Wissensbibliothek

01. Die Entdeckung des Infrarotlichts

Die Radiometrie befasst sich mit der Messung elektromagnetischer Strahlung und bildet die wissenschaftliche Grundlage der Infrarot-Temperaturmessung. Ihre Entwicklung reicht von Herschels Entdeckung der Infrarotstrahlung bis hin zu Plancks Theorie der Schwarzkörperstrahlung, mit der die physikalischen Gesetze beschrieben wurden, die auch heute noch in der modernen Infrarotmesstechnik Anwendung finden.

01. Die Entdeckung des Infrarotlichts

02. Infrarotstrahlung

Infrarotstrahlung liegt außerhalb des sichtbaren Lichts und nimmt einen wichtigen Bereich des elektromagnetischen Spektrums ein, der für die berührungslose Temperaturmessung genutzt wird. Sie wird in Wellenlängenbereiche wie NIR, SWIR, MWIR und LWIR unterteilt, die jeweils für unterschiedliche Sensortechnologien und Anwendungen geeignet sind.

02. Infrarotstrahlung

03. Das Plancksche Gesetz

Das Plancksche Strahlungsgesetz bildet die physikalische Grundlage der berührungslosen Temperaturmessung, indem es die emittierte Infrarotstrahlung mit der Objekttemperatur und der Wellenlänge in Beziehung setzt. Es erklärt, warum heißere Objekte exponentiell mehr Strahlung emittieren und sich das Strahlungsmaximum zu kürzeren Wellenlängen verschiebt, wodurch präzise Infrarot-Temperaturmessungen ermöglicht werden.

03. Das Plancksche Gesetz

04. Rayleigh-Jeans-Näherung

Die Rayleigh-Jeans-Näherung beschreibt die Schwarzkörperstrahlung bei langen Wellenlängen und hohen Temperaturen und bietet ein vereinfachtes Modell für Teile des Infrarotspektrums. Ihre Grenzen bei kürzeren Wellenlängen verdeutlichen, warum für eine genaue Temperaturmessung stattdessen das Plancksche Strahlungsgesetz erforderlich ist.

04. Rayleigh-Jeans-Näherung

05. Lamberts Kosinussatz

Lamberts Kosinussatz beschreibt, wie die Wärmestrahlung einer diffusen Oberfläche aufgrund geometrischer Projektion bei schrägen Betrachtungswinkeln schwächer erscheint. Er erklärt, warum Infrarotsensoren die höchste Intensität messen, wenn sie eine Oberfläche senkrecht zu ihrer Normalen betrachten, und warum die Intensität mit zunehmendem Winkel abnimmt.

05. Lamberts Kosinussatz

06. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz

Das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschreibt, wie die gesamte von einem Objekt emittierte Wärmestrahlung mit der vierten Potenz seiner absoluten Temperatur zunimmt. Es zeigt, wie Emissionsgrad und Oberfläche die gesamte abgestrahlte Leistung bestimmen, und bildet damit eine grundlegende Basis der Infrarot-Temperaturmessung.

06. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz

07. Das Wien’sche Gesetz

Das Wiensche Verschiebungsgesetz beschreibt, wie sich die Wellenlänge des Strahlungsmaximums mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen verschiebt. Es erklärt, warum heiße Objekte bei kürzeren Infrarotwellenlängen mehr Energie emittieren, und bildet damit eine Grundlage für die Auswahl geeigneter Wellenlängen bei der Temperaturmessung.

07. Das Wien’sche Gesetz

08. Reflexion, Absorption und Transmission

Reflexion, Transmission und Absorption beschreiben, wie Infrarotstrahlung mit einem Material wechselwirkt, wobei sich ihre Anteile stets zu eins summieren. Diese Effekte hängen von der Wellenlänge, den Materialeigenschaften, dem Einfallswinkel und der Polarisation ab und werden durch grundlegende optische Gesetze wie das Snelliussche Brechungsgesetz und die Fresnelschen Gleichungen beschrieben.

08. Reflexion, Absorption und Transmission

09. Kirchhoffsches Gesetz

Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz besagt, dass im thermischen Gleichgewicht der Emissionsgrad eines Materials bei einer bestimmten Wellenlänge seinem Absorptionsgrad entspricht. Dies erklärt, warum gute Absorber zugleich gute Emitter sind und warum der Emissionsgrad ein entscheidender Parameter für eine genaue Infrarot-Temperaturmessung ist.

09. Kirchhoffsches Gesetz

10. Emissionsgrad

Der Emissionsgrad beschreibt, wie effizient ein Material im Vergleich zu einem schwarzen Strahler Infrarotstrahlung emittiert, und ist ein entscheidender Parameter für eine genaue Infrarot-Temperaturmessung. Er hängt von der Wellenlänge, dem Material, den Oberflächeneigenschaften und dem Betrachtungswinkel ab, wodurch insbesondere der richtungsabhängige Emissionsgrad für Infrarotkameras und Pyrometer von großer Bedeutung ist.

10. Emissionsgrad

11. Infrarotfenster

Infrarotfenster ermöglichen Temperaturmessungen durch geschlossene Systeme, müssen jedoch auf den Wellenlängenbereich des Sensors abgestimmt sein, um genaue Messergebnisse zu gewährleisten. Fenstermaterial, Transmissionsgrad und Beschichtungen beeinflussen die Signalstärke direkt und müssen daher bei der Kalibrierung berücksichtigt und entsprechend kompensiert werden.

11. Infrarotfenster

12. Größe des Messflecks

Infrarotmessungen sind nur dann genau, wenn das Messobjekt den durch die Optik definierten Messfleck des Sensors vollständig ausfüllt. Standard-, Fernfeld- und Nahfokusoptiken bestimmen, wie sich die Messfleckgröße mit dem Abstand verändert, und ermöglichen dadurch optimierte Messungen sowohl für große Entfernungen als auch für hochauflösende Nahbereichsanwendungen.

12. Größe des Messflecks

13. Optische Auflösung und MFOV

Die optische Auflösung beschreibt, wie präzise ein Infrarotsensor kleine Messflecke auflösen und deren Temperatur genau messen kann. Sie wird durch das Zusammenspiel von Optikqualität, Detektor- beziehungsweise Pixelgröße und Beugung begrenzt, die letztlich die kleinste auflösbare Messfleckgröße bestimmen.

13. Optische Auflösung und MFOV

14. Infrarot-Signalverarbeitung

Infrarotsensoren bestimmen die Objekttemperatur, indem sie die emittierte Strahlung erfassen und diese mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes und des Emissionsgrads des Messobjekts in eine Temperatur umrechnen. Bei realen Messungen machen zusätzliche Strahlungsquellen und die breitbandige Detektion eine numerische Auswertung sowie eine Kompensation der Eigentemperatur des Sensors erforderlich, um genaue Messergebnisse zu erzielen.

14. Infrarot-Signalverarbeitung

15. Aufbau eines Infrarotsensors

Pyrometer sind berührungslose Infrarot-Thermometer, die die Oberflächentemperatur an einem einzelnen Punkt messen, indem sie die von der Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung erfassen. Ein optisches System bündelt die Strahlung auf einen wellenlängenspezifischen Detektor, der sie in ein elektrisches Signal umwandelt, das verarbeitet und als Temperaturwert ausgegeben wird.

15. Aufbau eines Infrarotsensors

16. Kurzwellenlänge vs. Langwellenlänge

Die Empfindlichkeit der Temperaturmessung hängt stark von der Wellenlänge ab, wie durch das Plancksche Strahlungsgesetz und das Wiensche Verschiebungsgesetz beschrieben wird. Kurzwellige Infrarotsensoren liefern bei heißen Objekten ein deutlich stärkeres und stärker temperaturabhängiges Signal als langwellige Sensoren und verbessern dadurch die Empfindlichkeit bei hohen Temperaturen.

16. Kurzwellenlänge vs. Langwellenlänge

17. Verhältnis-/Dual-/Zweifarben-Pyrometer

Die Zweifarbenpyrometrie verwendet zwei Wellenlängen zur Bestimmung der Objekttemperatur und reduziert dabei die Empfindlichkeit gegenüber unbekanntem Emissionsgrad und gemeinsamen optischen Verlusten. Das Verfahren basiert auf Annahmen über das Emissionsgradverhältnis und den Abstand zwischen den Wellenlängen und verdeutlicht damit einen Zielkonflikt zwischen Robustheit gegenüber Emissionsgradschwankungen und Temperaturempfindlichkeit.

17. Verhältnis-/Dual-/Zweifarben-Pyrometer

18. Pixelabstand

Fortschritte bei der Herstellung ungekühlter Mikrobolometer haben die Kosten gesenkt und die Pixeldichte erhöht, wodurch Wärmebildkameras in industriellen Anwendungen zunehmend verbreitet eingesetzt werden. Gleichzeitig begrenzen Pixelgröße, NETD und optische Beugung gemeinsam die Empfindlichkeit und Auflösung und bestimmen damit, wie zuverlässig Temperaturen gemessen werden können.

18. Pixelabstand

19. Thermische Empfindlichkeit

NETD beschreibt die thermische Empfindlichkeit einer Infrarotkamera oder eines Pyrometers und gibt die kleinste Temperaturdifferenz an, die das System oberhalb seines Rauschpegels unterscheiden kann. Sie beschreibt das kurzfristige zufällige Rauschen, nicht die absolute Genauigkeit oder Drift.

19. Thermische Empfindlichkeit