Einleitung

Infrarot-Thermometer bestimmen die Oberflächentemperatur eines Objekts berührungslos, indem sie dessen infrarote Wärmestrahlung erfassen. Die Beziehung zwischen gemessener Strahlung und Temperatur ist jedoch nicht für jedes Material identisch, da unterschiedliche Oberflächen Wärme unterschiedlich effizient abstrahlen.

Für eine eindeutig beschreibbare Beziehung zwischen Temperatur und Wärmestrahlung verwendet die Strahlungsphysik ein ideales Referenzmodell: den Schwarzkörper.

Der Schwarzkörper stellt die grundlegende Referenz der Strahlungsthermometrie dar. Seine spektralen Strahlungseigenschaften lassen sich bei gegebener Temperatur durch physikalische Gesetze exakt beschreiben. Infrarot-Thermometer verwenden diese Zusammenhänge als theoretische Grundlage und berücksichtigen bei realen Oberflächen zusätzlich Größen wie den Emissionsgrad.

Wichtige Punkte

● Ein Schwarzkörper ist ein idealer Wärmestrahler mit einem Emissionsgrad ε = 1.
● Mit der Temperatur ändern sich sowohl Intensität als auch spektrale Verteilung der Wärmestrahlung.
● Das Plancksche Strahlungsgesetz beschreibt die spektrale Strahlung eines Schwarzkörpers in Abhängigkeit von Wellenlänge und Temperatur.
● Infrarot-Thermometer erfassen Strahlung innerhalb eines definierten Spektralbereichs und berechnen daraus die Temperatur.
● Reale Oberflächen sind keine idealen Schwarzkörper; daher müssen Emissionsgrad und reflektierte Umgebungsstrahlung berücksichtigt werden.
● Schwarzkörperstrahler werden zur Kalibrierung und Funktionsprüfung von Infrarot-Thermometern eingesetzt.

Was ist ein Schwarzkörper?

Ein Schwarzkörper ist in der Strahlungsphysik ein idealisiertes Objekt, das einfallende elektromagnetische Strahlung vollständig absorbiert, ohne sie zu reflektieren oder zu transmittieren.

Gleichzeitig besitzt er bei gegebener Temperatur das maximal mögliche thermische Emissionsvermögen.

Der Emissionsgrad ε beschreibt die Strahlungsfähigkeit einer realen Oberfläche im Verhältnis zu einem idealen Schwarzkörper:

ε = Strahlung der realen Oberfläche ÷ Strahlung eines Schwarzkörpers gleicher Temperatur

Für einen idealen Schwarzkörper gilt:

ε = 1

Für reale Objekte gilt:

0 < ε < 1

Der Begriff „Schwarzkörper“ bedeutet daher nicht einfach, dass ein Objekt optisch schwarz erscheint. Er beschreibt vielmehr ein physikalisches Modell seines Strahlungsverhaltens.

Eine im sichtbaren Bereich schwarze Oberfläche muss im Infrarotbereich keinen Emissionsgrad von 1 besitzen. Umgekehrt kann eine optisch helle Oberfläche einen hohen Infrarot-Emissionsgrad aufweisen.

Was ist Schwarzkörperstrahlung?

Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts besitzt thermische Bewegung auf atomarer und molekularer Ebene und gibt Energie in Form elektromagnetischer Strahlung ab.

Die von einem idealen Schwarzkörper bei einer bestimmten Temperatur abgegebene Wärmestrahlung wird als Schwarzkörperstrahlung bezeichnet.

Sie verteilt sich über einen Wellenlängenbereich. Mit steigender oder fallender Temperatur verändern sich sowohl die Intensität als auch die spektrale Energieverteilung.

Grundsätzlich gilt:

● Mit zunehmender Temperatur steigt die gesamte abgestrahlte Energie.
● Eine Temperaturänderung verändert die spektrale Verteilung.
● Mit steigender Temperatur verschiebt sich das Maximum der Strahlung zu kürzeren Wellenlängen.

Diese eindeutige physikalische Beziehung macht eine berührungslose Temperaturbestimmung über die Wärmestrahlung möglich.

Warum ist das Plancksche Strahlungsgesetz für die Infrarotmessung grundlegend?

Eines der wichtigsten Gesetze zur Beschreibung der Schwarzkörperstrahlung ist das Plancksche Strahlungsgesetz.

Es beschreibt die spektrale Strahldichte eines Schwarzkörpers bei einer bestimmten absoluten Temperatur T und Wellenlänge λ.

Vereinfacht lässt sich der Zusammenhang darstellen als:

L(λ,T) = f(λ,T)

Dabei gilt:

● L bezeichnet die spektrale Strahldichte;
● λ bezeichnet die Wellenlänge;
● T bezeichnet die absolute Temperatur in Kelvin.

Unter idealen Schwarzkörperbedingungen lässt sich ein gemessenes Strahlungssignal somit einer Temperatur zuordnen.

Dieser Zusammenhang bildet eine wesentliche Grundlage der modernen Strahlungsthermometrie.

Wie bestimmt ein Infrarot-Thermometer die Temperatur aus der Strahlung?

Ein Infrarot-Thermometer besteht typischerweise aus einem optischen System, einem Infrarotdetektor, einer Signalverarbeitung und einem Temperaturberechnungsalgorithmus.

Der Messablauf lässt sich vereinfacht wie folgt beschreiben:

● Das Messobjekt emittiert Infrarotstrahlung.
● Das optische System sammelt Strahlung aus einem definierten Sichtfeld.
● Der Detektor wandelt die Strahlung in ein elektrisches Signal um.
● Das Gerät verarbeitet dieses Signal unter Berücksichtigung von Detektoreigenschaften, Spektralbereich, Emissionsgrad und Kalibrierdaten.
● Anschließend wird das Signal in eine angezeigte Oberflächentemperatur umgerechnet.

Ein Infrarot-Thermometer misst die Temperatur daher nicht direkt.

Es erfasst Infrarotstrahlung und berechnet daraus anhand eines Strahlungsmodells die Temperatur.

Warum können reale Objekte nicht wie ideale Schwarzkörper behandelt werden?

Die meisten realen Oberflächen sind keine idealen Schwarzkörper.

Bei gleicher Temperatur emittieren sie in der Regel weniger Strahlung als ein Schwarzkörper. Dieser Unterschied wird über den Emissionsgrad ε berücksichtigt.

Vereinfacht gilt:

Strahlung einer realen Oberfläche ≈ ε × Schwarzkörperstrahlung gleicher Temperatur

Zwei Oberflächen können beispielsweise beide 100 °C warm sein, aber aufgrund unterschiedlicher Emissionsgrade deutlich unterschiedliche Infrarotsignale erzeugen.

Wird am Infrarot-Thermometer ein falscher Emissionsgrad eingestellt, kann das Gerät Unterschiede in der Strahlungsfähigkeit fälschlicherweise als Temperaturunterschied interpretieren.

Das Messgerät empfängt nicht nur die Eigenstrahlung des Objekts

Eine reale Infrarotmessung ist komplexer als die vereinfachte Beziehung ε × Schwarzkörperstrahlung.

Bei vielen undurchsichtigen Oberflächen kann die vom Messgerät empfangene Strahlung enthalten:

● Eigenstrahlung der Messoberfläche;
● Von der Oberfläche reflektierte Wärmestrahlung der Umgebung;
● Absorption oder Emission durch Wasserdampf, Rauch, Staub oder andere Medien im Strahlengang.

Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad reagieren besonders empfindlich auf reflektierte Umgebungsstrahlung.

Poliertes Aluminium, Edelstahl oder Kupfer besitzen häufig einen niedrigen und stark oberflächenabhängigen Emissionsgrad. Dadurch können Strahlungsanteile von Maschinen, Wänden, Personen oder heißen Objekten in das Messergebnis einfließen.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Schwarzkörper und Emissionsgrad?

Der Schwarzkörper bildet die Referenz für die Definition des Emissionsgrads.

Für den idealen Schwarzkörper gilt:

ε = 1

Emittiert eine reale Oberfläche unter gleichen Bedingungen etwa 80 % der Strahlung eines Schwarzkörpers gleicher Temperatur, kann näherungsweise gelten:

ε ≈ 0,80

Der Emissionsgrad beschreibt somit, wie stark eine reale Oberfläche im Vergleich zum idealen Schwarzkörper Wärmestrahlung emittiert.

Er kann unter anderem beeinflusst werden durch:

● Material;
● Oberflächenrauheit;
● Oxidation;
● Beschichtungen und Verschmutzungen;
● Wellenlänge;
● Oberflächentemperatur;
● Beobachtungswinkel.

Ein Material besitzt daher nicht zwingend unter allen Bedingungen einen einzigen festen Emissionsgrad.

Warum senden auch Objekte bei Raumtemperatur Infrarotstrahlung aus?

Schwarzkörperstrahlung tritt nicht nur bei glühenden Metallen oder heißen Öfen auf.

Auch Gegenstände bei Raumtemperatur geben kontinuierlich Wärmestrahlung ab. Der größte Teil liegt im Infrarotbereich und ist für das menschliche Auge unsichtbar.

Bei einem Schwarzkörper mit etwa 300 K liegt das Strahlungsmaximum ungefähr bei 10 μm.

Dies ist ein wichtiger physikalischer Hintergrund dafür, dass viele Infrarot-Messsysteme für niedrige und mittlere Temperaturen im mittel- oder langwelligen Infrarotbereich arbeiten.

Warum nimmt die Wärmestrahlung mit steigender Temperatur zu?

Die abgegebene Strahlungsleistung steigt mit der Temperatur deutlich an.

Für einen idealen Schwarzkörper ist die gesamte abgestrahlte Leistung proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur. Dies beschreibt das Stefan-Boltzmann-Gesetz:

E = σT⁴

Dabei gilt:

● E ist die gesamte Strahlungsleistung pro Fläche;
● σ ist die Stefan-Boltzmann-Konstante;
● T ist die absolute Temperatur.

Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Strahlung ist somit nicht linear.

Infrarot-Thermometer erfassen in der Praxis nicht das gesamte Spektrum, sondern einen festgelegten Spektralbereich und berechnen daraus anhand ihrer Kalibrierung die Temperatur.

Warum werden Schwarzkörper zur Kalibrierung von Infrarot-Thermometern eingesetzt?

Da die Beziehung zwischen Temperatur und Strahlung beim Schwarzkörper eindeutig beschrieben ist, werden praktische Schwarzkörperstrahler oder Schwarzkörper-Kalibratoren als Referenzquellen eingesetzt.

Ein typisches System soll gewährleisten:

● Einen hohen und stabilen effektiven Emissionsgrad;
● Eine gleichmäßige und stabile Zieltemperatur;
● Eine bekannte Referenztemperatur;
● Eine geeignete Hohlraum- oder Oberflächengeometrie;
● Definierte Messbedingungen.

Zur Kalibrierung wird das Infrarot-Thermometer auf einen Schwarzkörper bekannter Temperatur ausgerichtet:

Schwarzkörper-Referenztemperatur ↔ Anzeige des Infrarot-Thermometers

Mehrere Temperaturpunkte ermöglichen die Beurteilung von Messabweichung, Wiederholbarkeit und Kalibrierzustand.

Entspricht die Schwarzkörpertemperatur immer der Anzeige des Infrarot-Thermometers?

Unter idealen Bedingungen sollte die Anzeige innerhalb der spezifizierten Messabweichung mit der Referenztemperatur übereinstimmen, wenn:

● Die Schwarzkörpertemperatur korrekt und stabil ist;
● Der effektive Emissionsgrad nahe 1 liegt;
● Der Emissionsgrad am Messgerät korrekt eingestellt ist;
● Messabstand und Messfleckgröße geeignet sind;
● Die Schwarzkörperfläche das Sichtfeld vollständig ausfüllt;
● Umgebungs- und Strahlengangeinflüsse kontrolliert werden.

In der Praxis müssen dennoch effektiver Emissionsgrad, Temperaturhomogenität, Messabstand, Messfleck, Hintergrundstrahlung, Spektralantwort und Unsicherheit der Referenztemperatur berücksichtigt werden.

Warum ist die Schwarzkörpertheorie bei reflektierenden Metallen besonders wichtig?

Polierte Metalle zeigen besonders deutlich den Unterschied zwischen idealem Schwarzkörper und realer Oberfläche.

Viele glänzende Metalle besitzen einen niedrigen Infrarot-Emissionsgrad und weichen daher stark vom Idealwert ε = 1 ab.

Ein niedriger Emissionsgrad bedeutet:

● Geringere Eigenstrahlung des Objekts;
● Höheren Einfluss reflektierter Umgebungsstrahlung;
● Größere Empfindlichkeit gegenüber Fehlern bei der Emissionsgradeinstellung;
● Mögliche Messwertänderungen durch Winkel oder nahe Wärmequellen.

Bei poliertem Aluminium, Kupfer oder Edelstahl sollten Emissionsgrad und reflektierte Hintergrundstrahlung daher besonders sorgfältig berücksichtigt werden.

Falls der Prozess dies zulässt, können hoch emittierende Beschichtungen, geeignetes schwarzes Klebeband oder andere Oberflächen mit bekanntem Emissionsgrad eine stabilere Messfläche schaffen.

Ist ein schwarzer Gegenstand automatisch ein Schwarzkörper?

Nein.

Die sichtbare Farbe eines Objekts beschreibt sein Verhalten im sichtbaren Spektralbereich. Der Begriff Schwarzkörper beschreibt dagegen dessen Absorptions- und Emissionseigenschaften im relevanten elektromagnetischen Spektralbereich.

Daher gilt:

● Eine optisch schwarze Oberfläche muss keinen Infrarot-Emissionsgrad von 1 besitzen.
● Eine optisch helle Oberfläche kann einen hohen Infrarot-Emissionsgrad haben.
● Für die Infrarotmessung ist der Emissionsgrad im Messband des Geräts entscheidend, nicht die sichtbare Farbe.

Welchen praktischen Nutzen hat das Verständnis der Schwarzkörperstrahlung?

Das Verständnis der Schwarzkörperstrahlung erklärt, warum Infrarotmessungen von Oberflächeneigenschaften und Umgebungsbedingungen beeinflusst werden.

● Emissionsgrad: Reale Oberflächen emittieren anders als ein idealer Schwarzkörper.
● Reflexionsfehler: Niedrig emittierende Oberflächen reflektieren stärker die Wärmestrahlung ihrer Umgebung.
● Spektralbereich: Das Strahlungsspektrum ändert sich mit der Temperatur, während das Messgerät nur einen bestimmten Wellenlängenbereich erfasst.
● Kalibrierung: Schwarzkörperstrahler liefern stabile und reproduzierbare Referenzbedingungen.
● Oberflächenfarbe: Sichtbare Farbe und Infrarot-Emissionsgrad sind unterschiedliche physikalische Eigenschaften.

FAQ

Ist ein Schwarzkörper ein tatsächlich existierendes Spezialmaterial?
Ein idealer Schwarzkörper ist ein theoretisches Modell. Reale Kalibratoren können sich diesem Verhalten mithilfe geeigneter Hohlräume und hoch emittierender Oberflächen jedoch sehr stark annähern.

Misst ein Infrarot-Thermometer direkt die Schwarzkörpertemperatur?
Nein. Die Schwarzkörperstrahlung bildet die theoretische Grundlage. Bei realen Objekten müssen zusätzlich Emissionsgrad, Reflexion, Spektralantwort und Kalibrierung berücksichtigt werden.

Liefert eine Einstellung des Emissionsgrads auf 1 immer korrekte Ergebnisse?
Nein. Dies ist nur sinnvoll, wenn der effektive Emissionsgrad der Oberfläche tatsächlich nahe 1 liegt.

Hat eine schwarze Oberfläche immer einen höheren Emissionsgrad als eine weiße?
Nein. Die sichtbare Farbe erlaubt keine direkte Aussage über den Emissionsgrad im Infrarotbereich.

Warum werden Schwarzkörper häufig zur Kalibrierung eingesetzt?
Weil sie eine definierte und reproduzierbare Beziehung zwischen Temperatur und Wärmestrahlung bereitstellen.

Gilt das Plancksche Strahlungsgesetz auch für reale Objekte?
Es beschreibt streng genommen den idealen Schwarzkörper. Bei realen Oberflächen müssen zusätzlich deren spektraler Emissionsgrad sowie Reflexions- und gegebenenfalls Transmissionseigenschaften berücksichtigt werden.

Fazit

Die Schwarzkörperstrahlung ist eine zentrale theoretische Grundlage der Infrarot-Temperaturmessung.

Beim idealen Schwarzkörper ist die spektrale Strahlung bei einer bestimmten Temperatur eindeutig durch physikalische Gesetze definiert. Das Plancksche Strahlungsgesetz beschreibt dabei den grundlegenden Zusammenhang zwischen Temperatur, Wellenlänge und spektraler Strahldichte.

Reale Messobjekte sind jedoch keine idealen Schwarzkörper. Deshalb müssen bei praktischen Messungen Emissionsgrad, reflektierte Umgebungsstrahlung, Spektralbereich, Messfleck und optische Bedingungen berücksichtigt werden.

Der Schwarzkörper kann somit als theoretischer Referenzmaßstab der Strahlungsthermometrie verstanden werden und bildet die Grundlage für Emissionsgrad, Temperaturberechnung, Kalibrierung und Funktionsprüfung.