Kurz- vs. langwelliger Infrarotsensor

Auf Grundlage des Planckschen Strahlungsgesetzes verhält sich die Temperaturmessung bei längeren und kürzeren Wellenlängen unterschiedlich. Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz steigt die spektrale Strahldichte eines schwarzen Strahlers mit zunehmender Temperatur stark an und verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen – ein Phänomen, das durch das Wiensche Verschiebungsgesetz beschrieben wird. Bei heißen Objekten liegt daher ein größerer Anteil der emittierten Infrarotstrahlung im kurzwelligen Bereich. Aus dem Planckschen Strahlungsgesetz ergibt sich, dass bei einer bestimmten Temperatur die emittierte Strahldichte mit abnehmender Wellenlänge exponentiell zunimmt. Dadurch erhält der Detektor ein stärkeres Signal.

Beim Vergleich von kurzwelligen mit langwelligen Sensoren zeigt sich eine charakteristische Signalantwort der Infrarotsensoren in Abhängigkeit von der Objekttemperatur für unterschiedliche Spektralbereiche. Diese kann jeweils näherungsweise durch eine Potenzfunktion [math]~T^n[/math] beschrieben werden, wobei n von der Wellenlängenempfindlichkeit des Sensors abhängt. Kurzwellige Sensoren weisen aufgrund der stärkeren Temperaturabhängigkeit des Planckschen Strahlungsgesetzes bei kürzeren Wellenlängen einen steileren Signalanstieg mit zunehmender Temperatur auf. Langwellige Sensoren zeigen dagegen eine allmählichere Signaländerung, die niedrigeren Exponenten entspricht. Abbildung 1 veranschaulicht dieses Verhalten auf einer logarithmischen Skala.

Kurzwellenpyrometer werden bevorzugt für Hochtemperaturmessungen und schnelle dynamische Temperaturänderungen eingesetzt, während langwellige Sensoren besser für niedrigere Temperaturen und Materialien mit niedrigem oder variierendem Emissionsgrad geeignet sind.

Dennoch weisen kurzwellige Infrarot-Temperatursensoren aufgrund der Physik des Planckschen Strahlungsgesetzes und der Anforderungen an das Signal-Rausch-Verhältnis im Allgemeinen höhere minimal messbare Temperaturen („Starttemperaturen“) auf. Bei niedrigen Temperaturen verschiebt sich der größte Teil der Wärmestrahlung zu längeren Wellenlängen, wie durch das Wiensche Verschiebungsgesetz beschrieben wird. Bei kurzen Wellenlängen wird die spektrale Strahldichte bei niedrigen Temperaturen sehr gering und liegt häufig unterhalb der Nachweisgrenze des Detektors. Das bedeutet, dass bei niedrigeren Temperaturen schlicht nicht genügend Infrarotenergie bei kurzen Wellenlängen emittiert wird, um ein nutzbares Signal zu erzeugen.

Darüber hinaus spielen die Emissionsgradeigenschaften vieler glänzender Objekte eine wichtige Rolle und begünstigen kurzwellige gegenüber langwelligen Sensoren. Viele Metalle weisen mit abnehmender Wellenlänge einen steigenden Emissionsgrad auf. Im mittel- und langwelligen Infrarotbereich kann der Emissionsgrad insbesondere bei polierten Oberflächen deutlich abnehmen. Bei kürzeren Wellenlängen ist der Emissionsgrad tendenziell höher und stabiler, wodurch sich die Temperaturgenauigkeit bei metallischen Messobjekten verbessert. Daher können Materialien, die mit herkömmlichen Infrarotsensoren möglicherweise nicht messbar sind, bei kürzeren Wellenlängen aufgrund ihres höheren Emissionsgrads in diesen Spektralbereichen messbar werden.

Darüber hinaus sind kurzwellige Sensoren aufgrund des Planckschen Strahlungsgesetzes weniger anfällig für Fehler, wenn der Emissionsgrad falsch eingestellt ist. Aufgrund der exponentiellen Potenzbeziehung [math]~ε ∙ T^n[/math] beeinflusst ein linearer Emissionsgradfaktor den vom Messobjekt ausgehenden Infrarotfluss bei kurzen Wellenlängen nicht so stark wie die Temperatur selbst, wenn der wellenlängenabhängige Exponent n hoch ist. Bei langwelligen Messungen liegt der Einfluss des Emissionsgrads dagegen in derselben Größenordnung wie der Einfluss der Temperatur selbst.

Abbildung 2 zeigt die Messabweichung, die auftritt, wenn der Emissionsgrad um 10 % falsch eingestellt ist. Die Temperaturabweichung ist deutlich größer. Beachten Sie, dass die Temperaturabweichung auf der Y-Achse logarithmisch dargestellt ist. Insbesondere bei kürzeren Wellenlängen nimmt die mögliche Messabweichung exponentiell ab.

Sensoren mit längeren Messwellenlängen weisen eine deutlich höhere Empfindlichkeit gegenüber Fehlern bei der Emissionsgradeinstellung auf, während kurzwellige Sensoren über den gesamten Bereich geringere Abweichungen zeigen. Abbildung 3 veranschaulicht die maximale Messabweichung in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Dabei wird dieselbe Berechnung wie zuvor verwendet, die Messabweichung jedoch auf den Messbereich bezogen. Kürzere Wellenlängen zeigen eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen des Emissionsgrads, während längere Wellenlängen auf der rechten Seite eine höhere Anfälligkeit aufweisen.

Abbildung 4 veranschaulicht die höhere Messstabilität kurzwelliger Sensoren bei unsicherem oder variierendem Emissionsgrad. Sensoren, die bei längeren Wellenlängen arbeiten, werden deutlich stärker durch Unsicherheiten des Emissionsgrads beeinflusst, während kurzwellige Sensoren weniger empfindlich auf solche Schwankungen reagieren. Dadurch eignen sich kurzwellige Sensoren besonders für Anwendungen, bei denen der Emissionsgrad nicht genau bestimmt werden kann.

Zusammenfassend hängen Genauigkeit, Signalstärke und Robustheit gegenüber Schwankungen des Emissionsgrads bei der Infrarot-Temperaturmessung in hohem Maße von der Wahl der Sensorwellenlänge ab. Auf Grundlage des Planckschen Strahlungsgesetzes und des Wienschen Verschiebungsgesetzes sprechen die folgenden wesentlichen Punkte für den Einsatz kurzwelliger Sensoren:

• Höhere Signalintensität bei hohen Temperaturen: Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz nimmt die spektrale Strahldichte mit abnehmender Wellenlänge exponentiell zu. Bei heißen Objekten verschiebt sich ein großer Teil der emittierten Energie in den kurzwelligen Bereich, wodurch ein deutlich stärkeres Detektorsignal entsteht.
• Höhere Temperaturempfindlichkeit: Kurzwellige Sensoren weisen eine steilere Signal-Temperatur-Kennlinie auf. Dadurch führen kleine Temperaturänderungen zu stärker ausgeprägten Signaländerungen, was eine bessere Auflösung und ein besseres dynamisches Verhalten ermöglicht.
• Geringere Empfindlichkeit gegenüber Emissionsgradfehlern: Bei kürzeren Wellenlängen dominiert aufgrund der exponentiellen Signal-Temperatur-Beziehung der Einfluss der Temperatur gegenüber dem Emissionsgrad. Dadurch wirken sich Fehler durch eine falsche Einstellung des Emissionsgrads weniger stark auf die Messgenauigkeit aus.
• Höherer Emissionsgrad von Metallen bei kurzen Wellenlängen: Viele reflektierende oder polierte Metalle weisen im kurzwelligen Infrarotbereich einen deutlich höheren und stabileren Emissionsgrad auf. Dadurch verbessert sich die Messzuverlässigkeit im Vergleich zu mittel- oder langwelligen Sensoren, die instabile oder zu niedrige Messwerte liefern können.
• Höhere Messgenauigkeit bei unsicherem Emissionsgrad: Aufgrund des geringeren Einflusses des Emissionsgrads bei kurzen Wellenlängen bieten diese Sensoren eine höhere Genauigkeit in Anwendungen, bei denen der Emissionsgrad unbekannt, variabel oder nur schwer zu kontrollieren ist, beispielsweise bei wechselnden Oberflächenbedingungen.

Dennoch muss bei der Auswahl eines Sensors ein wesentlicher Aspekt berücksichtigt werden.

• Einschränkungen bei niedrigen Temperaturen: Aufgrund des Wienschen Verschiebungsgesetzes emittieren Objekte mit niedrigen Temperaturen nur sehr wenig Strahlung im kurzwelligen Bereich. Dadurch weisen kurzwellige Sensoren höhere „Starttemperaturen“ auf und sind für kalte Messobjekte weniger geeignet.

Dieser Zielkonflikt zwischen Wellenlänge und Starttemperatur sollte bereits frühzeitig bei der Sensorauswahl berücksichtigt werden, um die Leistungsfähigkeit und Messzuverlässigkeit für die jeweilige Anwendung zu optimieren.

Als Faustregel sollten Anwender die kürzeste Wellenlänge wählen, die über den vorgesehenen Temperaturbereich noch eine zuverlässige Messung ermöglicht. Dieser Ansatz gewährleistet eine maximale Messgenauigkeit, insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen oder bei Materialien mit unsicherem beziehungsweise variablem Emissionsgrad. Die Wahl unnötig langer Wellenlängen allein zur Abdeckung niedrigerer Temperaturen kann dagegen zu einer geringeren Genauigkeit und einer höheren Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen des Emissionsgrads führen.