Pyrometrie und Thermografie
Thermische Infrarotsensoren
Helmut Budzier und Gerald Gerlach
Pyrometrie und Thermografie: Leitfaden für die Praxis
Wiley-VCH Weinheim
1. Auflage 2023
331 Seiten
Print ISBN: 978-3-527-41399-7
ePDF ISBN: 978-3-527-83036-7
ePub ISBN: 978-3-527-83037-4
Wiley-VCH - Pyrometrie und Thermografie
Kurzbeschreibung
Praxisüberblick zur berührungslosen Temperaturmesstechnik
Die Thermografie ist ein bildgebendes Verfahren, um Oberflächentemperaturen von Objekten anzuzeigen. Dies erfolgt, indem man die Intensität der lnfrarotstrahlung, 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.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung in die Pyrometrie und die Thermografie
1.1 Infrarotstrahlung
1.2 Technische Anwendungen
1.3 Vorteile der berührungslosen Temperaturmessung
1.4 Historische Entwicklung
2 Radiometrische Grundlagen
2.1 Strahlungsphysik
2.1.1 Ausbreitung von Strahlung
2.1.2 Ausbreitung in verlustfreie Medien
2.1.3 Ausbreitung in verlustbehaftete Medien
2.1.4 Felder an Grenzflächen
2.2 Strahlungsgrößen
2.2.1 Allgemeine Größen
2.2.2 Senderseitige Größen
2.2.3 Empfängerseitige Größen
2.2.4 Spektrale Größen
2.2.5 Absorption, Reflexion und Transmission
2.3 Strahlungsgesetze
2.3.1 PLANCKsches Strahlungsgesetz
2.3.2 STEFAN-BOLTZMANN-Gesetz
2.3.3 WIENsches Verschiebungsgesetz
2.3.4 KIRCHHOFFsches Strahlungsgesetz
2.3.5 Fotometrisches Grundgesetz
2.4 Emission
2.4.1 Emissionsgrad
2.4.2 Schwarzer Strahler
2.4.3 Emission realer Körper
2.4.4 Bestimmung des Emissionsgrades
2.5 Reflexion
2.5.1 Reflexionsgrad
2.5.2 Reflexion an Grenzflächen
2.5.3 Reflexion an dünnen Schichten
2.6 Transmission
2.6.1 Transmissionsgrad
2.6.2 Transmission realer Körper
2.6.3 Transmission der Atmosphäre
3 Sensor- und Gerätekennwerte
3.1 Thermische Auflösung
3.1.1 Empfindlichkeit
3.1.2 Rauschen
3.1.2.1 Mathematische Grundlagen
3.1.2.2 Rechnen mit Rauschgrößen
3.1.2.3 Rauschquellen
3.1.3 Rauschäquivalente Leistung
3.1.4 Detektivität
3.1.5 Rauschäquivalente Temperaturdifferenz
3.1.6 Inhomogenitätsäquivalente Temperaturdifferenz
3.2 Räumliche Auflösung
3.2.1 Optisch-geometrische Beziehungen einer scharfen Abbildung
3.2.2 Begrenzung der Ortsauflösung
3.2.3 Spaltbildfunktion und Messfeldgröße
3.2.4 Modulationsübertragungsfunktion
3.2.4.1 Definition der MTF
3.2.4.2 Optische MTF
3.2.4.3 Geometrische MTF
3.2.4.4 System-MTF
3.2.4.5 Messung der MTF
3.3 Zeitliche Auflösung
3.3.1 Zeitkonstante
3.3.2 Einstellzeitzeit
3.3.3 Erfassungszeit
3.4 Zusammenfassung
4 Infrarotsensoren
4.1 Thermische Sensoren
4.1.1 Wirkprinzipien
4.1.2 Thermoelektrische Strahlungssensoren
4.1.3 Pyroelektrische Sensoren
4.1.4 Mikrobolometer
4.2 Photonensensoren
4.2.1 Wirkprinzipien
4.2.1.1 Klassische Photonensensoren
4.2.1.2 Quantenmechanische Photonensensoren
4.2.2 Fotowiderstände
4.2.3 Fotodioden
4.2.4 Bildgebene Photonensensoren
4.3 Vergleich von thermischen und photonischen Sensoren
4.4 Kühlung von Sensoren
4.4.1 Thermoelektrische Kühler
4.4.2 Direktkontaktkühlung
4.4.3 JOULE-THOMSON-Kühler
4.4.4 Kleinkältemaschinen
4.4.5 Vergleich der Kühlverfahren
5 Pyrometer
5.1 Aufbau und Funktionsweise
5.1.1 Grundaufbau
5.1.2 Funktionsweise
5.1.3 Berücksichtigung parasitärer Strahlungsanteile
5.1.4 Pyrometergleichung
5.2 Grundtypen
5.2.1 Gleichlichtpyrometer
5.2.2 Wechsellichtpyrometer
5.3 Messverfahren
5.3.1 Gesamtstrahlungspyrometer
5.3.2 Bandstrahlungspyrometer
5.3.3 Spektralpyrometer
5.3.4 Verhältnispyrometer
5.3.5 Mehrkanalpyrometer
5.4 Messunsicherheit
5.4.1 Kalibrierung
5.4.2 Absolute und relative Messunsicherheit
5.4.3 Umfeldfaktor (Size-of-Source Effekt)
5.5 Kenngrößen und Klassifizierung
5.5.1 Kenngrößen
5.5.2 Klassifizierung
5.5.3 Spezielle Baugruppen für Pyrometer
5.6 Auswahl eines für eine Messaufgabe geeigneten Pyrometers
5.6.1 Allgemeine pyrometrische Messungen
5.6.2 Pyrometrische Temperaturmessungen an speziellen Materialien
5.6.3 Applikationen mit Quotientenpyrometern
6 Thermografiekameras
6.1 Aufbau und Funktionsweise
6.1.1 Aufbau
6.1.2 Funktionsweise
6.2 Bauarten
6.2.1 Scannende Thermobildgeräte
6.2.2 Zeilenkameras
6.2.3 Starrende Thermobildkameras
6.3 Messverfahren
6.3.1 Bandstrahlungsthermobildgeräte
6.3.2 Spektralkameras
6.3.3 Räumlicher Auflösung
6.4 Justage
6.4.1 Ursachen der Ungleichförmigkeit
6.4.2 Arbeitspunkteinstellung
6.4.3 Korrektur nicht funktionsfähiger Pixel
6.4.4 Kennlinienkorrektur
6.4.5 Radiometrische Justage
6.4.6 Zusammenfassung
6.5 Messunsicherheit
6.5.1 Ungleichförmigkeit
6.5.2 Umfeldfaktor (Size-of-Source Effekt)
6.5.3 Kalibrierung
6.6 Kenngrößen und Klassifizierung
6.6.1 Kenngrößen von Thermobildgeräten
6.6.2 Klassifizierung von Thermobildgeräten
6.7 Auswahl eines für eine Messaufgabe geeigneten Thermobildkamera
6.7.1 Allgemeine Messungen mit Bandstrahlungsthermobildgeräten
6.7.2 Bandstrahlungsthermobildgeräte für konkrete Anwendungen
6.7.3 Spektralkameras
6.8 Anwendungen
6.8.1 Passive Thermografie
6.8.2 Aktive Thermografie
6.8.3 Auswertemethoden in der Thermografie