Versuche zu den Grundlagen der IR-Thermografie

Link zu Versuchen mit Infrarot-Polarisatoren zur Unterdrückung von Spiegelungen im IR-Bild

Der folgende Inhalt ist ~20 Jahre alt, gilt aber genau wie damals.

Um die Rubrik Theorie verständlicher zu machen, habe ich einige Versuche durchgeführt, deren Ergebnisse ich hier fortschreiben werde. Beginnen möchte ich mit einem Versuch zum Verhalten unterschiedlich beschichteter Oberflächen. Hierzu wurde ein 2,5 mm dickes Blech halbseitig schwarz und weiß, die Rückseite mattschwarz lackiert. Um ohne speziellen Meßaufbau zur homogenen Bestrahlung auszukommen, positionierte ich das es in der Sonne. Die Kamera stand auf der Schattenseite. Im Versuch 1 wurde die schwarz-weiße Fläche der Sonne ausgesetzt, in Versuch 2 die Mattschwarze. Der Einfluß der Farben ist wellenlängenabhängig ! Die Sonne hat kurzwellige IR-Strahlung. Hier ist der Farbeinfluß größer, als auf der Schattenseite (Versuch 2), weil dort sehr viel niedrigere Temperaturen vorherrschen und die ausgesendete Strahlung große Wellenlängen hat (Wien´sches Verschiebungsgesetz, siehe Theorie). PDF-Datei zum Versuch (ZIP-Version).

Das weiss ″schwärzer″ als mattschwarz sein kann...

zeigt folgendes Beispiel, daß ich gerne bei Personalschulungen verwende. Hierzuwurde eine Bierdose poliert, dann mit verschiedenen, in Haushalt und Industrie eingesetzten Lacken besprüht. Die dünnwandige Dose wird mit warmem Wasser gefüllt, damit überall etwa gleiche Temperatur vorherrscht. Was sehen wir ? Scheinbar extreme Temperaturschwankungen. Ursache ist die jeweilige Emissivität der Lacke, welche tatsächlich unterschiedlich viel Energie abstrahlen, die der Sensor der IR-Kamera aufnimmt. Interessant ist, daß die für uns weiße Farbe im langwelligen IR mehr Energie abstrahlt, als die mattschwarze Zone. Die Aufnahmen wurden mit einer ″Langwellenkamera″ gemacht, deren Sensor von 7...12 µm empfindlich ist. Im kurzwelligen Bereich ist der Effekt genau umgekehrt (siehe oben) => Vergleich Kurzwellen-/Langwellenkamera unter Systemvergleich.

Untersuchung diverser Oberflächen

Hinter der Untersuchung stand der Auftrag, die Eignung div. Oberflächen als Strahlungsheizung zu testen. Hiermit werden später auf 3,5 x 1,5 m Folien für Spanplatten erwärmt. Die Temperatur der Strahler beträgt 150°C. Je zwei Materialproben, wurden mit Umluft erwärmt und nach Öffnung der Ofentür thermografiert. Eine Probe war mattschwarz lackiert und diente als Referenz. Um die Inhomogenitäten der Erwärmung auszugleichen, wählte ich eine große Meßfläche, in der die mittlere Temperatur bestimmt wurde. Referenz und Prüfling waren auf ~150°C. Natürlich zeigte die IR-Kamera unterschiedliche Temperaturen. Bei der Referenz fast exakt 150°C (ε = 0,97) , auf den Prüflingen 35....122°C bei eingestelltem Emissionsgrad von 0,97. Ursache ist die viel niedrigere Energieabgabe der teils spiegelblanken Oberflächen. Da die reale Temperatur bekannt war, lies sich der Emissionsgrad (für 150°C) leicht bestimmen. Je höher, um so besser. Schwarze Beschichtung schied aus technischen Gründen für die Maschine aus.

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Es sind deutlich Unterschiede in der abgestrahlten Energiemenge zwischen Referenz und Prüfling erkennbar.

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Bei den blanken Oberflächen sind die Unterschiede zwischen Referenz und Prüfling extrem. Diese sind als Strahler ungeeignet. Die Ergebnisse zeigen die folgenden Diagramme:

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