Reale Oberflächen

Der Emissionsgrad ist für die Pyrometrie bzw. Thermografie von so zentraler Bedeutung, daß hier noch einige ergänzende Bemerkungen folgen. Im allgemeinen wird man über eine zu vermessende Oberfläche keine detaillierte Information haben. Dies bedingt für den praktischen Meßeinsatz die qualitative Kenntnis, wie sich verschiedene Oberflächen verhalten und vom Emissionsgrad einzuschätzen sind.

Metalle

Blanke Metalle haben einen sehr geringen Emissionsgrad. Außerdem gelangt in das Meßsystem durch Reflexion ein oft nicht zu vernachlässigender Anteil an Stör- bzw. Hintergrundstrahlung. Metalle sind pyrometrisch schwer zu bewerten (große Meßfehler). Sie zeigen starke Abhängigkeit der Emissivität von der Oberflächenrauhigkeit. Je rauher eine Oberfläche, um so größer der Emissionsgrad. Dies läßt sich modellhaft über Mehrfachreflexion an mikroskopischen Vertiefungen in der Oberfläche verstehen (Hohlraumeffekt). Oxidschichten setzen die Emissivität stark herauf (Al-blank E ~ 0, 2 / eloxiertes Aluminium (def. Oxidschicht) E > 0, 8). Blanke Metalle neigen zu ausgeprägter Winkelabhängigkeit. Der Emissionsgrad vieler Metalle nimmt mit steigender Wellenlänge ab. bestimmte Metalle spiegeln auch oxidiert sehr stark, besonders bei Messungen mit langwelligen Kameras.

Nichtleiter

Isolatoren, Dielektrika wie Holz, Mauerwerk, lackierte Oberflächen usw. liegen mit ihrem Emissionsgrad sehr viel näher beim Wert 1, als Metalle. Weiter haben sie neben der höheren abgestrahlten Leistung noch die angenehme Eigenschaft, eine sehr geringe Winkelabhängigkeit aufzuweisen. Ein großes E und ein damit bedingtes geringes Reflexionsvermögen sind für die Oberflächentemperaturbestimmung mit Strahlungsthermometern günstige Eigenschaften. Meist gilt die Faustformel: Mit steigender Wellenlänge nimmt der Emissionsgrad zu.

Oberflächenrauhigkeit

Wie bei den Metallen erwähnt, ist mit steigender Oberflächenrauhigkeit (mikroskopischer Hohlraumeffekt) eine Zunahme des Emissionsgrades verbunden. Bewitterung, Alterung der Oberfläche, Oxidation, Ablagerungen und Verschmutzung beeinflussen den Emissionsgrad ebenfalls stark.

Übertragungsstrecke des IR-Signals

Das IR-Signal wird durch Wasserdampf u. Kohlendioxid in der Luft, beim Passieren der Optik durch Absorption, Streuung und Reflexion gedämpft. Es existiert z.T. eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Wellenlänge. Bei kurzen Übertragungswegen und atmosphärischen Normalbedingungen kann dies fast vernachlässigt werden. Präzisionsgeräte nutzen komplizierte math. Modelle, um diesen Einfluß zu eliminieren. Hierzu muß i.d.R. die Lufttemperatur, Luftfeuchte und Entfernung ermittelt werden. Bei Entfernungen > 5 m ist der Einfluß nicht mehr vernachlässigbar.

Fenster- und Linsenmaterialien

Wärmebildkameras erzeugen, ebenso wie die ″normalen″ optischen Bildsysteme im sichtbaren Licht, über eine optische Abbildung das verkleinerte Bild einer Szene auf einem strahlungsempfindlichen Sensor und arbeiten dementsprechend mit den gleichen optischen Komponenten wie z.B. Linsen, Spiegeln, Blenden und Filtern. Da die Transmission von normalem Glas bereits ab 2 Mikrometer abnimmt es ab 4.5 µm praktisch undurchsichtig ist, kommen für die Herstellung von Linsen oder Schutzfenstern nur infrarotdurchlässige Materialien wie Silizium (Si), Germanium (Ge), Zinkselenid (ZnSe), Zinksulfid (ZnS), etc. in Frage. Durch Antireflex-Beschichtungen erreicht man Transmissionsgrade von bis zu 98%, bei goldbedampften Oberflächenspiegeln oder in optischer Qualität bearbeiteten Metallspiegeln kommt man mit dem Reflexionsgrad auf die gleiche Größenordnung. Ein hoher Transmissions- bzw. Reflexionsgrad bei Linsen, bzw. Spiegeln ist entscheidend für die Qualität des optischen Systems, weil die Objektstrahlung dann kaum geschwächt wird (hohe Temperaturauflösung) und die Elemente wenig Eigenstrahlung emittieren, die sich dem Objektsignal additiv als Störstrahlung überlagert (höhere Meßgenauigkeit). Zur Unterdrückung der aus der sichtbaren Optik bekannten Abbildungsfehler wie sphärische Aberration, chromatische Aberration, Astigmatismus, Koma, Distorsion usw. werden meist aufwendige Mehr-Element-Optiken mit refraktiven Elementen Linsen) und reflektiven Elementen (Spiegel, 'Cassegrain'-Optik) eingesetzt. Blenden schirmen Streustrahlung aus dem Inneren der Kamera und aus den Randbereichen der Linsen ab, wobei die letzte Blende vor dem Detektor bei (tief-)gekühlten Kamerasensoren mit gekühlt wird, um die Eigenstrahlung möglichst gering zu halten.
Mit Hilfe von IR-Filtern Iäßt sich die spektrale Charakteristik des Systems an die Emissionseigenschaften unterschiedlicher Meßobjekte oder an verschiedene Meßsituationen adaptieren. Bei der Messung von Kunststoffen oder Gasen reduziert man den Empfindlichkeitsbereich durch Bandpaßfilter auf die charakteristischen Absorptions-/Emissionsbanden der Materialien. Wellenlängenabhängige Störungen wie kurzwellige Sonnenreflexionen oder die selektive atmosphärische Dämpfung im Kurzwellenbereich (2...5 μm) werden durch Hochpass- oder Bandpassfilter unterdrückt. Weil Filter die einfallende Strahlungsleistung reduzieren und der Detektor folglich erst bei höheren Temperaturen in die Sättigung kommt, verwendet man sie auch zur Einstellung des gewünschten Temperaturmeßbereiches. Zoom-Objektive zur stufenlosen Vergrößerung findet man in der IR-Thermografie nicht. Sie sind speziell bei messenden Systemen kaum realisierbar, da man jede Vergrößerungsstufe individuell kalibrieren müßte. Bei einem kompletten IR-System sollte jedoch eine vernünftig abgestufte Reihe von Wechselobjektiven mit jeweils fester Brennweite zur Verfügung stehen, um verschiedene Objektgrößen, bzw. Objektabstände erfassen zu können. Es gibt Hersteller auf dem Markt, die die ganze Palette vom IR-Mikroskopvorsatz über Makrolinsen, 40°-Weitwinkel bis hin zum 2.5°-Teleobjektiv anbieten.
Muß durch Fenster gemessen werden, z.B. um Messungen im Inneren eines Ofens durchzuführen, oder um die Optik zu schützen, so kommen abhängig von der Wellenlänge und den zu erwartenden B Belastungen nur wenige Materialien in Frage. An Folien eignet sich im KW-Bereich (3...5 μm) Teflon und im LW-Bereich (7...14 μm) Polyethylen. Für thermisch belastbare Fenster kommt im LW-Bereich Germanium (Ge mit Anti-Reflexionsbeschichtung, sonst nur ca. 47% Transmission), Zink-Selenid (Zn Se, teuer) und Zink-Sulfid (Zn S, preiswerter) zum Einsatz. Für KW-Kameras eignen sich Zink-Selenid (Zn Se), Zink-Sulfid (Zn S) ebenfalls, dazu kommt noch Silizium (Si), Calcium-Fluorid (Ca F2, hohe Transmission) und Barium-Fluorid (Ba F2 ), das aber empfindlich bei thermischem Schock reagiert. Saphir ist bis max. 4μm einsetzbar. Es gibt noch eine Reihe weiterer Infrarot-durchlässiger Stoffe, auf die hier aber nicht weiter eingegangen werden soll. Tip: Praktisch bewährt haben sich bei mir auch haushaltsübliche Folien, wie Bratschlauch, der mechanisch stabil und temperaturbeständig bis über 200°C ist. Strechfolie eignet sich gut zum Schutz der Optik, wenn mit Wasser zu rechnen ist (bspw. Sprühnebel im Druckguß). Ich wickle damit gleich die ganze Kamera ein.