Spektrale Emissionsgradmessungen für die Strahlungsthermometrie

Um genaue und zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, muss der Emissionsgrad der gemessenen Oberfläche bekannt sein. Er kann nur in aufwendigen Messplätzen präzise ermittelt werden. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hat einen modernen Emissionsgradmessplatz für industrienahe Kalibrierungen entwickelt.

Die Genauigkeit industrieller Temperaturmessungen mit berührungslos arbeitenden Strahlungsthermometern wird heutzutage häufig nicht mehr durch die Qualität der Strahlungsthermometer, sondern von der unzureichenden Kenntnis des Emissionsgrades der beobachteten Oberfläche begrenzt. Industrielle Strahlungsthermometer können eine Auflösung von bis zu 20 mK liefern, bei einer Unsicherheit von 1 K für Temperaturmessungen von 100 °C. Im Gegensatz dazu können gerichtete spektrale Emissionsgrade von Oberflächen häufig nur mit Standardmessunsicherheiten von 5 % angegeben werden. Das entspricht bei einer Temperaturmessung von 100 °C im Spektralbereich um 10 µm einer Temperaturunsicherheit von typischerweise 5 K.

Der Emissionsgrad ist keine Konstante, sondern ändert sich im Allgemeinen mit Veränderung der Oberfläche (Rauheit, Oxidation, Verschmutzung etc.), dem Beobachtungswinkel, der Beobachtungswellenlänge sowie der Temperatur. Weiterhin verläuft er oft inhomogen über die Oberfläche. Präzise Temperaturmessungen erfordern daher eine genaue Kenntnis des Emissionsgrades. Um die vielfältigen Abhängigkeiten des Emissionsgrades von den genannten Parametern zu erfassen, sind aufwendige Messplätze zu seiner Bestimmung erforderlich.

Der spektrale Emissionsgrad wird in der PTB durch Vergleich der Strahldichten eines Hohlraumstrahlers hoher Güte – also eines nahezu idealen schwarzen Körpers – und der zu untersuchenden Probe mithilfe eines Fouriertransformspektrometers gemessen, wobei die Strahlung der Umgebung und die Eigenstrahlung des Spektrometers berücksichtigt werden. Die Halterung der Probe in einer temperierten Hemisphäre stellt hierbei eine konstante Strahlungsbilanz mit der Umgebung sicher. Die Apparatur ermöglicht die Bestimmung des gerichteten spektralen Emissionsgrads sowie des Gesamtemissionsgrads von opaken Proben an Luft in einem Temperaturbereich von 80 °C bis 250 °C und einem Wellenlängenbereich von 4 µm bis 40 µm unter Abstrahlwinkeln von 5° bis 70° mit einer relativen Standardmessunsicherheit von besser als 2 %. Die Extrapolation der gemessenen Werte des gerichteten spektralen Emissionsgrades für Abstrahlwinkel über 70° erlaubt dann, die besonders für Strahlungsbilanzrechnungen wichtigen hemisphärischen Spektral- sowie die Gesamtemissionsgrade zu berechnen. Die Homogenität des gerichteten spektralen Emissionsgrades bei 4 µm wird mit Hilfe einer Thermographiekamera bestimmt.

Die Ergebnisse der ersten Kundenaufträge dienen beispielsweise der Optimierung von Lacktrocknungsprozessen in der Automobilindustrie, der thermischen Auslegung von Hochöfen sowie der Prozessüberwachung von Glasformungsprozessen.

Zur Zeit wird in der PTB ein weiterer Messplatz aufgebaut, der Emissionsgradmessungen unter Vakuum in einem erweiterten Temperatur- und Wellenlängenbereich – unter anderem für Weltraumanwendungen – ermöglichen wird.