"Ein universelles Messverfahren"
In unserem früheren Artikel über die theoretischen Grundlagen der Thermografie (Produktionstrend 2010/12) gehen wir nun auf praktische Aspekte ein. Zunächst betrachten wir mögliche Fehlerquellen bei der berührungslosen Temperaturmessung und stellen dann die Kriterien für die quantitative Bewertung von Messfehlern sowie die Möglichkeiten zur Fehlerminimierung vor.
Der Messfehler bei der berührungslosen Temperaturmessung kann sich aus mehreren Faktoren zusammensetzen. Zu nennen ist hierbei die Messungenauigkeit aufgrund des verwendeten Messgeräts. Wie jedes Messgerät kann auch ein berührungsloser Temperatursensor seine Aufgabe nur mit einer gewissen Messungenauigkeit erfüllen. Es können jedoch auch viele andere messtechnische/bedienerische Fehler auftreten, die bei berührungsloser Temperaturmessung nicht auftreten und in ihrer Größenordnung wesentlich größere Fehler - möglicherweise sogar völlig falsche Daten - verursachen können. Im Folgenden erläutern wir einige dieser möglichen - und besonders beachtenswerten - Fehlerquellen.
Probleme bei der berührungslosen Messung
Der Einfluss des Emissionsgrades und der Umgebungstemperatur auf die Messgenauigkeit Dies ist der häufigste und in Bezug auf die Fehlergröße bedeutendste Fehler bei der praktischen Anwendung der berührungslosen Temperaturmessmethode. Das Messgerät kann die Temperatur eines Objekts nur korrekt bestimmen, wenn der am Messgerät (bzw. in der Auswertungssoftware) eingestellte Emissionsgrad dem tatsächlichen Merkmal des zu messenden Objekts entspricht.
Reflexion der Wärmestrahlung von der Vorderseite des Objekts (Wärmestrahlungsreflexion) Je mehr sich der Emissionsgrad eines Körpers vom idealen Wert 1 unterscheidet (dh je geringer die Strahlungsemissionsfähigkeit ist), desto stärker ist seine Reflexionseigenschaft (unter der Annahme eines undurchsichtigen Objekts). Dies führt dazu, dass das Messgerät neben der vom Körper proportional zur Temperatur abgestrahlten Wärmestrahlung (im schlimmsten Fall sogar anstelle davon) die von der Umgebung reflektierte Wärmestrahlung auf der gemessenen Objektoberfläche misst.
Signalverlust in der Übertragungsstrecke (Strahlungsverluste in der Atmosphäre und anderen Materialien) Die Übertragungsstrecke ist in der Regel die normale Atmosphäre, durch die nur ein Teil des Infrarotspektrums hindurchgeht (atmosphärische Fenster). Die Verluste bei größeren Entfernungen werden durch Faktoren bestimmt, die die Infrarotstrahlung absorbieren oder dämpfen (z. B. Nebel, Aerosole, hohe Konzentrationen von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, anderen Gasen oder Wasser). Bei Vorhandensein anderer Materialien (z. B. Infrarotstrahlung durchlässige Messfenster) muss auch deren Dämpfungseffekt berücksichtigt werden.
Durchlässigkeit der Wärmestrahlung von der Hintergrund des Objekts Der Fehler tritt auf, wenn das Objekt teilweise durchscheinend ist, insbesondere im Hinblick auf die Infrarotstrahlung. In solchen Fällen muss der Hintergrund des Objekts genauso berücksichtigt werden wie der Vordergrund bei der Reflexion der Wärmestrahlung. Dies kann insbesondere dann problematisch sein, wenn sich direkt hinter dem zu messenden Objekt starke Wärmequellen befinden (z. B. technologisch notwendige Heizeinrichtungen).
Erfassung und Minimierung von Fehlern
Ein wesentlicher Teil des Gesamtfehlers bei der Temperaturmessung kann durch Abweichungen vom tatsächlichen Emissionsgrad berechnet werden. Der Messfehler aufgrund eines falschen Emissionsgrades ist umso größer, je stärker die Temperatur des zu messenden Objekts von der Umgebungstemperatur abweicht. Es ist auch offensichtlich, dass ein solcher Fehler erheblich sein kann und somit das Vielfache des regelmäßigen internen Fehlers des Messgeräts erreichen kann. Während die Auswirkungen von reflektierten und durchgelassenen störenden Strahlungsquellen aufgrund ihres optischen Erscheinungsbildes auf dem Wärmebild in der Regel leicht zu erkennen sind ("fehl am Platz" Punkte, Flecken oder Kreise) und anschließend behoben werden können, ist dies bei Fernmessungen nicht so einfach, da die Strahlungsverteilung nicht sichtbar ist. Um Fehler bei der Temperaturmessung zu beseitigen oder zumindest zu minimieren, sollten Sie bei der Durchführung von Messungen die folgenden Tipps beachten. Bevor Sie mit der Messung beginnen, stellen Sie sicher, dass keine reflektierten Wärmestrahlungen in die Messrichtung des Thermometers gelangen - insbesondere bei mobilen Messungen. Wenn dies der Fall ist, führen Sie mindestens einen der folgenden Schritte aus:
Nützliche praktische Tipps
Es ist wichtig zu beachten, dass nicht nur offensichtlich störende Strahlungsquellen wie Glühlampen, Flammen oder heiße (oder kalte) Maschinenteile die Messungen stören können, indem sie auf dem zu messenden Objekt reflektiert werden, sondern auch die Person, die die Messung durchführt, eine Wärmequelle darstellt und somit auch auf der gemessenen Oberfläche reflektiert werden kann. Wenn der Emissionsgrad des Objekts offensichtlich vom idealen Schwarzkörper abweicht, muss der Emissionsgrad am Messgerät so eingestellt werden, dass er mit der Realität möglichst genau übereinstimmt. Informationen zum einzustellenden Emissionsgrad können auf verschiedene Weise erhalten werden: * Experimente an einem realen Objekt oder an einem Referenzobjekt mit vergleichbaren Wärmestrahlungseigenschaften durchführen * Erfahrungs- oder Herstellerinformationen über typische Wärmestrahlungseigenschaften spezieller Materialien und Oberflächen verwenden oder entsprechende Informationen in der Fachliteratur nachschlagen. Ein weiterer wichtiger Punkt, auf den hingewiesen werden muss: Wenn der Emissionsgrad von 1 abweicht, spielt auch die Umgebungstemperatur bei der Bestimmung des Temperaturmesswerts eine Rolle. In diesem Fall sollte überprüft werden, ob die Einstellung des Messgeräts für diesen Wert korrekt ist. Die Umgebungstemperatur bezieht sich NICHT auf die Lufttemperatur, sondern auf die Oberflächentemperatur von Objekten, die Strahlung reflektieren! Wenn der Messabstand im mittleren Wellenlängenbereich mehr als 10 Meter beträgt, muss auch der Effekt der atmosphärischen Transmission berücksichtigt werden, der die Intensität der Strahlung reduziert. Die Temperatur entlang der Messstrecke muss so genau wie möglich eingestellt werden, ergänzend zur Transmissionsrate (wenn möglich, verwenden Sie die automatische Funktion, die in den meisten Wärmebildkameras integriert ist).
Optische Gesetzmäßigkeiten
Da Wärmestrahlung praktisch eine elektromagnetische Welle wie sichtbares Licht ist, weist sie viele ähnliche Eigenschaften wie Licht auf. Der Hauptunterschied liegt in der Wellenlänge. Daher reagieren einige Materialien anders auf sichtbares Licht als auf Wärmestrahlung. Die optischen Gesetzmäßigkeiten für sichtbares Licht gelten jedoch zu 100 Prozent auch für Wärmestrahlung. Für die berührungslose Temperaturmessung ist eine korrekte optische Fokussierung besonders wichtig, da durch deren Vernachlässigung erhebliche Messfehler verursacht werden können.
Die optische Fokussierung funktioniert ähnlich wie bei der Fotografie: Die Sammel- oder Fokussierlinse innerhalb der Kamera hat die Aufgabe, die einfallenden Strahlen auf die Oberfläche des Sensors (bei herkömmlicher Fotografie auf den Film) zu projizieren. Bei falscher Fokussierung werden die Strahlen entweder vor oder hinter der Ebene des Sensors gesammelt. In diesem Fall wird das Bild unscharf. Bei Wärmebildern ist das Problem jedoch größer: Nur ein Teil der tatsächlichen Strahlung trifft auf den Sensor, der Rest wird in dessen Umgebung projiziert. Dies führt dazu, dass die gemessene Temperatur zwangsläufig niedriger ist als die tatsächliche Temperatur. Je schlechter die Fokussierung ist, desto stärker weicht der Messwert vom korrekten Wert ab.
Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu
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