IR-Spektroskopische Bestimmung der Emissivität. Dr. Michael Jörger Bruker Optik Anwendertreffen Ettlingen,

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1 IR-Spektroskopische Bestimmung der Emissivität Dr. Michael Jörger Bruker Optik Anwendertreffen Ettlingen, November 12, 2015

2 Grundlagen T~1600K Jedes Objekt mit T>0K emittiert thermische Strahlung: Nahe Raumtemperatur: mittleres Infrarot Steigende Temperatur: Emission schiebt ins Kurzwellige (MIR NIR VIS) Black Body (hier: Hohlraumstrahler mit abs. Oberfläche) Absorption Emission Schwarzer Körper (Black Body) = idealisiertes Objekt, das sämtliche einfallende Strahlung absorbiert. Idealer Emitter: bei gleicher Temperatur emittiert kein Objekt mehr thermische Strahlung Diffuser Emitter: isotrope (richtungsunabhängige Emission) November 12,

3 Definition der Emissivität (Ingenieurwesen: auch Emissionsgrad) T~1600K Emissivität: Maß für die Fähigkeit eines Materials thermische Strahlung abzugeben Schwarzer Körper : maximale Emission Normierung der Emissivität mittels Schwarzkörper Emission: Black Body (hier: Hohlraumstrahler mit abs. Oberfläche) Hemisphärische spektrale Emissivität: Absorption e(n,t)= Intensität(n,T) Probe Intensität(n,T) SK Emission Gerichtete spektrale Emissivität: Per Definition: e Schwarzkörper = 1! e(n,t,,f) = I(n,T,,f) Probe I(n,T,,f) SK November 12,

4 Praktische Bedeutung der Emissivität Wärmehaushalt: Gebäude etc. (Fenster, Anstrich ) Wärme drinnen oder draußen halten Sonne Solarthermische Kollektoren Solarthermische Kraftwerke Solarthermische Technologie Warmes Wasser Kleider, Textilien etc. Solare Absorber zur Warmwasser- oder Stromerzeugung U.v.m. November 12,

5 Messung der spektralen Emissivität bei Raumtemperatur Messung der Reflexion! A = Absorptionsgrad R = Reflexion A+R+T = 1 T = Transmission MIR: viele Materialien T=0 2. Kirchhoff sches Gesetz: A = = 1-R T~300 K: Hauptteil der thermischen Strahlung im mittleren Infrarot (MIR) Ingenieurswesen: definiert im MIR Emissionsmessung? Nein! Schwache Probenemission & starke Überlagerung mit 300 K Hintergrundstrahlung Nicht transparente Materialien: aus Reflexionsmessungen! Emissiometer : Mittelung der Reflexion über sehr breiten Spektralbereich. Forschung & Entwicklung: spektrale Infomation entscheidend! November 12,

6 Raumtemperatur MIR Emissivität: Proben mit glatter Oberfläche Z.B. Fensterglas (MIR: i.a. T=0) Gerichtete Reflexion: Kleiner Einfallswinkel, typischer Spektralbereich ca. 400(200) 2000 cm -1 (DTGS!) R = (Probenmessung)/(Referenzmessung) 10Spec: Reflexionszubehör mit kleinem Einfallswinkel Problem: R Gold 1 (~0.99) plus Kratzer & Schmutz Kalibrierter Referenzspiegel? Machbar & kostspielig (regelmäßige Rekalibrierung) Bruker A519: Absolute Refexion mit kleinem Einfallswinkel. Besser: absolutes Reflexionszubehör A519: Goldspiegel in beiden Messungen enthalten, Einfluss kürzt sich heraus. Kein kalibrierter Spiegel erforderlich! November 12,

7 Absolutes Reflexionszubehör A519: für glatte flache Proben Reflektivität warmes Fensterglas (beschichtet) Wavenumber cm-1 Wellenzahl/cm -1 A Beispielmessung mit VERTEX70 und A519 A519: - Reines MIR Zubehör. Erreichbare MIR Genauigkeit <0.5 Reflexionsprozent - Geeignet für hohe Reflektivität (~>20%). Niedrige Reflektivität (<~20%) 10Spec. C:\DLO_mijo\Mijo-local\Daten\Absolut\Demo_IFT-Rosenheim\Refl_Ergebnis\34090b b1 Reflexion 11, A519, TENSOR Seite 1 von 1 November 12,

8 Raumtemperatur MIR Emissivität: Proben mit rauer Oberfläche 2 mögliche Probenpositionen MIR Probenraum Integrationskugel A562: - Großes Detektorelement erforderlich (2-3 mm). DTGS oft ausreichend. Probenraum Integrationskugel: Diffuse (hemisphärische) Reflexion Hemisphärische Emissivität Weitere Messmodi: Ausblenden des gerichteten Anteils, diffuse Transmission NIR/VIS: Hohe Absorption erforderlich Sonnenspektrum (T~5800K) MIR: Niedrige Emission (hohe Refl.) erforderlich Beispiel solare Absorberschichten: - Warmwasser (Dach), Strom (Kraftwerk). Max. Absorption der Sonnenstrahlung Wärme soll an fl. Medium übertragen werden und nicht abgestrahlt werden 20,000 cm -1 6,700 cm -1 November 12,

9 Reflectance Raumtemperatur MIR Emissivität: Proben mit rauer Oberfläche Guter solarer Absorber: Hohe MIR Reflektivität (niedrige Emissivität) Messbeispiel: VERTEX70, A562, DTGS mit großem Element, Auflösung: 32 cm -1. Spektralbereich: - Emissivität wird i.a. im MIR bestimmt: ~400(200)-2000 cm Mitunter erweiterter Spektralbereich (NIR) von Interesse VERTEX mit zusätzlicher Quelle, Strahlenteiler & Detektor: A562 bis ca cm -1 nutzbar Wellenzahl/cm Micron D:\DLO_mijo\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\SM\SM11\solar absorber diffuse reflectance.0 Seite 1 von 1 November 12,

10 Raumtemperatur MIR Emissivität: Proben mit rauer Oberfläche VERTEX80 mit externen Integrationskugeln Probenraum-Integrationskugeln: Externe VIS/UV- Kugel Externe Infrarot-Kugel Vorteil: Handhabung, Preis, oft ausreichend Aber: größere Kugeln liefern genauere Reflexionswerte (trotz niedrigerem S/N) Große externe Integrationskugeln VIS/UV Probenraum Integrationskugel: - VERTEX80 empfohlen - Mit zusätzlichen Quellen Detektoren & Strahlenteiler bis > cm Limitierte VIS/UV Performance vgl. mit IR VIS/UV Spektroskopie? - IR Bereich: FTIR-Technik klar überlegen - VIS/UV Bereich: dispersive Technik überlegen Ideal: FTIR für IR und dipersiv für VIS/UV Aber: ein Gesamtsystem von MIR bis VIS/UV nur mit FTIR realisierbar. November 12,

11 Raumtemperatur MIR Emissivität: Proben mit rauer Oberfläche Adapter für rohrförmige Proben Externe Integrationskugeln: Diffuse hemisphärische Reflexion Gerichteter Anteil Hemisphärische Emissivität Weitere Messmodi: Ausblenden des gerichteten Anteils, diffuse Transmission Beispielmessung: Solarer Absorber von MIR bis VIS/UV(!) VERTEX80 mit 2 externen Kugeln cm cm -1 November 12,

12 Hochtemperatur MIR Emissivität Solarthermische Dachinstallation: - Typische Betriebstemperatur der solaren Absorber ca. 70 C Raumtemperatur Emissivität mittels Reflexion völlig ausreichend. Solarthermische Kraftwerke: Solarthermisches Kraftwerk - Betriebstemperatur bis zu 600 C : Thermoöl Wasserdampf Turbinen Elektrizität Emissivität bei hohen Temperaturen i.a. deutlich abweichend Hochtemperaturmessung erforderlich November 12,

13 Hochtemperatur MIR Emissivität VERTEX80v Hochtemperatur Reflexion? - I.A. nicht ausreichend genau (Temperaturdrift von optischen Komponenten etc.) Lösung: Hochtemperatur Emission Preisgünstige Lösung: Emissionsadapter A540 am VERTEX Emissionseingang. Temperatur bis 400 C. - Vakuum hilfreich (aber kein Muss ). Emissionsadapter A540/3: bis zu 4 Proben November 12,

14 Single channel Hochtemperatur MIR Emissivität Black Body Referenz Probe 1 Probe 2 Einkanalspektren Schwarzkörper Referenzprobe: - Eigenbau : Ruß auf Metallplättchen - Bruker: Speziallackierung (bis 200 C) Näherungsweise Schwarzkörperstrahlung (mit kleinen Abweichungen) Auswertung (DTGS): Wavenumber cm-1 Wellenzahl/cm -1 D:\DLO_mijo\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\SM\SM11\Black body DTGS.0 200C VC DTGS V70v, Emission, KBr, DT 24/01/2011 Solarer Absorber, Emission, T=200 C: VERTEX70v, DTGS, A540 D:\DLO_mijo\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\SM\SM11\Sample1 DTGS.0 200C T-3-2 DTGS V70v, Emission, KBr, DTGS, A54 24/01/2011 D:\DLO_mijo\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\SM\SM11\Sample2 DTGS.0 200C T26 DTGS V70v, Emission, KBr, DTGS, A540 24/01/2011 Seite 1 von 1 - (Probenemission)/(BB-Emission) ergibt spektrale gerichtete Emissivität Auswertung (MCT, T<100 C): - 300K Hintergrundstrahlung: Subtraktion vor Division (Zusatzmessung) November 12,

15 Emissivität/% Transmittance [%] Hochtemperatur MIR Emissivität Probe 1: schlechter solarer Absorber Probe 2: besserer solarer Absorber Schwarzkörper Referenzprobe: - Eigenbau : Ruß auf Metallplättchen - Bruker: Speziallackierung (bis 200 C) Näherungsweise Schwarzkörperstrahlung (mit kleinen Abweichungen) Auswertung (DTGS): Wavenumber cm-1 Wellenzahl/cm -1 D:\DLO_mijo\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\SM\SM11\Sample1 DTGS.0 200C T-3-2 DTGS V70v, Emission, KBr, A54 24/01/2011 Solarer Absorber, Emission, T=200 C: VERTEX70v, DTGS, A540 - (Probenemission)/(BB-Emission) ergibt spektrale gerichtete Emissivität D:\DLO_mijo\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\SM\SM11\Sample2 DTGS.0 200C T26 DTGS V70v, Emission, KBr, DTGS, A540 24/01/2011 Seite 1 von 1 Auswertung (MCT, T<100 C): - 300K Hintergrundstrahlung: Subtraktion vor Division (Zusatzmessung) November 12,

16 Hochtemperatur MIR Emissivität Externer Hohlraumstrahler (Referenzstrahlengang) Lösung für T > 400 C? Genauere BB Referenz? Umschaltung Hochtemperaturzelle (Probenstrahlengang) Externe Emissionsplattform: - Schwarzkörper Hohlraumstrahler, T regelbar von C - Hochtemperaturzelle bis 800 C (alternativ A540) - Doppelter Strahlengang für Referenz- und Probenmessung, mit automatischer Umschaltung. Hochtemperatur Emissionsplattform adaptiert an VERTEX80v November 12,

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