Mitunter ist es nicht möglich, Temperatursensoren dort zu platzieren, wo man Temperaturen messen möchte. In diesem Fall bietet sich als Alternative die berührungslose Temperaturmessung nach dem sog. pyrometrischen Prinzip an. Ausgenutzt wird dabei die Tatsache, dass jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt Strahlung emittiert, die man mit einer entsprechenden Optik – meist einer einfachen Sammellinse – „einfangen“ kann.

Wie im Bild 129 gezeigt, wird dabei entsprechend der Brennweite der Optik ein Messpunkt an einer Oberfläche anvisiert, dessen die Optik erreichende Strahlung auf einen konventionellen Temperatursensor gebündelt wird. Hier kommen alternativ meist thermoresistive Sensoren oder Thermopiles zum Einsatz. Ausgenutzt wird die im Sensor auftretende Temperaturerhöhung. Physikalische Grundlage hierfür ist das Planksche Strahlungsgesetz.

Bild 129: Pyrometerprinzip

Dieses beschreibt in Form einer (uns hier nicht im Detail interessierenden) Funktion die sog. spektrale spezifische Ausstrahlung eines schwarzen Strahlers Mλ – gemessen in W/(m2m) – über der Wellenlänge λ. Bild 130 zeigt den Zusammenhang in Form einer Kennlinienschar mit der Absoluttemperatur T des Strahlers als Parameter. Der Wellenlängenbereich umfasst das gesamte Spektrum von der Röntgenstrahlung über den Ultraviolettbereich bis in den schmalen sichtbaren Bereich bzw. darüber hinaus zunächst in den Infrarotbereich und bei noch größerer Wellenlänge schließlich in den Bereich der Radiowellen.

Bild 130: Emission eines schwarzen Strahlers über der Wellenlänge

Integriert man eine Scharkurve über den gesamten Wellenlängenbereich, so erhält man die gesamte spezifische Ausstrahlung eines schwarzen Strahlers (in W/m2), was zum sog. Stefan-Boltzmann-Gesetz führt:

(Formel 225)

σ ist die Stefan-Boltzmann-Konstante mit ca. 5,670·10-12 W/(cm2K4).

Mit den bei Pyrometerlinsen verwendeten optischen Materialien lässt sich nur Strahlung im sichtbaren Bereich bis zum nahen Infrarot bündeln. Die Durchlässigkeit von Glas endet beispielsweise bei ca. 4 μm, beschichtete Si-Wafer schaffen je nach Beschichtung bis ca. 20 μm. Pyrometer werten also nur einen gewissen Bruchteil von M gemäß (225) aus.

Der Hersteller eines Pyrometers könnte dieses im Prinzip auf die sich bauartbedingt ergebende Kennlinie kalibrieren, wenn nicht ein wichtiger Einflusseffekt noch existierte: Reale Körper sind keine schwarzen Strahler im Sinne der Physik. Ihre Oberflächen weisen gewisse Strukturen auf, die dafür sorgen, dass nur ein Bruchteil von M als Mr wirklich emittiert wird, was durch einen Emissionsfaktor ε ausgedrückt wird:

(Formel 226)

ε bewegt sich zwischen 0 (keine Emission) und 1 (vollständige Emission). Einige Beispiele wollen wir anführen:

polierter Stahl:                 ε ≈ 7 %
Chrom:                              ε ≈ 30 %
stark verrosteter Stahl:   ε ≈ 85 %
Glas:                                   ε ≈ 94 %

Auch diese Werte sind nur grobe Anhaltspunkte, da ε in gewissem Grade selbst auch wieder von der Wellenlänge und der Temperatur abhängt. Dies bedeutet für die messtechnische Praxis, dass stets eine Kalibriermessung anwenderseitig vorzunehmen ist unter Verwendung der konkreten Messoberfläche.

Oftmals geht ein niedriger Emissionsfaktor auch mit einem hohen Reflexionsfaktor einher. So kann es passieren, dass blank polierte Metalloberflächen nicht nur relativ geringe Strahlungsemissionen zeigen, sondern darüber hinaus auch sehr schnell Störstrahlungen per Reflexion in die Optik zusätzlich einbringen. Dies macht eine Messung mit einfachen Pyrometern oftmals unmöglich. Hierfür gibt es aufwendigere Multispektralpyrometer, die mehrere Messkanäle für jeweils spezielle Wellenlängenbereiche aufweisen. Über entsprechende Verrechnungen kann dann ein vom Emissionsfaktor und gewissen Umgebungsstörungen unabhängiges Messergebnis erzielt werden.

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