Zielgrößeneffekt (Target Size Effect)

Der Size of Source Effect (SSE), auch bekannt als Target Size Effect, ist ein wichtiger Effekt im Bereich der Temperaturmessung, der den zusätzlichen Strahlungseinfluss auf den Detektor eines Messgeräts beschreibt. Er ist ein entscheidender Faktor für präzise Temperaturmessungen.

Sowohl Pyrometer als auch Wärmebildkameras werden bei einer bestimmten Entfernung und mit einem definierten Strahlungsquellendurchmesser kalibriert – diese Kombination wird als Kalibriergeometrie bezeichnet. In der Praxis ist das Messziel jedoch häufig nicht gleich groß wie die Kalibrierquelle. Um den SSE zu quantifizieren, kann man ihn unter Laborbedingungen messen und daraus Rückschlüsse auf reale Messanwendungen ziehen. Dazu wird der gemessene Temperaturwert beobachtet, während die Größe der Strahlungsquelle variiert wird.

Per Definition ist der Durchmesser der Strahlungsquelle deutlich größer als der Messfleck, was meist durch moderate Kalibrierdistanzen erreicht wird. Eine Vergrößerung der Strahlungsquelle führt in der Regel zu zusätzlicher Strahlung und somit zu einer höheren gemessenen Temperatur. Wird beispielsweise der Durchmesser der Quelle von 50 mm auf 100 mm verdoppelt, vergrößert sich die Fläche um den Faktor vier. Dadurch gelangt mehr Strahlung in das Messgerät, was zu einer höheren Temperaturanzeige führt. Der maximale Temperaturwert entspricht der Strahlung einer halbkugelförmigen Strahlungsquelle (Halbraum). Bei großen Strahlungsquellen wird der SSE hauptsächlich durch Reflexion und Streueffekte innerhalb des optischen Systems bestimmt.

Eine Verringerung des Strahlungsquellendurchmessers hingegen – bedingt durch die Kalibriergeometrie – reduziert das Signalniveau auf dem Detektor. Daher wird der Messfleck eines Pyrometers über 90 % der erfassten Energie definiert, was den minimalen Messfelddurchmesser für eine präzise Temperaturbestimmung angibt. Bei Wärmebildkameras wird die minimale Messfeldgröße durch das MFOV (Measurement Field of View) beschrieben, das typischerweise 3 x 3 Pixel umfasst. Bei kleinen Zielen in der Größenordnung des MFOV wird der SSE vor allem durch Linsenaberration und Beugung dominiert. Das Beugungslimit des Geräts hängt ausschließlich von der Wellenlänge und der Blendenzahl (F-Number) ab und beruht auf physikalischen Beugungsgrenzen, nicht auf optischen Fehlern. In solchen Fällen ist es entscheidend, den Einfluss einer Veränderung des Strahlungsquellendurchmessers zu berücksichtigen, da eine Verringerung häufig zu größeren Abweichungen in der Temperaturmessung führt.

Es ist zu beachten, dass der Messabstand dabei unverändert bleibt. Lediglich der Durchmesser der Strahlungsquelle wird variiert. In realen Anwendungen können jedoch beide Parameter – Messabstand und Strahlungsquellengröße – gleichzeitig variieren und sollten entsprechend berücksichtigt werden.