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Verstehen und Beheben von Problemen mit der Infrarot-Thermografie auf reflektierenden Oberflächen

24. Jun 2021 | Thermografie

Obwohl es viele Arten von Wärmeübertragung gibt, ist Strahlung die wichtigste Art in Bezug auf Thermografie. Durch Strahlung wird Energie von der Oberfläche des Messobjekts auf eine Wärmebildkamera übertragen. Die in einem Wärmebild sichtbaren thermischen Informationen basieren fast ausschließlich auf der von der Oberfläche abgegebenen oder von ihr reflektierten Strahlung. Unabhängig von der Anwendung – von Gebäuden über die Luft- und Raumfahrt bis hin zu Medizin und Industrie – stets kommt es bei der Infrarot-Thermografie zu Problemen mit der Emissivität und Reflektivität.

Durch reflektierende Oberflächen verursachte Verfälschungen bei der Infrarot-Thermografie

Diese Wärmebilder stammen aus zwei verschiedenen Blickwinkeln einer Edelstahlskulptur, die sich draußen in einer innerstädtischen Straße befindet. Wenn wir die Skulptur mit unseren Augen betrachten, würden wir wahrscheinlich annehmen, dass sie überall dieselbe Temperatur haben muss – dieselbe Temperatur oder annähernd die Temperatur der umgebenden Luft. Die Wärmebilder sprechen jedoch eine andere Sprache.

Reflektierende Oberflächen sind ineffiziente Emitter

Die Anwesenheit von Reflexionen ist offensichtlich, aber wenn wir unsere Position verändern, ändern sich die reflektierten Objekte normalerweise mit. Und, wie in den Bildern oben gezeigt, ändert sich die scheinbare Temperatur, die wir auf der Skulptur feststellen. Auf diesen Bildern können wir die kalten Bereiche als Spiegelung des klaren Himmels und die wärmeren Bereiche als Spiegelung der umliegenden Gebäude oder gar von uns selbst erkennen. Die Reflexionen sind eigentlich „thermische Lügen“, denn die Wahrheit über reflektierende Oberflächen ist, dass sie ineffiziente Emitter sind.

Die wahre Temperatur ermitteln

Meistens ist es ziemlich einfach, reflektierte Strahlung von emittierter Strahlung zu unterscheiden, weil sich reflektierte Strahlung wie ein Spiegel bewegt, wenn wir uns relativ zur Oberfläche bewegen.

Wenn wir radiometrisch über die Infrarotstrahlung Temperaturen messen, quantifizieren wir nur die Strahlung, die das Wärmebild erzeugt. Wie kommen wir also von der Quantifizierung der Strahlung zur Messung der tatsächlichen Temperatur des Objekts, das wir untersuchen?

Wärmebildkameras sind so kalibriert, dass sie eine Temperatur mit einer bestimmten Strahlungsintensität korrelieren. Wenn eine Oberfläche perfekt emittieren würde, könnten wir ihre Temperatur anhand der emittierten Strahlung leicht und richtig ermitteln. Je wärmer die Oberfläche ist, desto höher ist die Strahlung. Leider ist aber keine Oberfläche ein perfekter Emitter.

Emissivität von Oberflächen im Vergleich zur Reflektivität

Nicht transparente (opake) Oberflächen erzeugen eine Kombination aus emittierter und reflektierter Strahlung. Da die reflektierte Strahlung keine Aussage über die Oberflächentemperatur macht, müssen wir der Wärmebildkamera vermitteln, diesen reflektierten Anteil der Strahlung, der in der gesamten Strahlung enthalten ist, zu ignorieren. Dazu korrigieren wir die Emissivität (E). Reflexion (R) entspricht 1 minus E. Wir müssen auch die reflektierte Temperatur korrigieren. Mit diesen beiden Korrekturen kann der Prozessor der Wärmebildkamera mit dem radiometrischen Messverfahren eine genaue Temperatur liefern.

Es gibt zwei Situationen, in denen diese Korrektur nicht zu so genauen Ergebnissen führt, wie wir es gerne hätten, d. h. wenn:

  1. Die gemessene Oberfläche eine Emissivität von weniger als 0,6 aufweist.
  2. Die reflektierte Temperatur sich sehr stark von der Oberflächentemperatur unterscheidet

Diese Einschränkung gilt für alle thermografischen Systeme. Das bedeutet, dass Sie die Temperatur der meisten blanken Metalle hiermit nicht genau messen können. Aber es gibt eine Umgehungslösung.

Erhöhung der Genauigkeit der Thermografie auf reflektierenden Oberflächen

Wenn Sie eine hohe Genauigkeit bei der Temperaturmessung auf Oberflächen mit niedriger Emissivität (stark reflektierende Oberflächen) benötigen, können Sie ein kleines Stück Isolierband fest auf der Oberfläche anbringen (gemäß den entsprechenden Sicherheitsvorschriften). Stellen Sie die Emissivität der Wärmebildkamera auf 0,95 und die Hintergrundkorrektur auf die Temperatur ein, die reflektiert würde, wenn das Isolierband ein Spiegel wäre. Nach diesem Verfahren sollte eine Messgenauigkeit von +/–2 °C oder 2 % der Messung erreicht werden.

Um mehr Vertrauen in diese Messungen zu erhalten, führen Sie einige einfache Experimente in Ihrem Büro oder in Ihrer Küche durch, bis Sie bei den Korrekturen ein gutes Gefühl haben. Teilen Sie uns mit, wie Sie vorankommen, oder senden Sie uns Ihre Fragen im Kommentarfeld.

Erhöhung der Genauigkeit der Thermografie auf reflektierenden Oberflächen mit Isolierband

Das Aufbringen eines Isolierbands auf einem kalten Fensterglas (links) oder einem warmen Stahlblech (rechts) mit unterschiedlicher Oxidation ermöglicht es dem Thermografen, kontinuierlich genaue radiometrische Temperaturmessungen durchzuführen. Beachten Sie, dass beide Materialien ziemlich reflektierend sind. In beiden Fällen wird die Emissivität für den Wert des Isolierbands (0,95) mit einem entsprechenden Korrekturwert für den reflektierten Hintergrund festgelegt.

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