Pyrometrie und Thermografie
Die Thermografie ist ein bildgebendes Verfahren, um Oberflächentemperaturen von Objekten anzuzeigen. Dies erfolgt, indem man die Intensität der Infrarotstrahlung, die von einem bestimmten Punkt ausgeht, misst und daraus die dort herrschende Temperatur berechnet. Als Messgeräte dazu werden Thermografie-Kameras verwendet. Wird die Temperatur nur an einem Punkt gemessen, spricht man von Pyrometrie, die entsprechenden Geräte werden als Pyrometer bezeichnet. Die berührungslose Temperaturmessung ist überall dort von großem Interesse, wo hohe Temperaturen auftreten, harsche Bedingungen herrschen oder der Messort nicht erreicht werden kann. Das ist zum Beispiel in der Prozessmesstechnik, in Gießereien und Stahlwerken oder der Überwachung von brandanfälligen Umgebungen (Wälder, Müllplätze) der Fall.
Das Buch wendet sich an alle, die Pyrometer und Thermografie-Kameras nutzen und typischerweise mit den zu überwachenden Prozessen vertraut sind, aber oft nicht mit der einzusetzenden Messtechnik. Deshalb fokussiert es auf die Anwendung von Pyrometern und Thermografie-Kameras und macht auf übersichtliche Weise mit den Grundlagen, den Fehlereinflüssen, den Grenzen hinsichtlich der thermischen, zeitlichen und räumlichen Auflösung und der erreichbaren Messgenauigkeit vertraut.
Tabla de materias
Vorwort ix
Symbolverzeichnis xi
Abkürzungsverzeichnis xv
1 Einführung 1
1.1 Infrarotstrahlung 1
1.2 Technische Anwendungen 4
1.3 Vorteile der berührungslosen Temperaturmessung 6
1.4 Historische Entwicklung 7
Literatur 12
2 Radiometrische Grundlagen 13
2.1 Strahlungsphysik 13
2.1.1 Ausbreitung von Strahlung 13
2.1.2 Ausbreitung in verlustfreien Medien 16
2.2 Strahlungsgrößen 22
2.2.1 Strahlungsfeldbezogene Größen 22
2.2.2 Senderseitige Größen 23
2.2.3 Empfängerseitige Größen 24
2.2.4 Spektrale Größen 24
2.2.5 Absorption, Reflexion und Transmission 26
2.3 Strahlungsgesetze 27
2.3.1 Planck’sches Strahlungsgesetz 27
2.3.2 Wien’sches Verschiebungsgesetz 31
2.3.3 Stefan-Boltzmann-Gesetz 34
2.3.4 Kirchhoff’sches Strahlungsgesetz 36
2.3.5 Fotometrisches Grundgesetz 37
2.4 Emission 46
2.4.1 Emissionsgrad 46
2.4.2 Schwarze Strahler 48
2.4.3 Emission realer Körper 56
2.4.4 Bestimmung des Emissionsgrades 61
2.5 Reflexion 64
2.5.1 Reflexionsgrad 64
2.5.2 Reflexion an Grenzflächen 65
2.5.3 Reflexionandünnendielektrischen Schichten 66
2.6 Transmission 70
2.6.1 Transmissionsgrad 70
2.6.2 Transmission von Körpern 71
2.6.3 Transmission der Atmosphäre 75
2.6.4 Abhängigkeit von der CO 2 -Konzentration 81
Literatur 82
3 Sensor- und Gerätekennwerte 85
3.1 Thermische Auflösung 85
3.1.1 Empfindlichkeit 85
3.1.2 Rauschen 89
3.1.3 Rauschäquivalente Leistung NEP 106
3.1.4 Detektivität 108
3.1.5 Rauschäquivalente Temperaturdifferenz NETD 110
3.1.6 Inhomogenitätsäquivalente Temperaturdifferenz IEDT 113
3.2 Räumliche Auflösung 115
3.2.1 Optisch-geometrische Beziehungen einer scharfen Abbildung 115
3.2.2 Begrenzung der Ortsauflösung 117
3.2.3 Spaltbildfunktion und Messfleckgröße 119
3.2.4 Modulationsübertragungsfunktion MTF 121
3.3 Zeitliche Auflösung 132
3.3.1 Zeitkonstante 133
3.3.2 Einstellzeit 135
3.3.3 Erfassungszeit 137
3.4 Zusammenfassung 137
Literatur 137
4 Infrarotsensoren 139
4.1 Thermische Infrarotsensoren 140
4.1.1 Wirkprinzipien 140
4.1.2 Thermoelektrische Strahlungssensoren 145
4.1.3 Pyroelektrische Sensoren 147
4.1.4 Mikrobolometer 149
4.2 Photonensensoren 153
4.2.1 Wirkprinzipien 154
4.2.2 Fotowiderstände 162
4.2.3 Fotodioden 166
4.2.4 Bildgebene Photonensensoren 168
4.3 Vergleich von thermischen und photonischen Sensoren 170
4.3.1 Thermische Auflösung 172
4.3.2 Zeitliche Auflösung 173
4.3.3 Kosten 173
4.3.4 Energieverbrauch 174
4.4 Kühlung von Sensoren 174
4.4.1 Thermoelektrische Kühler 175
4.4.2 Direktkontaktkühlung 176
4.4.3 Joule-Thomson-Kühler 177
4.4.4 Kleinkältemaschinen 178
4.4.5 Vergleich der Kühlverfahren 180
Literatur 182
5 Pyrometer 187
5.1 Aufbau und Funktionsweise 187
5.1.1 Grundaufbau 187
5.1.2 Funktionsweise 188
5.1.3 Berücksichtigung parasitärer Strahlungsanteile 191
5.1.4 Pyrometergleichung 192
5.2 Grundtypen 193
5.2.1 Gleichlichtpyrometer 194
5.2.2 Wechsellichtpyrometer 194
5.3 Messverfahren 196
5.3.1 Gesamtstrahlungspyrometer 198
5.3.2 Spektralpyrometer 202
5.3.3 Bandstrahlungspyrometer 206
5.3.4 Verhältnispyrometer 212
5.3.5 Mehrkanalpyrometer 218
5.4 Messunsicherheit 220
5.4.1 Kalibrierung 220
5.4.2 Absolute und relative Messunsicherheit 221
5.4.3 Umfeldfaktor SSE 223
5.5 Kenngrößen und Klassifizierung 226
5.5.1 Kenngrößen 226
5.5.2 Klassifizierung von Pyrometern 227
5.5.3 Spezielle Baugruppen für Pyrometer 231
5.6 Auswahl eines für eine Messaufgabe geeigneten Pyrometers 234
5.6.1 Allgemeine pyrometrische Messungen 235
5.6.2 Pyrometrische Temperaturmessungen an speziellen Materialien 238
5.6.3 Applikationen mit Quotientenpyrometern 240
Literatur 241
6 Thermografie 243
6.1 Aufbau und Funktionsweise 244
6.1.1 Aufbau 244
6.1.2 Funktionsweise 245
6.2 Bauarten 247
6.2.1 Scannende Thermobildgeräte 247
6.2.2 Zeilenkameras 248
6.2.3 Starrende Thermobildkameras 249
6.3 Messverfahren 256
6.3.1 Bandstrahlungsthermobildgeräte 257
6.3.2 Spektralkameras 258
6.3.3 Räumliche Auflösung 259
6.4 Justage 264
6.4.1 Ursachen der Ungleichförmigkeit 265
6.4.2 Arbeitspunkteinstellung 269
6.4.3 Korrektur defekter Pixel 272
6.4.4 Korrektur der Ungleichförmigkeit (NUC) 279
6.4.5 Radiometrische Justage 297
6.4.6 Zusammenfassung 299
6.5 Messunsicherheit 301
6.5.1 Ungleichförmigkeit 301
6.5.2 Umfeldeinfluss (Size-of-Source-Effekt) 302
6.5.3 Kalibrierung 304
6.6 Kenngrößen und Klassifizierung 305
6.6.1 Kenngrößen von Thermobildgeräten 305
6.6.2 Klassifikation von Thermobildgeräten 308
6.7 Auswahl einer für eine Messaufgabe geeigneten Thermobildkamera 311
6.7.1 Allgemeine Messungen mit Bandstrahlungsthermobildgeräten 313
6.7.2 Bandstrahlungsthermobildgeräte für konkrete Anwendungen 314
6.7.3 Spektralkameras 314
6.8 Anwendungen 315
6.8.1 Passive Thermografie 315
6.8.2 Aktive Thermografie 317
6.8.3 Auswertemethoden in der Thermografie 318
Literatur 319
Stichwortverzeichnis 323
Sobre el autor
Helmut Budzier hat Elektrotechnik an der Technischen Universität Dresden studiert und 1987 seine Promotion zum Doktor-Ingenieur auf dem Gebiet pyroelektrischer Sensoren abgelegt. Seit 1988 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Festkörperelektronik der TU Dresden und hat zahlreiche Forschungsprojekte auf den Gebieten der Sensorapplikation, Entwicklung von Thermografiesystemen und Infrarotmesstechnik geleitet.
Gerald Gerlach hat an der Technischen Universität Dresden Elektrotechnik studiert. Nach seiner Promotion zum Doktor-Ingenieur 1987 hat er 1991 habilitiert und ist seit 1993 Professor an der Fakultät Elektrotechnik der Technischen Universität Dresden. Er ist seit 1996 Direktor des Instituts für Festkörperelektronik. Schwerpunkte seiner Forschung sind die physikalische Wirkungsweise, die Materialien, die Herstellung und Anwendungen von festkörperelektronischen Sensoren.
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