Emissionsgrad

Der Emissionsgrad (ε) beschreibt die Fähigkeit eines Objekts, Wärmestrahlung abzugeben. Er ist das Verhältnis der Strahldichte eines realen Objekts zu der eines idealen thermischen Strahlers, eines sogenannten schwarzen Körpers. Während ein schwarzer Körper einen Emissionsgrad von 1 besitzt, liegt der Emissionsgrad realer Objekte stets unter 1.

Der Emissionsgrad ε = ε(θ, φ, λ, T) ist eine Funktion des Strahlungswinkels (θ, φ) zur Oberfläche, der Wellenlänge (λ) und der Temperatur (T). Die meisten handelsüblichen Infrarotthermometer werden gegen Schwarzkörperstrahler kalibriert. Ist der Emissionsgrad des Messobjekts bekannt und im Gerät korrekt eingestellt, kann das Messsignal auf den idealen thermischen Strahler bezogen und daraus die Oberflächentemperatur berechnet werden.

Für nichtmetallische Oberflächen nimmt der richtungsabhängige Emissionsgrad mit zunehmender Abweichung vom senkrechten Blickwinkel langsam ab. Bei metallischen Oberflächen ist die Winkelabhängigkeit deutlich komplexer. Je nach Anwendung oder Material können diese Einflüsse auf die Messunsicherheit vernachlässigbar oder erheblich sein.

Spezielle Spektralfilter können eingesetzt werden, um die Winkelabhängigkeit des Emissionsgrads zu reduzieren und korrekte Messwerte für alle Bildbereiche zu gewährleisten – insbesondere bei Kameras mit großem Öffnungswinkel.

Der Emissionsgrad kann sowohl für eine einzelne Wellenlänge und alle Strahlungsrichtungen (sogenannte spektrale halbkugelige Emission) als auch für alle Wellenlängen (gesamthalbkugelige Emission) betrachtet werden. Für nichtmetallische Materialien ist die halbkugelige Emission bei hohen Wellenlängen relativ hoch und konstant, während sie für blanke Metalloberflächen deutlich geringer ist und bei längeren Wellenlängen weiter abnimmt.

Da der Emissionsgrad als Korrekturfaktor in die Strahlungsbilanz eingeht, steigt die Messunsicherheit mit abnehmendem Emissionsgrad. Es ist daher ratsam, ein Messgerät mit einer spektralen Empfindlichkeit zu verwenden, bei der der Emissionsgrad des Objekts möglichst hoch ist (ε(λ) = εmax). Bei Metallen bedeutet das, möglichst kurze Wellenlängen zu wählen, die dennoch für den vorgesehenen Temperaturbereich geeignet sind.

Der Einfluss dieses Effekts auf den Messwert kann reduziert werden, indem der Emissionsgrad auf einen Wert nahe dem Hauptarbeitsbereich eingestellt wird, sodass Abweichungen nur bei deutlich niedrigeren oder höheren Objekttemperaturen auftreten. Alternativ kann ein Verhältnispyrometer verwendet werden, um den Messfehler zu verringern, sofern der Einfluss der Objekttemperatur auf den Emissionsgrad weitgehend wellenlängenunabhängig ist (ε(λ, T) ≈ ε(T)).