Schwarzkörperstrahlung Berührungslose Temperaturmessung Detektoren

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1 Schwarzkörperstrahlung Berührungslose Temperaturmessung Detektoren Prinzipien Infrarotkameras Fernerkundung von Gefahrstoffen Einführung in die passive Fernerkundung mittels IR- Spektrometrie Anwendungen der an der TUHH entwickelten Systeme SIGIS Abbildendes Fourier-Spektrometer Multispektralsystem ( Gaskamera )

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3 Berührungslose Temperaturmessung Definitionen: Wellenzahl σ = ν/c, ν: Frequenz, c: Lichtgeschwindigkeit (Vakuum) Einheit der Wellenzahl ([σ] = 1Kayser=1cm -1 ) Wellenzahl wird auch Frequenz genannt (örtliche Frequenz), ist proportional zur zeitlichen Frequenz Strahlungsdichte L: Leistung Φ pro Raumwinkel und Fläche, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung: L = d 2 Φ/(dAdΩ cosϑ) dω Raumwinkelelement, da Flächenelement, ϑ Winkel zwischen Ausbreitungsrichtung und Normalvektor von da Spektrale Strahlungsdichte: L σ = dl/dσ Beleuchtungsstärke (Intensität): I = Φ/A A: Fläche

4 Schwarzkörperstrahlung Festkörper, Gase und Flüssigkeiten strahlen elektromagnetische Strahlung ab (bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt, -273,15 C) Intensität und Frequenzverteilung hängen von Struktur (Festkörper) und Temperatur ab Idealer schwarzer Strahler: Einfallende Strahlung wird vollständig absorbiert Beschreibung der Schwarzkörperstrahlung führte zur Quantentheorie Plancksches Gesetz (Max Planck, 1900, Nobelpreis 1918): B( σ, T ) = 2hc e hcσ kt 2 σ 3 1 h = Js : Plancksches Wirkungsquantum c: Lichtgeschwindigkeit k: Boltzmann-Konstante σ: Wellenzahl (Frequenz) B: Spektrale Strahldichte

5 Rayleigh-Jeans Gesetz Klassische Theorie L BB 2 ( σ, T) ~ σ T Führt zur UV- Katastrophe Spektrale Strahldichte (W/cm 2 sr cm -1 ) Rayleigh-Jeans (Klassische Theorie) Planck (Quantenmechanik) Frequenz (Wellenzahl) (cm -1 ) Gute Näherung des Planckschen Gesetzes bei niedrigen Frequenzen (großen Wellenlängen)

6 Wien Distribution Empirisch gefunden Keine UV- Katastrophe aber keine gute Näherung für kleine Frequenzen Spektrale Strahldichte (W/cm 2 sr cm -1 ) Rayleigh-Jeans Planck Wien Frequenz (Wellenzahl) (cm -1 ) Gute Näherung des Planckschen Gesetzes bei hohen Frequenzen (kleine Wellenlängen)

7 Spektren der Strahldichte des schwarzen Strahlers bei verschiedenen Temperaturen Wellenlänge (µm) 10 µm 5 µm 2,5 µm L (W/(sr cm 2 cm -1 )) K 320 K Wellenzahl (cm -1 )

8 Schwarzkörperstrahlung Schwarzer Strahler 1898 (Hohlraum): 2004: Kalibrierstrahler

9 Vergleich eines realen Spektrums mit einem Spektrum des schwarzen Strahlers Wellenlänge (µm) 12,5 µm 10 µm 8 µm L (W/srcm 2 cm -1 ) Wald Schwarzer Strahler (25 C) Wellenzahl (cm -1 ) Emissionsspektrum eines Waldes und Spektrum des schwarzen Strahlers

10 Spektrum der Sonne und Spektrum des schwarzen Strahlers I (W/(µm m 2 )) Spektrum der Sonne Spektrum des schwarzen Strahlers Wellenlänge (µm) Sonnenspektrum:

11 Stefan-Boltzmann Gesetz Empirisch: Stefan (1879) Theoretisch: Boltzmann (1884) Spectral Radiance (W/cm 2 sr cm -1 ) T=320 K T=260 K Strahlungsleistung pro Fläche emittiert von schwarzem Strahler ist proportional zur vierten Potenz der Temperatur 0 Frequency (Wavenumber) (cm -1 ) I = σ T SB BB 4 σ SB = J K -4 m -2 s -1 : Stefan-Boltzmann Konstante

12 Wiensches Verschiebungsgesetz Wien (1893) υ max ~ T Spektral Strahldichte (W/cm 2 sr cm -1 ) Schwarzer Strahler bei 5800 K (Sonne) 1300 K 300 K Frequenz (Wellenzahl) (cm -1 )

13 Wiensches Verschiebungsgesetz Wiensches Verschiebungsgesetz beschreibt die Frequenz (oder Wellenlänge), bei der das Plancksche Strahlungsgesetz das Maximum aufweist υ T = const. = max Wiensches Verschiebungsgesetz für das Plancksche Gesetz in Einheiten der Wellenlänge: 10 Hz K 3 λmaxt = const. = Km λ max c/ν max 10

14 Reale Oberflächen Keine reale Strahlungsquelle strahlt im thermischen Gleichgewicht größere Strahldichte ab als der schwarze Strahler Strahldichte eines realen Körpers (Oberfläche): L( σ, T ) = ε ( σ ) L ( σ, T ) = ε ( σ ) BB 2 3 2hc σ Spektraler hemisphärischer Emissionsgrad ε: 0 < ε (σ) < 1 e hcσ kt 1 Emissionsgrad ist frequenzabhängig (Wellenlänge) Grauer Körper: ε(σ) const. Emissionsgrad ist darüber hinaus richtungsabhängig (relativ zur Oberfläche)

15 Reale Oberflächen Hemisphärischer Emissionsgrad ε: Verhältnis der von einem Flächenelement des Körpers in den Halbraum abgestrahlten Leistung zu der von einem Flächenelement des schwarzen Strahlers derselben Temperatur abgestrahlten Leistung Für berührungslose Temperaturmessung wird oft der hemisphärische Gesamtemissionsgrad genutzt ε = I: vom Flächenelement des realen Körpers abgestrahlte Strahlungsleistung I BB : siehe Stefan-Boltzmann Gesetz Stefan-Boltzmann Gesetz für eine reale Oberfläche ε: Emissionsgrad (0< ε<1) I I BB I = εσ T SB 4

16 Berührungslose Temperaturmessung Messung der Temperatur einer Oberfläche I = εσ T SB 4 Detektor T, ε Stefan-Boltzmann-Gesetz T = 4 I εσ SB

17 Reale Oberflächen: Emissionsgrad Emissionsgrad als Funktion der Wellenlänge Emissionsgrad verschiedener Oberflächen (0 100 C)

18 Klassifizierung von Detektoren Photonendetektoren Direkter Zusammenhang zwischen Photonen und Signal Idealer Detektor: Ausgangssignal proportional zur Anzahl der Photonen (unabhängig von der Energie der einzelnen Photonen) Genutzt im Röntgen-, ultravioletten, sichtbaren, und infraroten Spektralbereich Thermische Detektoren Photonen werden absorbiert und bewirken Erwärmung Temperaturänderung bewirkt Änderung elektrischer Eigenschaften Idealer Detektor: Signal proportional zur Strahlungsleistung Sehr breiter Spektralbereich; vornehmlich genutzt im infraroten Spektralbereich und im Submillimeterbereich aber auch im Röntgenbereich

19 Thermische Detektoren: Thermosäule Thermosäulen basieren auf Thermoelementen 20 bis 120 Thermoelemente in Reihe (typisch) Eine Kontaktstelle ist geschwärzt, um Strahlung zu absorbieren Oft verwendete Materialien: Bismut und Antimon (siehe Seebeck-Koeffizienten) Temperatur der Strahlung Referenzkontaktstelle muss gemessen werden (z.b. mit NTC)

20 Berührungslose Temperaturmessung Anwendungen: Fieberthermometer Prozessmesstechnik, Qualitätskontrolle Prozessmesstechnik im Haushalt: Automatisches Kochsystem (Siemens)

21 Pyroelektrischer Detektor Pyroelektrischer Effekt: Temperaturänderung bewirkt Polarisationsänderung in bestimmten (pyroelektrischen) Kristallen Polarisation ist in pyroelektrischen Kristallen immer vorhanden aber durch mobile Ladungsträger (z.b. aus der Luft) kompensiert Pyroelektrische Detektoren sind thermische Detektoren Keine (bzw. schwache) Abhängigkeit der Detektivität von der Wellenlänge Pyroelektrische Detektoren detektieren Strahlungsdifferenzen Zur Messung statischer Objekte muss Strahlung moduliert werden (Chopper)

22 IR-Kamera zur Regelung eines Verbrennungsprozesses Pyroelektrisches Array Prozess regelung in Müllverbrennungsanlagen

23 Qualitätskontrolle: Sitzheizung Pyroelektrisches Array Infratec PIR uc

24 Prozessregelung: Produktion von Glaswolle Zeilenkamera DIAS Pyroline 128 Pyroelektrisches Array 256 Linien/s Spektralbereich µm NE T < 0,5 K (256 Hz) Unsicherheit ± 2 K (± 2 %)

25 Thermische Detektoren: Bolometer Funktionsweise: Erwärmung von Material nach Absorption von Strahlung führt zu Widerstandsänderung Wird in Detektorarrays genutzt (ungekühlte IR-Kameras)

26 Industrielle Anwendung von Infrarot-Thermometrie Prozessregelung in Öfen Produktion von Zement Drei Infrarot-Systeme zur Temperaturmessung: 1. Außentemperatur: insbesondere Detektion von heißen Bereichen ( hot spots ) 2. Interne Temperatur 3. Temperatur des Produkts beim Leeren des Ofens

27 Mikrobolometer-Array Anwendungsbeispiel: Qualitätskontrolle der Heckscheibenheizung Jenoptik VarioCam Head Ungekühlter Mikrobolometer Detektor (320x240) Pixel Spektralbereich: 8-13 µm Messbereich -40 C 1200 C NE T < 100 mk Unsicherheit: ± 2 K

28 Photoleiter Photonendetektor: Photoleiter Leitfähigkeit des Materials erhöht sich durch Erhöhung der Anzahl von Ladungsträgern im Leitungsband aufgrund der Absorption von Photonen durch Elektronen Photon Leitungsband V Kontakt w hν E G d l Kontakt + Valenzband E G : Energiedifferenz zwischen Leitungs- und Valenzband (Bandlücke) Photonenenergie muss größer als Bandlücke sein (E = hν > E G )

29 Photoleiter Materialien Photonenenergie muss größer als Bandlücke sein (E = hν > E G ) 7 Wellenlänge Wavelength (µm) Conduction band hν E G log[a(cm -1 )] log. Absorptionskoeffizient log[a(cm -1 )] InSb Ge GaAs GaP Si Valence band Photonenenergie energy (ev) (ev)

30 Verstärker für einen Photoleiter

31 Photonendetektor: Photodiode pn-übergang Elektrisches Feld in der Ladungsträger-verarmten Zone Beleuchtung des pn-übergangs bewirkt Produktion von Elektron-Loch Paaren, wenn Photonenenergie größer als Bandlücke E G - Diffusionsspannung U D bewirkt Abtransport von e U p D Elektron und Loch in - hν entgegengesetzte Richtungen Photodioden sind aktive Elements, die eine Spannung bzw. einen Strom liefern Energie (Elektronen) Eg n + hν + i Ph Fermi Niveau

32 Photodiode Photostrom i Ph = ηne η: Quanteneffizienz e: Elementarladung N: Anzahl Photonen pro Sekunde Energie (Elektronen) e U D n Eg - hν - hν p Fermi Niveau + N = IA hν + i Ph I: Bestrahlungsstärke A: Fläche hν: Energie der Photonen i Ph ~ I Photostrom i ph Bestrahlungsstärke I

33 Verstärker für eine Photodiode

34 Beispiel: Thermografiesystem mit Diodenarray AIM MCT 256 / Thermosensorik CMT 256 M HS Array (Pixel) Detektormaterial Pixelgröße Spektralbereich Betriebstemperatur Bildrate Auslesemodus Noise equivalent temperature difference HgCdTe (MCT) µm µm 80 K (Stirling Kühler) 880 Hz Snapshot (Integrate while read) 15 mk (880 Hz, F/2.0, t = 1 ms)

35 Quantum Well Detector QWIP: Quantum Well Infrared Photodetector Heterojunction: Junction between different semiconductor materials Discontinuity of conduction band edge Electrons in GaAs (see figure) are trapped in potential well Discrete energy levels in well Quantum energy levels Conduction band Multiple wells in one detector Absorption within E c potential well and excitation into conduction band possible GaAlAs GaAs GaAlAs E

36 Example: Thermography System with a QWIP Array AIM QWIP / Thermosensorik QWIP 640 L Array (Pixels) Detector Material Pixel size Spectral range Operating temperature Frame rate Noise equivalent temperature difference GaAs/AlGaAs (QWIP) µm µm 80 K (Stirling cooler) 55 Hz 20 mk (55 Hz, F/2.0, t = 18 ms)

4.1.2 Berührungslose Temperaturmessung. Berührungslose Temperaturmessung

4.1.2 Berührungslose Temperaturmessung. Berührungslose Temperaturmessung .1.2 Berührungslose Temperaturmessung Berührungslose Temperaturmessung Definitionen: Wellenzahl σ = ν/c, ν: Frequenz, c: Lichtgeschwindigkeit (Vakuum) Einheit der Wellenzahl ([σ] = 1 Kayser = 1 cm -1 )

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