ist. Daher kann der Emissionswert nie einen Zahlenwert größer 1 annehmen.

Abhängigkeit des Emissionsgrades vom Oberflächenmaterial

Die realen Messobjekte sind (fast) ausschließlich keine idealen Strahler, es werden unter diesen die Kategorien graue Strahler und selektive Strahler unterschieden. Die folgenden Darstellungen (Abb. 32 und 33) geben die typischen Eigenschaften dieser Kategorien wieder.

Abb. 32: spektrale spezifische Ausstrahlung verschiedener Strahler als Funktion der Wellenlänge

      Insofern die spektrale spezifische Ausstrahlung der obigen Darstellung durch den wellenlängenabhängigen (spektralen) Emissionsgrad ersetzt wird, ergibt sich die nachfolgende - die Eigenschaften der verschiedenen Strahlerkategorien leicht verständlich beschreibende - Grafik:

Abb. 33: wellenlängenabhängiger (spektraler) Emissionsgrad verschiedener Strahler

       Graue Strahler

      Als graue Strahler werden Körper bezeichnet, bei denen alle Wellenlängen - verglichen mit einem idealen Strahler - prozentual gleichermaßen verringert abgestrahlt werden. Diese Eigenschaft kommt der eines idealen Strahlers relativ nahe, da es keine Wellenlängen gibt, die stärker oder schwächer als die übrigen emittiert werden. Der spektrale Emissionsgrad ε_λ ist bei grauen Strahler über alle Wellenlängen gleich.

      Gl. 37

       Selektive Strahler

      Selektive Strahler nennt man solche Körper, deren spektraler Emissionsgrad wellenlängenabhängig ist. Es gibt hierbei also Wellenlängen, die stärker (aber höchstens mit ε_λ=1) oder schwächer als die übrigen emittiert werden. Es kann auch Wellenlängen geben, die überhaupt nicht emittiert werden.

      Gl. 38

Spektraler Emissionsgrad, Banden- und Gesamtemissionsgrad