Fachhochschule Flensburg Institut für Medieninformatik und Technische Informatik Eine kurze Einführung von Prof. Dipl.-Ing. Eckhard Franke
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
Spektrum Elektromagnetischer Wellen Für Infrarotstrahlung gelten die optischen Gesetze uneingeschränkt. Nur die Materialien verhalten sich dabei deutlich verschieden!
Plancksches Strahlungsgesetz Verteilung der Intensität der abgegebenen Strahlung eines Schwarzen Strahlers in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
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)]
Plancksche Strahlungskurven für verschiedene Temperaturen
Schwarzer Strahler: Idealer Strahler/ Referenzstrahler Vollständige Absorption auftreffender Strahlung: Absorptiongrad α = 1 Maximale Emission von Strahlung in allen Richtungen: Emissionsgrad ε = 1
Das Stefan-Boltzmann-Gesetz Plancksches Strahlungsgesetz integriert über alle Wellenlängen ergibt die Spezifische Ausstrahlung: M T 2 2hc ch kt e 1 4 4 d T T 0 5 M 4 T T 5 2 k 3 15h c 4 2 mit σ als Stefan-Boltzmann-Konstante.
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
Thermografisches Messszenarium
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.
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)
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
Messpfad Luft: ε=0, ρ =0 : τ = 1 für bestimmte Wellenlängen. (10 m, 25 C, 1013 mbar, 85 % relative Feuchte)
Infrarot-Kameras Entsprechend den Atmosphärischen Wellenlängenfenstern gibt es Kameras für verschiedene Wellenlängenbereiche: z.b. 3-5 μm, 7,5-14 μm
Mit optomechanischer MicroScan-Funktion bis zu (2.048 x 1.536) IR-Pixeln
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.
Fensterglas: τ = 0, ε = 1-ρ.
Anwendungsgebiete Bauwirtschaft Haus- und Klimatechnik Wartung / Instandhaltung Industrielle Entwicklung, Fertigung und Prozessüberwachung Landwirtschaft und Umweltanalytik Medizinische Diagnostik