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Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen 2 Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen 2.1 Thermographie in Wärmebildgeräten oder Thermografiekameras Funktionsprinzip: Feste Oberflächen strahlen über der absoluten Nullpunkttemperatur (-273,15°C) elektromagnetische Strahlung aus. Je nach Oberflächentemperatur besitzt diese Strahlung eine be- stimmte Wellenlänge und Intensität (nach Stefan und Boltzmann). Vereinfacht kann man sagen, dass die Atome oder Moleküle im Feststoff bei Temperaturen über 0 Kelvin um ihre Gleichgewichtslage schwingen. Dabei wirken sie wie hertzsche Dipole und senden elektromagnetische Wellen aus, die als Wärmestrahlung nachweisbar ist. Mit höherer Temperatur werden die Schwingungen stärker, die elektromagnetische Strahlung intensiver und ihre Wellenlänge nimmt ab. Jeder Körper strahlt in Abhängigkeit von seiner Temperatur in einem bestimmten Wellenlän- genbereich und besitzt ein Ausstrahlungsmaximum bei einer temperaturabhängigen Wellen- länge. Das Plancksche Strahlungsgesetz bietet die genaue Beschreibung dieser Eigenschaf- ten. Demnach strahlen heißere Körper stärker, in einem größeren Wellenlängenbereich und haben ihr Ausstrahlungsmaximum bei kürzeren Wellenlängen. Über die Strahlungsintensität kann damit nach dem Gesetz von Stefan und Boltzmann, die Temperatur eines Objektes berührungslos bestimmt werden. Dabei gilt, dass mit kühler wer- dendem Material sich das Licht in den langwelligen Spektralbereich verschiebt. Stefan – Boltzmann – Gesetz: 4 P = ε × σ × A× ( T ) Formel 2.1.1 Nach dem Gesetz sendet der Strahler über 0 Kelvin Strahlung aus, deren Leistung mit zu- nehmender Temperatur mit der vierten Potenz steigt. Dies ist auch der Hauptgrund, weshalb sich die Thermographie so hervorragend für die Temperaturbestimmung nutzen lässt und eine sehr hohe Genauigkeit erzielt. Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist der Emissionsgrad des strahlenden Körpers. Als Stoff- kennzahl bietet er den Vergleich zum schwarzen Strahler (ε=1) und damit ein Verhältnis zwischen realer und idealer ausgesandten Strahlung. In Abhängigkeit von Material, Spektralbe- reich ∆λ, Temperatur, Oberflächenbeschaffenheit und Abstrahlrichtung ändert sich der Emis- sionsgrad und verschlechtert dabei gegebenenfalls die Messgenauigkeit. 23
Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen Thermografiekameras arbeiten im Infrarotbereich bei Wellenlängen zwischen 3 bis 14 µm. Die Strahlung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar und entspricht Temperaturen von unter 600°C. Bei solch geringen Temperaturen wird das Energieangebot der Strahlung sehr gering und die Anforderungen an die Sensoren sind ungleich größer als bei höheren Temperaturen. Die Sensoren sollen die empfangene Strahlung in elektrische Signale umwandeln, die am Ende das Bild ergeben. Da sie in jedem Fall eine eigene Temperatur besitzen, senden sie selbst ebenfalls Infrarot-Strahlung aus und es kommt zu einem Rauschen was die eigentlichen Temperaturmessungen stark negativ beeinflusst. Um diesen Effekt zu minimieren, arbeiten diese hochauflösenden Kameras mit gekühlten Sensoren (bei ca. 80K), die nur ein minima- les eigenes Rauschen besitzen. Kühlmittel ist zumeist Stickstoff. Es existieren auch einfa- chere Geräte ohne gekühlte Sensoren, diese sind aber für Messanwendungen generell un- geeignet. Im nichtsichtbaren Spektralbereich verwendet man Graustufen zur Temperaturunterteilung. Für den Benutzer werden diese Graustufen häufig mit Falschfarben verändert, um eine bes- sere Auswertung zu ermöglichen. Anwendungen: Vorteile: � Im zivilen Bereich: Isolationsprüfungen, Energie- und Wärmeverteilungen, Ris- se in Rohrleitungen, Brandherde in verrauchten Gebäuden entdecken, For- schung und Entwicklung und auch in der Medizin � Im militärischen Bereich: getarnte Objekte oder Personen aufspüren � Berührungsloses Messverfahren � hochgenaue Temperaturauflösung (0,05K) � Schnelllaufende Prozesse wie Verbrennungen oder Explosionen erfassbar � flächenförmige Messung � Kameragröße mit gewöhnlichen Videokameras vergleichbar � kein Einfluss auf das zu messende Objekt � je nach Speichergröße beliebig viele Bilder in kurzen Zeitintervallen möglich (0,8s) � auch Echtzeitthermographie möglich, Kameras aber noch teurer � Bilder sehr leicht mit PC verarbeitbar, Kameras verfügen über entsprechende Ausgänge 24
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