Eine kurze Einführung von Prof. Dipl.-Ing. Eckhard Franke

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1 Fachhochschule Flensburg Institut für Medieninformatik und Technische Informatik Eine kurze Einführung von Prof. Dipl.-Ing. Eckhard Franke

2 Thermografie: Temperaturmessung im Infrarot-Bereich Grundlagen Infrarotspektrum Plancksches Strahlungsgesetz Schwarzer Strahler Stefan-Boltzmann-Gesetz Messszenarium Absorption, Emission, Reflektion und Transmission Realer Strahler Messumgebung Messpfad Infrarot-Kameras Strahlungseigenschaften von Materialien - Emissionsgrade Anwendungsgebiete

3 Spektrum Elektromagnetischer Wellen Für Infrarotstrahlung gelten die optischen Gesetze uneingeschränkt. Nur die Materialien verhalten sich dabei deutlich verschieden!

4 Plancksches Strahlungsgesetz Verteilung der Intensität der abgegebenen Strahlung eines Schwarzen Strahlers in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

5 Plancksches Strahlungsgesetz M, T 5 2 e hc ch kt 2 1 mit den Konstanten und den Variablen h: Planck-Konstante c: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c 0 ) k: Boltzmann-Konstante λ: Wellenlänge T: Temperatur in Kelvin Dimension: Leistung je Fläche und Wellenlänge in [Watt/(m 2 µm)]

6 Plancksche Strahlungskurven für verschiedene Temperaturen

7 Schwarzer Strahler: Idealer Strahler/ Referenzstrahler Vollständige Absorption auftreffender Strahlung: Absorptiongrad α = 1 Maximale Emission von Strahlung in allen Richtungen: Emissionsgrad ε = 1

8 Das Stefan-Boltzmann-Gesetz Plancksches Strahlungsgesetz integriert über alle Wellenlängen ergibt die Spezifische Ausstrahlung: M T 2 2hc ch kt e d T T 0 5 M 4 T T 5 2 k 3 15h c 4 2 mit σ als Stefan-Boltzmann-Konstante.

9 Das Stefan-Boltzmann-Gesetz bildet die Grundlage der Temperaturmessung im Infrarotbereich Das Stefan-Boltzmann-Gesetz basiert auf der Strahlung eines Schwarzen Strahlers im gesamten Wellenlängenbereich. Wenn (1) das Messobjekt ein Schwarzer Strahler wäre, (2) die Thermografiekamera einen Wellenlängenmessbereich von 0 bis hätte und (3) der Messpfad keinen Strahlungsbeitrag liefern würde, dann könnte das Stefan-Boltzmann-Gesetz direkt zur Temperaturberechnung verwendet werden. T T M 4

10 Thermografisches Messszenarium

11 Auftreffende Strahlung Reale Objekte: Generelle passive Strahlungseigenschaften eines realen Messobjektes Absorptionsgrad α Reflektionsgrad ρ Transmissionsgrad τ Auftreffende Strahlung wird z.t. absorbiert. Der Rest wird z.t. reflektiert und zum anderen Teil transmittiert.

12 Der nicht absorbierte Teil 1-α teilt sich auf in Reflektionsanteil und Transmissionsanteil: 1 α = ρ + τ und daraus folgt die Gleichung α + ρ + τ = 1. Generelle aktive Strahlungseigenschaften eines realen Messobjektes. Eigenstrahlung / Emission Eigenstrahlung(ɛ)

13 Im stationären Zustand eines Messobjektes ist der Absorptiongrad gleich dem Emissionsgrad (Kirchhoffsches Gesetz) α = ε. Daraus ergibt sich für ein reales Messobjekt ε + ρ + τ = 1. Diese drei Parameter sind Oberflächeneigenschaften eines Körpers und gelten für alle auftreffende und aus dem Körper austretende Strahlung. Messumgebung Störstrahlung aus der Umgebung des Messobjektes, die vom Messobjekt reflektiert wird. ρ = 1- ε - τ

14 Messpfad Luft: ε=0, ρ =0 : τ = 1 für bestimmte Wellenlängen. (10 m, 25 C, 1013 mbar, 85 % relative Feuchte)

15 Infrarot-Kameras Entsprechend den Atmosphärischen Wellenlängenfenstern gibt es Kameras für verschiedene Wellenlängenbereiche: z.b. 3-5 μm, 7,5-14 μm

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17 Mit optomechanischer MicroScan-Funktion bis zu (2.048 x 1.536) IR-Pixeln

18 Strahlungseigenschaften von Materialien - Emissionsgrade α, ε, ρ, τ sind prinzipiell abhängig von Temperatur, Wellenlänge, Richtung und Oberflächeneigenschaften Da der Emissionsgrad ε leichter bestimmbar ist, ersetzt er den Absorptionsgrad α. In vielen Fällen sind die Messobjekte für Infrarotstrahlung undurchlässig, so dass gilt: τ = 0, ε + ρ = 1. In diesem Fall kann der Reflektionsgrad ρ ersetzt werden durch ρ = 1 - ε.

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21 Fensterglas: τ = 0, ε = 1-ρ.

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23 Anwendungsgebiete Bauwirtschaft Haus- und Klimatechnik Wartung / Instandhaltung Industrielle Entwicklung, Fertigung und Prozessüberwachung Landwirtschaft und Umweltanalytik Medizinische Diagnostik

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