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Der Schwarze Körper ist der ideale Kalibrator eines Infrarotthermometers. Dies liegt daran, dass Schwarze Körper einen Emissionsgrad von 1,000 haben.
Ein perfektes Schwarzkörper Nur ein perfekter Schwarzkörper hätte einen Emissionsgrad von 1,000. Dies wäre der Fall in einem System, in dem kein Licht oder keine Strahlung entweichen kann und die gesamte Strahlung dauerhaft im Inneren verbleibt. In der Realität existiert kein perfekter Schwarzkörper für die Infrarot-Thermometrie, da es in einem solchen System keine Öffnung für Messungen gäbe. Dennoch eignet sich der perfekte Schwarzkörper gut zur Modellierung von Wärmestrahlung.
Der Emissionsgrad ist das Verhältnis der von einem bestimmten Material abgestrahlten Energie zur Energie eines schwarzen Körpers gleicher Temperatur. Ein echter schwarzer Körper hätte einen Emissionsgrad von 1, während jeder reale Gegenstand einen Emissionsgrad < 1 hätte. Der Emissionsgrad ist eine dimensionslose Größe. Jedes Material strahlt Energie ab. Die abgestrahlte Leistung hängt von der Temperatur und dem Emissionsgrad des Materials ab.
IR-Thermometer nutzen dies. Sie messen die von einem Objekt abgestrahlte Energiemenge im Infrarotbereich. Dieser Infrarotbereich kann zwischen 1 und 14 Mikrometern variieren. Je nach Wellenlängenbereich verwenden IR-Thermometer unterschiedliche Sensortypen zur Temperaturbestimmung. Sie berechnen die Temperatur basierend auf der gemessenen Leistung und dem Emissionsgrad des Materials.
Der Emissionsgrad ist eine der Hauptfehlerquellen bei Infrarotmessungen. Die Kenntnis des Emissionsgrads der Messoberfläche ist für jeden Anwender eines IR-Thermometers von großem Wert. Daher sollte bei der Messung besonders darauf geachtet werden, die Auswirkungen des Emissionsgrads der Oberfläche zu kennen. Abweichungen vom angenommenen Emissionsgrad des Messobjekts führen zu erheblichen Fehlern bei der Temperaturmessung. Bei der Messung einer Oberflächentemperatur sollten genaue Kenntnisse des Emissionsgrads und der Hintergrundtemperatur berücksichtigt werden. Diese Faktoren sind bei der Verwendung eines IR-Thermometer-Kalibrators noch wichtiger. Die Berücksichtigung dieser Faktoren führt zu einer besseren Kalibrierung und einer besseren IR-Messung.
Plancksches Gesetz
Die mathematische Gleichung, die die spektrale Leistung beschreibt, die ein perfekter Schwarzkörper bei einer bestimmten Wellenlänge abstrahlt, ist das Plancksche Strahlungsgesetz. Integriert man das Plancksche Strahlungsgesetz über das gesamte elektromagnetische Spektrum, erhält man das Stefan-Boltzmann-Gesetz. Dies ist das bekannte T hoch 4. Gesetz (T4). Das Problem mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ist, dass es nicht auf ein bestimmtes Band beschränkt ist. Um einen solchen Wert zu erhalten, müsste man das Plancksche Strahlungsgesetz über die Grenzen dieser Bandbreite integrieren. Dieses Integral lässt sich nicht analytisch lösen.
Hohlräume
In der Praxis gibt es keinen perfekten schwarzen Körper. Hersteller bieten verschiedene Formen und Geometrien an, die als nahezu perfekte schwarze Körper verwendet werden können. Ein nahezu perfekter schwarzer Körper hat einen Emissionsgrad nahe 1, aber nicht exakt 1. Eine gute Annäherung an einen perfekten schwarzen Körper ist ein Hohlraum. Ein Hohlraum kann verschiedene Formen haben, z. B. Kugel, Zylinder, Kegel oder eine Kombination davon. Er muss eine gleichmäßige, kontrollierte Temperatur an seinen Oberflächen aufweisen. Der Emissionsgrad eines Hohlraums hängt von seiner Geometrie ab, liegt aber im Allgemeinen nahe bei 1,000. Typische Werte für einen Emissionsgrad sind 0,99, 0,999 usw. Vereinfacht gesagt: Je näher der Emissionsgrad an 1 liegt, desto besser eignet sich der Hohlraum als Annäherung an einen perfekten schwarzen Körper. Ein Hohlraum ist jedoch nicht immer optimal für alle Arten von Infrarot-Thermometern, insbesondere für Handthermometer. Dies liegt an der optischen Konstruktion dieser Geräte. Für eine fehlerfreie Messung muss der Messfleck des Infrarotthermometers innerhalb des Strahlungsbereichs liegen. Der Messfleck ist der Bereich, den das Infrarotthermometer erfasst, wenn… Temperaturmessung auf einer Oberfläche. Oberflächenschwarze Körper werden hergestellt, die eine große Oberfläche besitzen, die Energie abstrahlt, und deren gesamte Oberfläche hinsichtlich Temperatur und Emissionsgrad sehr gleichmäßig ist.
Fehler durch Emissionsgrad
Der Emissionsgrad trägt zur Unsicherheit bei der Verwendung eines schwarzen Körpers bei. Wenn der Benutzer den Emissionsgrad der Oberfläche nicht genau kennt, kann dieser maßgeblich zu Fehlern bei der Temperaturmessung beitragen. Benutzer dieser Schwarzkörper- oder IR-Kalibratoren sollten über ein Standarddiagramm zum Emissionsgrad des verwendeten Oberflächenmaterials verfügen. Weicht der angenommene Emissionsgrad des schwarzen Körpers vom tatsächlichen Emissionsgrad der Oberfläche ab, kann dies zu erheblichen Fehlern bei der Temperaturmessung führen. Wenn beispielsweise der Emissionsgrad der Oberfläche des Kalibrators 0,93 beträgt und mit 0,95 angenommen wird, führt dies bei einer Oberflächentemperatur von 500 °C im Bereich von 8 bis 14 μm zu einem Fehler von 6,6 °C.
Einfluss der Wellenlänge
Es gibt viele Diagramme, in denen der Emissionsgrad verschiedener Materialien aufgeführt ist. Diese bieten eine gute Orientierung bei der Suche nach den Emissionseigenschaften von Materialien, liefern jedoch nicht immer den richtigen Wert, da der Emissionsgrad der meisten Materialien mit der Wellenlänge schwankt. Mit anderen Worten: Materialien weisen eine spektrale Emissionsgradreaktion auf. Ein IR-Thermometer integriert den Emissionsgrad innerhalb seiner Bandbreite. Eine Studie zeigte, dass der Emissionsgrad im Band von 8 – 14 μm wellenlängenabhängig zwischen 0,90 und 0,97 variierte. Andere Studien zeigen einen ähnlichen Emissionsgradbereich. Einfluss der Temperatur: Der Emissionsgrad kann auch mit der Temperatur schwanken. Ein weiterer Effekt der Temperatur ist, dass sich die vom IR-Thermometer gemessene Energiemenge bei Temperaturänderungen innerhalb des Bandes verschiebt. Wenn die Temperatur steigt, verschiebt sich die von der Oberfläche emittierte Energie von den höheren zu den niedrigeren Wellenlängen, wie es das Wiensche Verschiebungsgesetz vorhersagt. Dies führt dazu, dass sich die vom IR-Thermometer gemessene effektive Emissivität bei steigender Temperatur vom oberen Ende der Bandbreite zum unteren Ende verschiebt.
Handhabung schwarzer Körper
Bei der Verwendung eines schwarzen Strahlers muss darauf geachtet werden, die emittierende Oberfläche nicht zu beschädigen. Schäden können verschiedene Ursachen haben. Erstens muss darauf geachtet werden,
Fremdkörper dürfen nicht auf die Oberfläche des Kalibrators gelangen. Selbst Hautfett kann die Oberfläche des Kalibrators beschädigen, insbesondere wenn diese erhitzt wird. Die Oberfläche sollte ausschließlich durch natürliche Konvektion gekühlt werden. Druckluft kann oft Öl oder Wasser enthalten. Auch Wasser kann Mineralablagerungen auf der Oberfläche hinterlassen. Ein zu schnelles Abkühlen kann zudem einen Thermoschock auf der emittierenden Oberfläche verursachen. Der Kalibrator sollte nicht über einen längeren Zeitraum hohen Temperaturen ausgesetzt werden.
Dies kann zu einer Verschlechterung der Emissivität der Oberfläche führen.
Effekt des Hintergrunds
Der Emissionsgrad hat noch einen weiteren Einfluss auf die Hintergrundtemperatur. Wenn eine undurchsichtige Oberfläche einen Emissionsgrad von 0,9 hat, bedeutet dies, dass 10% der Energie wie vom Kirchhoffschen Gesetz vorhergesagt reflektiert werden. Diese 10% hängen von der Temperatur der Oberflächen ab, die der Messoberfläche zugewandt sind. Diese Temperatur wird als Hintergrundtemperatur bezeichnet. Durch die Hintergrundtemperatur entsteht eine kleine Unsicherheit. Bei der Messung höherer Temperaturen fällt sie nicht so sehr ins Gewicht, bei niedrigeren Temperaturen wird sie jedoch zu einem Problem. Ein Teil dieses Fehlers wird negiert, wenn die IR-Temperatur eine Oberfläche bei 0 °C ist, gemessen im Bereich von 8 – 14 μm. Wenn der Benutzer des IR-Thermometers dem Ziel zugewandt steht, könnte er sehr wohl zum Hintergrund werden. Dadurch könnte die Hintergrundtemperatur von 23 °C auf 37 °C ansteigen und ein Messfehler von 3,5 °C auftreten.
Schwarzkörper-Produktdiagramm
Die bei uns verfügbaren Schwarzkörper für unterschiedliche Temperaturbereiche sind folgende:
Schwarzkörperöfen
