Einleitung
Ein Infrarotthermometer misst nicht unmittelbar die „tatsächliche“ Temperatur eines Objekts. Es erfasst vielmehr die innerhalb eines bestimmten Spektralbereichs empfangene Infrarotstrahlung und berechnet daraus die Oberflächentemperatur.
Trifft Strahlung auf ein Material, kann ein Teil absorbiert, ein Teil reflektiert und ein weiterer Teil durch das Material hindurchgelassen werden. Gleichzeitig sendet jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts eigene Wärmestrahlung aus.
Für das Verständnis berührungsloser Infrarot-Temperaturmessungen sind daher drei Größen besonders wichtig: Emissionsgrad ε, Reflexionsgrad ρ und Transmissionsgrad τ.
Diese Größen sind nicht unabhängig voneinander. Unter definierten Bedingungen hinsichtlich Wellenlänge, Richtung, Temperatur und Oberflächenzustand besteht zwischen ihnen eine klare Energiebilanz, die das Ergebnis einer Infrarotmessung unmittelbar beeinflusst.
Die wichtigsten Punkte
● Der Emissionsgrad beschreibt die Fähigkeit einer Oberfläche, Wärmestrahlung abzugeben.
● Der Reflexionsgrad beschreibt den Anteil der einfallenden Strahlung, der reflektiert wird.
● Der Transmissionsgrad beschreibt den Anteil der Strahlung, der ein Material durchdringt.
● Für einfallende Strahlung gilt zwischen Absorptionsgrad α, Reflexionsgrad ρ und Transmissionsgrad τ: α + ρ + τ = 1.
● Nach dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz gilt im thermischen Gleichgewicht für gleiche Wellenlänge und Richtung: ε = α.
● Unter diesen Bedingungen folgt: ε + ρ + τ = 1.
● Bei den meisten infrarotundurchlässigen Materialien gilt τ≈0, sodass näherungsweise ε + ρ ≈ 1 gilt.
● Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad besitzen in der Regel einen hohen Reflexionsgrad und reagieren daher empfindlicher auf reflektierte Umgebungsstrahlung.
Was ist der Emissionsgrad?
Der Emissionsgrad ε gibt an, wie stark ein realer Körper bei gleicher Temperatur Wärmestrahlung im Vergleich zu einem idealen schwarzen Körper emittiert.
Für einen idealen schwarzen Körper gilt:
ε = 1
Bei realen Materialien liegt der Emissionsgrad üblicherweise im Bereich:
0 ≤ ε ≤ 1
Viele Nichtmetalle, Beschichtungen und oxidierte Oberflächen weisen einen relativ hohen Infrarot-Emissionsgrad auf. Saubere oder polierte Metalloberflächen besitzen dagegen häufig einen deutlich niedrigeren Emissionsgrad.
Für Infrarotthermometer ist dieser Wert besonders wichtig, da das Gerät abschätzen muss, welcher Anteil der empfangenen Strahlung tatsächlich von der Messoberfläche selbst stammt.
Beträgt der reale Emissionsgrad beispielsweise 0,30, während am Messgerät 0,95 eingestellt ist, können erhebliche Temperaturabweichungen entstehen.
Der Emissionsgrad ist kein grundsätzlich unveränderlicher Materialwert. Er kann unter anderem von Wellenlänge, Temperatur, Oberflächenrauheit, Oxidation, Beschichtung und Beobachtungswinkel abhängen.
Was ist der Reflexionsgrad?
Der Reflexionsgrad ρ beschreibt den Anteil der einfallenden Strahlung, der von einer Oberfläche reflektiert wird.
Ein hoher Reflexionsgrad bedeutet, dass ein größerer Teil der Infrarotstrahlung aus der Umgebung von der Oberfläche zurückgeworfen wird.
Polierte Metalle besitzen beispielsweise im Infrarotbereich häufig einen hohen Reflexionsgrad. Bei einer Temperaturmessung kann das Infrarotthermometer deshalb nicht nur die vom Metall selbst emittierte Strahlung erfassen, sondern auch reflektierte Strahlung von Wänden, Maschinen, Heizgeräten oder sogar von Personen in der Umgebung.
Aus diesem Grund sind Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad und hohem Reflexionsgrad schwieriger zuverlässig zu messen.
Dabei darf die Reflexion im Infrarotbereich nicht mit dem optischen Erscheinungsbild im sichtbaren Licht gleichgesetzt werden. Eine für das menschliche Auge glänzende oder matte Oberfläche kann sich im Spektralbereich des Infrarotthermometers deutlich anders verhalten.
Was ist der Transmissionsgrad?
Der Transmissionsgrad τ gibt an, welcher Anteil der einfallenden Strahlung ein Material durchdringt.
Viele für Infrarotmessungen typische Feststoffe, darunter Metalle, Holz, Wände, Keramik und ausreichend dicke Kunststoffe, können im üblichen Spektralbereich von Infrarotthermometern näherungsweise als undurchlässig betrachtet werden. Dann gilt:
τ ≈ 0
Bestimmte Materialien können jedoch in einzelnen Infrarotbereichen eine erhebliche Transmission aufweisen. Dazu gehören beispielsweise bestimmte Folien, Kunststoffe und speziell entwickelte infrarotoptische Werkstoffe.
Eine hohe Transparenz im sichtbaren Licht bedeutet deshalb nicht automatisch eine hohe Infrarottransmission.
Normales Glas ist für sichtbares Licht gut durchlässig, im langwelligen Infrarotbereich vieler handgehaltener Infrarotthermometer jedoch weitgehend undurchlässig. Eine Messung durch gewöhnliches Glas liefert daher in der Regel nicht die tatsächliche Oberflächentemperatur des dahinterliegenden Objekts.
Wie hängen Emissionsgrad, Reflexionsgrad und Transmissionsgrad zusammen?
Nach dem Energieerhaltungssatz kann einfallende Strahlung im Wesentlichen drei Wege nehmen:
● Ein Teil wird vom Material absorbiert.
● Ein Teil wird an der Oberfläche reflektiert.
● Ein Teil wird durch das Material übertragen.
Daraus folgt:
α + ρ + τ = 1
Dabei gilt:
● α = Absorptionsgrad;
● ρ = Reflexionsgrad;
● τ = Transmissionsgrad.
Nach dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz gilt im thermischen Gleichgewicht bei gleicher Wellenlänge und Richtung:
ε = α
Somit ergibt sich:
ε + ρ + τ = 1
Diese Beziehung bildet eine wichtige Grundlage für das Verständnis des Strahlungsverhaltens von Materialien im Infrarotbereich.
In der Praxis sind diese Eigenschaften von der Wellenlänge abhängig. Emissionsgrad, Reflexionsgrad und Transmissionsgrad sollten daher immer für den relevanten Infrarot-Spektralbereich betrachtet werden.
Warum gilt bei undurchlässigen Materialien meist ε + ρ ≈ 1?
Bei vielen in der Infrarot-Temperaturmesstechnik üblichen Messobjekten ist die Transmission vernachlässigbar:
τ ≈ 0
Setzt man dies in
ε + ρ + τ = 1
ein, ergibt sich:
ε + ρ ≈ 1
Bei einem undurchlässigen Material bedeutet ein hoher Emissionsgrad daher in der Regel einen niedrigen Reflexionsgrad. Ein niedriger Emissionsgrad geht entsprechend mit einem höheren Reflexionsgrad einher.
Beispielhaft:
● Bei ε = 0,95 liegt ρ ungefähr bei 0,05.
● Bei ε = 0,80 liegt ρ ungefähr bei 0,20.
● Bei ε = 0,20 kann ρ ungefähr 0,80 betragen.
Diese Werte dienen lediglich der Veranschaulichung der Energiebilanz und stellen keine festen Materialkennwerte dar.
Die Beziehung erklärt zugleich, warum Oberflächen mit hohem Emissionsgrad meist einfacher berührungslos zu messen sind: Ein größerer Anteil der erfassten Strahlung stammt direkt vom Messobjekt, während reflektierte Umgebungsstrahlung weniger Einfluss hat.
Warum sind Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad schwieriger zu messen?
Angenommen, eine infrarotundurchlässige Metalloberfläche besitzt einen Emissionsgrad von nur 0,20. Unter vereinfachten Bedingungen kann ihr Reflexionsgrad ungefähr betragen:
ρ ≈ 0,80
Die Oberfläche selbst emittiert dann vergleichsweise wenig Wärmestrahlung, reflektiert jedoch einen großen Anteil der Strahlung aus ihrer Umgebung.
Befinden sich Heizgeräte, Öfen, Maschinen oder andere heiße Objekte in der Nähe, kann deren Infrarotstrahlung an der Metalloberfläche reflektiert und vom Messgerät erfasst werden.
Umgekehrt kann auch eine deutlich kühlere Umgebung die Messung eines heißen metallischen Objekts beeinflussen.
Das zentrale Problem bei niedrigen Emissionsgraden besteht daher nicht nur darin, dass die Oberfläche weniger eigene Infrarotstrahlung aussendet. Entscheidend ist vielmehr, dass reflektierte Umgebungsstrahlung einen wesentlich größeren Anteil am vom Messgerät erfassten Gesamtsignal einnehmen kann.
Bei poliertem Aluminium, Edelstahl, Kupfer und ähnlichen Oberflächen ist daher besondere Sorgfalt erforderlich.
Bedeutet ein hoher Emissionsgrad automatisch eine höhere Messgenauigkeit?
Nein.
Oberflächen mit hohem Emissionsgrad lassen sich in der Regel einfacher messen, weil ein größerer Anteil des erfassten Signals vom Messobjekt selbst stammt und reflektierte Umgebungsstrahlung weniger Einfluss hat.
Die tatsächliche Messgenauigkeit hängt jedoch von weiteren Faktoren ab:
● Korrekte Einstellung des Emissionsgrads;
● Verhältnis zwischen Messobjektgröße und Messfleck;
● Geeigneter Messabstand;
● Geeigneter Messwinkel;
● Saubere Optik;
● Dampf, Rauch oder starke Infrarot-Strahlungsquellen im Messweg;
● Gerätespezifische Messgenauigkeit und spektraler Messbereich.
Der Emissionsgrad ist somit ein wichtiger, aber nicht der einzige Einflussfaktor.
Warum darf bei transparenten Materialien nicht einfach ε + ρ = 1 verwendet werden?
Wenn ein Material im Spektralbereich des Infrarotthermometers einen nennenswerten Anteil der Strahlung überträgt, gilt:
τ ≠ 0
Dann ist die vereinfachte Beziehung
ε + ρ = 1
nicht mehr ausreichend.
Stattdessen muss die vollständige Beziehung berücksichtigt werden:
ε + ρ + τ = 1
Bei infrarotdurchlässigen Materialien kann der Detektor gleichzeitig Eigenstrahlung des Materials, reflektierte Umgebungsstrahlung und Strahlung von Objekten hinter dem Material erfassen.
Die Auswertung ist deshalb deutlich komplexer als bei undurchlässigen Messobjekten.
Bei Messungen durch Fenster, Folien oder andere transparente Medien muss die spektrale Transmission des Materials im tatsächlichen Arbeitsbereich des Infrarotthermometers bekannt sein. Die optische Transparenz im sichtbaren Licht allein reicht nicht aus.
Sind sichtbare Farbe und Infrarot-Emissionsgrad dasselbe?
Nein.
Die sichtbare Farbe eines Materials wird im Wesentlichen durch Absorption und Reflexion im sichtbaren Wellenlängenbereich von etwa 380 bis 780 nm bestimmt. Infrarotthermometer arbeiten dagegen bei deutlich größeren Wellenlängen.
Daraus folgt:
● Ein schwarzes Objekt besitzt nicht zwangsläufig in allen Infrarotbereichen denselben hohen Emissionsgrad.
● Ein weißes Objekt besitzt nicht automatisch einen niedrigen Infrarot-Emissionsgrad.
● Ein für das Auge transparentes Material kann im Infrarotbereich undurchlässig sein.
● Eine optisch wenig reflektierende Oberfläche kann im Infrarot dennoch einen erheblichen Reflexionsgrad besitzen.
Für Infrarot-Temperaturmessungen sind daher die Strahlungseigenschaften im tatsächlichen Arbeitsbereich des Messgeräts entscheidend, nicht allein Farbe oder optischer Eindruck.
Welche praktische Bedeutung haben diese Größen für Infrarotmessungen?
Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen ε, ρ und τ hilft dabei, typische Ursachen für Messabweichungen zu erkennen.
● Oberflächen mit hohem Emissionsgrad, niedrigem Reflexionsgrad und niedrigem Transmissionsgrad lassen sich in der Regel besonders gut berührungslos messen.
● Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad und hohem Reflexionsgrad werden stärker von Umgebungsstrahlung beeinflusst.
● Infrarotdurchlässige Materialien können dazu führen, dass der Detektor zusätzlich Strahlung von Objekten hinter dem Material erfasst.
● Bei glänzenden Metallen reicht korrektes Ausrichten des Messgeräts allein häufig nicht für eine zuverlässige Messung aus.
● Vor Messungen durch Glas oder andere transparente Materialien muss deren Transmission im Arbeitsbereich des Infrarotthermometers geprüft werden.
● Bei Geräten mit einstellbarem Emissionsgrad sollte der Wert möglichst an Material und tatsächlichen Oberflächenzustand angepasst werden.
Bei stark reflektierenden Oberflächen sollte außerdem geprüft werden, ob sich heiße Objekte oder andere intensive Infrarotquellen in der Umgebung befinden.
FAQ
Ergeben Emissionsgrad und Reflexionsgrad immer zusammen 1?
Nein. Die Näherung ε+ρ≈1 gilt nur für Materialien, deren Transmissionsgrad im relevanten Infrarotbereich praktisch null ist. Bei signifikanter Transmission gilt die vollständige Beziehung ε+ρ+τ=1.
Bedeutet ein niedriger Emissionsgrad, dass das Objekt eine niedrige Temperatur hat?
Nein. Der Emissionsgrad beschreibt das Strahlungsvermögen einer Oberfläche und nicht deren Temperatur. Zwei gleich warme Objekte können aufgrund unterschiedlicher Emissionsgrade unterschiedlich starke Infrarotstrahlung aussenden.
Warum beeinflusst ein hoher Reflexionsgrad die Temperaturmessung?
Weil das Infrarotthermometer auch Strahlung aus der Umgebung erfassen kann, die von der Messoberfläche reflektiert wird. Je höher der Reflexionsgrad, desto stärker kann sich die Umgebung auf das Messergebnis auswirken.
Besitzt ein transparentes Material immer einen hohen Transmissionsgrad?
Nein. Transparenz ist wellenlängenabhängig. Ein Material kann für sichtbares Licht transparent, für Infrarotstrahlung jedoch undurchlässig sein oder umgekehrt.
Warum sind polierte Metalle mit einem Infrarotthermometer schwer zu messen?
Polierte Metalle besitzen häufig einen niedrigen Infrarot-Emissionsgrad und einen hohen Reflexionsgrad. Reflektierte Umgebungsstrahlung kann deshalb einen erheblichen Anteil am Messsignal ausmachen und zu großen Abweichungen führen.
Zusammenfassung
Emissionsgrad, Reflexionsgrad und Transmissionsgrad beschreiben die grundlegenden Wechselwirkungen eines Materials mit Strahlungsenergie.
Für einfallende Strahlung gilt:
α + ρ + τ = 1
Im thermischen Gleichgewicht gilt nach dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz:
ε = α
Daraus folgt:
ε + ρ + τ = 1
Bei den meisten undurchlässigen Messobjekten gilt τ≈0, sodass näherungsweise:
ε + ρ ≈ 1
gilt.
Diese Beziehung erklärt, warum Oberflächen mit hohem Emissionsgrad im Allgemeinen leichter zuverlässig zu messen sind, während Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad und hohem Reflexionsgrad wesentlich empfindlicher auf Umgebungsstrahlung reagieren.
Für zuverlässige Messungen müssen daher neben dem Material auch Oberflächenzustand, Spektralbereich des Messgeräts, Messwinkel und thermische Umgebung berücksichtigt werden. Farbe, Materialbezeichnung oder sichtbare Transparenz allein reichen für eine korrekte Beurteilung nicht aus.
