Emissionsgrad nur ca. 85%. Dementsprechend ist in diesem Wellenlängenbereich eine erhebliche Reflexion (bei 9,5 μm sogar ca. 30%) zu erwarten. Die spektralen strahlungsphysikalischen Parameter sind in der folgenden Grafik dargestellt.
Abb. 46: spektrale strahlungsphysikalische Eigenschaften von Fensterglas (Quarzglas) (mit freundlicher Unterstützung der InfraTec GmbH, www.InfraTec.de [A15], durch Autor bearbeitet)
1.4.4. Einfluss der Übertragungsstrecke
Da es sich bei der Infrarot-Temperaturmessung und der Thermografie um berührungslose Messverfahren handelt, muss die zugrundeliegende (zu detektierende) Wärmestrahlung (abgesehen von Messungen im Vakuum) durch ein Medium vom Messobjekt bis zum Messsystem gelangen. Die strahlungsphysikalischen Eigenschaften des Übertragungsmediums beeinflussen natürlich die übertragene Strahlungsmenge (und deren Zusammensetzung), und damit gleichzeitig auch das angestrebte Messergebnis. In den meisten Fällen ist dieses Medium Luft, es können jedoch auch andere Materialien (z. B. spezielle -Infrarotstrahlung-durchlässige - Messfenster) in der Messstrecke vorhanden sein. Im Fall von Luft ist die Übertragung der Infrarotstrahlung hauptsächlich durch die mit höchster Konzentration vorhandenen Bestandteile der Atmosphäre - also durch Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid - und derer spektraler Absorptionseigenschaften beeinflusst. (Natürlich beeinflussen Verschmutzung und Temperatur der Luft auch die Übertragungseigenschaften!)
Abb. 47: spektrale Transmission der Atmosphäre (1 ... 500 m, 25 °C, 1013 mbar, 85 % r.F.) weiße Flächen: links mittelwelliges, rechts langwelliges atmosphärisches Fenster (mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr. Lutz Bannehr [A16])
Abb. 48: spektrale Absorption der Hauptbestandteile der Atmosphäre (>100 m, 25 °C) weiße Flächen: links mittelwelliges, rechts langwelliges atmosphärisches Fenster
Die obige Abbildung (Abb. 48) zeigt, dass die Transmission der Luft - abhängig von der Wellenlänge der zu übertragenden Strahlung - sehr unterschiedlich ist. Neben Bereichen mit starken Übertragungsverlusten können auch gut übertragende Bereiche (mit weißer Hintergrund hervorgehoben) beobachtet werden. Letztere werden auch als atmosphärische Fenster bezeichnet. Während der Transmissionsgrad im lang - welligen atmosphärischen Fenster im Bereich von 7,5 bis 14 μm eine nahezu perfekte Übertragung über große Entfernungen ermöglicht (daher auch der Name „fernes Infrarot”), gibt es im Wellenlängenbereich von 3 bis 5,5 μm - dem mittelwelligen atmosphärischen Fenster - durch die Atmosphäre verursachte messbare Verluste schon in Entfernungen von einigen zehn Metern. Speziell für Hochtemperaturmessungen und für Messungen an Metallen wird auch das kurzwellige atmosphärische Fenster zwischen 0,8 und 2 μm verwendet. Letzteres wird oft auch mit dem Synonym „nahes Infrarot” benannt.
In vielen Veröffentlichungen ist das langwellige atmosphärische Fenster begrenzt auf 8 ... 14 μm oder auf nur 8 ... 13 μm. Diese Unterschiede sind darauf zurückzuführen, wie streng das Fenster auf die höchst - mögliche Transmission begrenzt wird, welche zwischen 8 und 12 μm sogar fast 100% beträgt. Eine Erweiterung der Bereichsgrenzen (d.h. Erweiterung des spektralen Erfassungsbereiches) führt zu einer höheren Empfindlichkeit des Messgerätes. Dies ist besonders nützlich, wenn niedrige Temperaturen gemessen werden, da nur wenig Strahlung emittiert wird und daher das Signal-Rausch-Verhältnis relativ ungünstig ist. In diesem Fall wird üblicherweise eher der störende Einfluss der Atmosphäre akzeptiert, statt das messbare Signal einzuschränken. Details hierzu sind im nächsten Abschnitt zu finden.
1.4.5. Wellenlängenbereiche der Messsysteme
Da bei der berührungslosen Temperaturmessung die Luft das häufigste und (von den seltenen Messungen im Vakuum abgesehen) immer vorhandene Übertragungsmedium ist, können auf Wärmestrahlung basierende Messungen nur mit Wellenlängenbereichen entsprechend der atmosphärischen Fenster vorgenommen werden. Andernfalls würde es keine eindeutige Korrelation zwischen der gemessenen Strahlung und der Temperatur des Objekts geben, da dem Wienschen Verschiebungsgesetz zufolge die sich in ihrer Wellenlänge ändernde intensivste Objektstrahlung durch die absorbierenden oder eben gut übertragenden Wellenlängenbereiche der Luft temperaturabhängig unterschiedlich zum Messsystem übertragen werden würde. Somit würde die vom Messinstrument erfasste Strahlungsintensität nicht nur von der Temperatur des Objekts abhängen, sondern auch von den wellenlängenabhängigen Übertragungseigenschaften der Luft.
Außerdem würde die Luft nach dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz aufgrund ihrer Emissionsfähigkeit in ihren Absorptionsbändern entsprechend auch eine ihrer Temperatur entsprechende „eigene” Strahlung emittieren. Dieser Umstand, sowie die vorgenannte wellenlängenabhängige Absorption, stellen die Strahlungsmessung beeinflussende Faktoren dar, die ohne eine Erfassung der spektralen Zusammensetzung der Strahlung nicht einmal mathematisch ausreichend korrigiert werden könnten.
Um dieses Problem zu überwinden, werden thermografische Systeme entweder für das langwelligen atmosphärische Fenster (Wellenlängenbereich 8 ... 14 µm) oder für das mittelwellige atmosphärische Fenster (Wellenlängenbereich 3 ... 5 µm) ausgelegt. Ihre Bezeichnung ist dementsprechend „langwellige” oder „mittelwellige” Wärmebildkamera. Thermokameras in kurzwelligen Wellenlängen (0,8 ... 2 μm) kommen ebenfalls zum Einsatz, sind allerdings weniger verbreitet.
Abb. 49: Darstellung der atmosphärischen Fenster im infraroten Strahlungsspektrum
Der spektrale Messbereich der berührungslosen Temperaturmessgeräte deckt somit stets nur einen (schmalen) Teil des gesamten, vom Objekt emittierten Strahlungsspektrums ab. Die Auswirkung dieser Eingrenzung auf die Empfindlichkeit der Messsysteme ist in der folgenden Abbildung für die genannten - den atmosphärischen Fenstern entsprechenden - Wellenlängenbereiche dargestellt.
Abb. 50: detektierbarer Strahlungsfluss bei Begrenzung der Wellenlängenbereiche (mit freundlicher Unterstützung der InfraTec GmbH, www.InfraTec.de [A17], durch Autor bearbeitet)
Es ist leicht zu erkennen, dass der Mittelwellenbereich (3 ... 5 μm) für niedrige Temperaturen relativ unempfindlich ist. Über 350 °C ist dagegen die Empfindlichkeit dieses Wellenlängenbereiches höher als die des langwelligen Bereiches (8 ... 14 μm). Grund dafür ist, dass sich die intensivste Strahlung dem Wienschen Verschiebungsgesetz entsprechend immer mehr in Richtung der kürzeren Wellenlängen verschiebt. Für die Tieftemperaturerfassung (z.B. Industrieanlagen, Tanks, Kühlhäuser) ist der langwellige Bereich am besten geeignet. (Hinweis: Hohe Temperaturen können mit langwelligen Systemen vergleichbar gut wie mit mittelwelligen Messgeräten erfasst werden, da typischerweise große Strahlungsmengen emittiert werden, so dass ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis auch im langwelligen Bereich vorliegt).
Die Übertragung der Infrarotstrahlung wird im Mittelwellenbereich schon auf kurze Entfernungen (bereits auf wenigen Metern) stark durch die in der Atmosphäre enthaltenen Medien Wasserdampf und Kohlendioxid abgeschwächt. Was als Nachteil erscheint, hat auch Positives:
