Thermografie. Eric Rahne

Abb. 45: Gustav Kirchhoff, deutscher Physiker (1824 - 1887) (Wikipedia, gemeinfrei [A14])

      Dem Energieerhaltungsgesetz zufolge besteht zudem der folgende weitere Zusammenhang zwischen den strahlungsphysikalischen Maßzahlen:

      Gl. 45

      Aus diesen Zusammenhängen lassen sich folgende - für die Betrachtung der berührungslosen Temperaturmessung äußerst wichtigen - Spezialfälle herleiten:

Tabelle 8: strahlungsphysikalische Eigenschaften einiger (theoretischer) Körper

Theoretischer Körper	Kennzeichen	Folgerungen
Schwarzer Körper (idealer Strahler)	ε = 1	τ = 0, ρ = 0
Idealer Spiegel	ρ = 1	ε = 0, τ = 0
Ideales Fenster	τ = 1	ε = 0, ρ = 0
Nicht-transparenter Körper	τ = 0	ε + ρ = 1

Aus der obigen Tabelle (Tabelle 8) ist ersichtlich, dass weder die Temperatur idealer Spiegel, noch die der idealen Fenster anhand der Erfassung von Strahlungswärme gemessen werden kann, da diese keine Wärmestrahlung emittieren. (Es gibt bei diesen Körpern keine Strahlung, die im Zusammenhang mit ihrer Temperatur steht, damit kann also aus der Strahlungsmessung nicht auf die Temperatur dieser Körper geschlossen werden.) Diese Körper sind dennoch sehr wichtig in der Thermografie: es sind typische Komponenten und Zubehöre von Infrarot-Thermometern und Thermokameras.

      Als relativ alltägliches, aber außergewöhnliches Material soll Glas im Folgenden besondere Aufmerksamkeit erhalten. Glas lässt bekannterweise das sichtbare Licht sehr gut durch. Die Infrarotstrahlung wird im Kurz- und Mittelwellenbereich nur teilweise (bis 3,5 μm) und im Langwellenbereich allerdings überhaupt nicht hindurchgelassen. Dadurch ist die Detektion von Wärmestrahlung durch Fensterglas (Quarzglas) und damit die berührungslose Temperaturmessung auf den Kurz- und Mittelwellenbereich der Infrarotstrahlung begrenzt. Während sich das Glas im mittleren Wellenbereich (über 4,5 μm) fast wie ein idealer Strahler verhält, beträgt der durchschnittliche langwellige Emissionsgrad nur ca. 85%. Dementsprechend ist in diesem Wellenlängenbereich eine erhebliche Reflexion (bei 9,5 μm sogar ca. 30%) zu erwarten. Die spektralen strahlungsphysikalischen Parameter sind in der folgenden Grafik dargestellt.

Abb. 46: spektrale strahlungsphysikalische Eigenschaften von Fensterglas (Quarzglas) (mit freundlicher Unterstützung der InfraTec GmbH, www.InfraTec.de [A15], durch Autor bearbeitet)

1.4.4. Einfluss der Übertragungsstrecke

      Da es sich bei der Infrarot-Temperaturmessung und der Thermografie um berührungslose Messverfahren handelt, muss die zugrundeliegende (zu detektierende) Wärmestrahlung (abgesehen von Messungen im Vakuum) durch ein Medium vom Messobjekt bis zum Messsystem gelangen. Die strahlungsphysikalischen Eigenschaften des Übertragungsmediums beeinflussen natürlich die übertragene Strahlungsmenge (und deren Zusammensetzung), und damit gleichzeitig auch das angestrebte Messergebnis. In den meisten Fällen ist dieses Medium Luft, es können jedoch auch andere Materialien (z. B. spezielle -Infrarotstrahlung-durchlässige - Messfenster) in der Messstrecke vorhanden sein. Im Fall von Luft ist die Übertragung der Infrarotstrahlung hauptsächlich durch die mit höchster Konzentration vorhandenen Bestandteile der Atmosphäre - also durch Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid - und derer spektraler Absorptionseigenschaften beeinflusst. (Natürlich beeinflussen Verschmutzung und Temperatur der Luft auch die Übertragungseigenschaften!)

Abb. 47: spektrale Transmission der Atmosphäre (1 ... 500 m, 25 °C, 1013 mbar, 85 % r.F.) weiße Flächen: links mittelwelliges, rechts langwelliges atmosphärisches Fenster (mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr. Lutz Bannehr [A16])

Abb. 48: spektrale Absorption der Hauptbestandteile der Atmosphäre (>100 m, 25 °C) weiße Flächen: links mittelwelliges, rechts langwelliges atmosphärisches Fenster

Die obige Abbildung (Abb. 48) zeigt, dass die Transmission der Luft - abhängig von der Wellenlänge der zu übertragenden Strahlung - sehr unterschiedlich ist. Neben Bereichen mit starken Übertragungsverlusten können auch gut übertragende Bereiche (mit weißer Hintergrund hervorgehoben) beobachtet werden. Letztere werden auch als atmosphärische Fenster bezeichnet. Während der Transmissionsgrad im lang - welligen atmosphärischen Fenster im Bereich von 7,5 bis 14 μm eine nahezu perfekte Übertragung über große Entfernungen ermöglicht (daher auch der Name „fernes Infrarot”), gibt es im Wellenlängenbereich von 3 bis 5,5 μm - dem mittelwelligen atmosphärischen Fenster - durch die Atmosphäre verursachte messbare Verluste schon in Entfernungen von einigen zehn Metern. Speziell für Hochtemperaturmessungen und für Messungen an Metallen wird auch das kurzwellige atmosphärische Fenster zwischen 0,8 und 2 μm verwendet. Letzteres wird oft auch mit dem Synonym „nahes Infrarot” benannt.

      In vielen Veröffentlichungen ist das langwellige atmosphärische Fenster begrenzt auf 8 ... 14 μm oder auf nur 8 ... 13 μm. Diese Unterschiede sind darauf zurückzuführen, wie streng das Fenster auf die höchst - mögliche Transmission begrenzt wird, welche zwischen 8 und 12 μm sogar fast 100% beträgt. Eine Erweiterung der Bereichsgrenzen (d.h. Erweiterung des spektralen Erfassungsbereiches) führt zu einer höheren Empfindlichkeit des Messgerätes. Dies ist besonders nützlich, wenn niedrige Temperaturen gemessen werden, da nur wenig Strahlung emittiert wird und daher das Signal-Rausch-Verhältnis relativ ungünstig ist. In diesem Fall wird üblicherweise eher der störende Einfluss der Atmosphäre akzeptiert, statt das messbare Signal einzuschränken. Details hierzu sind im nächsten Abschnitt zu finden.

      1.4.5. Wellenlängenbereiche der Messsysteme

      Da bei der berührungslosen Temperaturmessung die Luft das häufigste und (von den seltenen Messungen im Vakuum abgesehen) immer vorhandene Übertragungsmedium ist, können auf Wärmestrahlung basierende Messungen nur mit Wellenlängenbereichen entsprechend der atmosphärischen Fenster vorgenommen werden. Andernfalls würde es keine eindeutige Korrelation zwischen der gemessenen Strahlung und der Temperatur des Objekts geben, da dem Wienschen Verschiebungsgesetz zufolge die sich in ihrer Wellenlänge ändernde intensivste Objektstrahlung durch die absorbierenden oder eben gut übertragenden Wellenlängenbereiche der Luft temperaturabhängig unterschiedlich zum Messsystem übertragen werden würde. Somit würde die vom Messinstrument erfasste Strahlungsintensität nicht nur von der Temperatur des Objekts abhängen, sondern auch von den