Geschichte und Physik der Infrarotstrahlung
Von der Entdeckung bis zur Anwendung als Thermografiekamera
Mit Hilfe eines Thermometers entdeckte der Astronom Friedrich Wilhelm Herschel im Jahr 1800 die Wärmestrahlung der Sonne, als er die Temperaturen der verschiedenfarbigen Anteile des Sonnenlichts messen wollte.
Er ließ das Sonnenlicht durch ein Prisma fallen, um das Spektrum des sichtbaren Lichts zu untersuchen, und hielt Thermometer in die einzelnen Lichtfarben. Dabei stellte er fest, dass die höchste Temperatur in einem unsichtbaren Bereich jenseits des roten Lichtes gemessen werden konnte.
Es musste also auch außerhalb des sichtbaren Spektrums noch Strahlung geben, die er „infrarotes Licht“ nannte und die in ihrer Wirkung Wärmestrahlung ist. Heute bezeichnen wir diesen Spektralbereich als Infrarotbereich (infra = jenseits) und unterteilen ihn weiter in nahes, mittleres und fernes Infrarot.
Elektromagnetisches Spektrum: Jenseits des sichtbaren roten Lichtes befindet sich der Infrarotbereich.
Die Eigenschaft der Wärmestrahlung wird auch von einigen Tieren genutzt. So haben Schlangen mit Hilfe ihrer Infrarotrezeptoren die Fähigkeit entwickelt, die Körperwärme ihrer Beutetiere in der Dunkelheit zu erkennen. Auch Fische, Frösche und Insekten wie Stechmücken können Wärme „sehen“.
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Mit Hilfe eines Prismas und eines Thermometers entdeckte Herschel die Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) der Sonne.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts begann die tiefere Erforschung elektromagnetischer Wellen, zu der auch die Wärmestrahlung bzw. Infrarotstrahlung gehört. Führende Forscher wie Kirchhoff, Boltzmann, Wien und Planck fassten ihre Entdeckungen u.a. in den Strahlungsgesetzen zusammen.
Gegen Mitte des 20. Jahrhunderts begann die militärische Nutzung der Infrarotmesstechnik. In den 1960er Jahren wurden die ersten Thermografie-Geräte für den nichtmilitärischen Bereich entwickelt.
Heute stehen eine Vielzahl moderner, hochauflösender Infrarot- bzw. Wärmebildkameras für die verschiedensten Anwendungsbereiche zur Verfügung. Orglmeister hat sich auf das Gebiet der Brandfrüherkennung spezialisiert – denn Früherkennung kritischer Temperaturen ist besser als Branderkennung.
Das menschliche Auge kann bestimmte Bereiche des Strahlungsspektrums als sichtbares Licht wahrnehmen. Ein 1.200 °C heißes Stück Stahl erscheint uns Menschen zum Beispiel weißgelb glühend. Kühlt der Stahl ab, erscheint er zunehmend dunkelrot und „leuchtet“ unterhalb von etwa 550°C gar nicht mehr.
Dennoch sendet das Material zu jeder Zeit und bei jeder Temperatur eine spezifische Strahlung aus, die wir nur nicht sehen – eben die Infrarotstrahlung.
Moderne Infrarot- oder Wärmebildkameras, wie sie von Orglmeister eingesetzt werden, erfassen Infrarotstrahlung in einem Temperaturbereich von ca. -20 °C bis 1200 °C.
1.200 °C heißer Stahl erscheint weißgelb glühend. Kühlt der Stahl ab, erscheint er zunehmend dunkelrot und „leuchtet“ unterhalb von etwa 550°C gar nicht mehr. (Bild: davit85 – stock.adobe.com)
Die „besondere“ Physik der Infrarotstrahlung
Stellen Sie sich vor, Sie stehen fünf Meter außen vor einem normalen Wohnhausfenster. Nun richten Sie eine Wärmebildkamera bzw. Thermografiekamera, die Sie in der Hand halten, in Richtung dieser Fensterscheibe und erkennen plötzlich sich selbst. Sie erkennen nicht nur einen Umriss, Sie erkennen sogar die Temperaturverteilung Ihrer Körperoberfläche. Hätten Sie das erwartet?
Thermografie eines Wohnhausfensters. Die Glasscheibe reflektiert einen Teil der Infrarotstrahlung – der Thermograf sieht sich selbst.
Physikalisch ist Folgendes passiert: Die von Ihrem Körper abgegebene Infrarotstrahlung legt einen Weg von 5 m durch die Atmosphäre bis zur Fensterscheibe zurück, wird dort zu einem geringen Teil reflektiert, legt dann wiederum 5 m bis zu der in Ihrer Hand befindlichen Thermografiekamera zurück und trifft dort durch das Objektiv auf den Infrarotsensor.
Die interne Elektronik wertet die von Ihrem Körper abgestrahlte Infrarot-Strahlungsleistung aus, berechnet die entsprechenden Temperaturen und erzeugt daraus ein Thermobild in einer Falschfarben-Darstellung.
Beim Vergleich des Thermobildes mit dem Foto stellen Sie fest, dass auf dem Thermobild die Gardine nicht sichtbar ist. Der Grund dafür ist die geringe thermische Transmission (Durchlässigkeit) von Glas. Die Infrarotstrahlung der Gardine durchdringt daher nicht die Fensterscheibe und wird somit im Thermobild nicht dargestellt.
Eine Wärmebildkamera misst die Oberflächenstrahlung eines Objekts
Mittels Thermografie lassen sich ausschließlich Temperaturen messen, die von der Oberfläche eines Materials ausgehen. Temperaturen von Luft oder Gasen, Temperaturen hinter Hindernissen, auf der Rückseite oder im Inneren einer Aufschüttung bleiben der Thermografie verborgen.
Ein für die Infrarotmesstechnik optimales Messobjekt ist schwarz und hat eine extrem raue Oberfläche, die nicht spiegelt. Solche Objekte kommen in der Natur kaum vor. Objekte mit diesen optimalen Infraroteigenschaften bezeichnet man als „Schwarze Strahler“. Der Name kommt daher, dass diese Strahler so schwarz sind, dass die Tiefe des Objektes nicht mehr erkennbar ist.
Wenn Sie beispielsweise einen Fußball mit einer dicken Gipsschicht versehen und anschließend in diesen Fußball ein Loch von 2 cm Durchmesser bohren, wäre es für Sie unmöglich, die Tiefe des Loches abzuschätzen. Wäre dieser Fußball nun an allen Stellen gleichmäßig beheizt, hätten Sie einen ausgezeichneten schwarzen Strahler gebaut, der seine Infrarotenergie optimal aus diesem Loch abstrahlen kann. Dieser Fußball hätte einen Emissionsgrad ε = 1 und würde als Kugelstrahler bezeichnet werden.
Der Prüfstrahler PYROcal® erzeugt eine Festtemperatur von exakt 95°C bei einem Emissionsgrad von 0,99. Damit kommt PYROcal® einem perfekten „Schwarzen Strahler“ sehr nahe. Mit PYROcal® können Wärmebildkameras kalibriert werden.
Es gibt auch Körper, die eher Strahlung von anderen Gegenständen reflektieren, also annähernd gar nicht strahlen. Bei diesen sogenannten „nicht schwarzen“ Oberflächen muss zur Ermittlung der Temperatur die Strahlungsleistung über den Emissionsgrad ε korrigiert werden. Ebenso spielt die Transmission eine Rolle, also die Durchlässigkeit eines Materials für Infrarotstrahlung.
Glücklicherweise besitzt eine Vielzahl nichtmetallischer Stoffe im langwelligen Spektralbereich unabhängig von ihrer Oberflächenbeschaffenheit einen hohen und relativ konstanten Emissionsgrad. Hierzu gehören die menschliche Haut ebenso wie die meisten mineralischen Bau- und Anstrichstoffe, Gummi, viele Lacke, Emaille etc. Auch lackierte, beklebte oder verschmutzte metallische Oberflächen sind zur Darstellung in der Thermografie gut geeignet – dazu ein Beispiel:
Ein mattschwarz lackierter Körper sendet mehr Strahlungsenergie aus als eine helle, polierte, reflektierende Oberfläche. Nähert man sich z.B. mit der Hand auf eine Entfernung von ca. 10 cm einem polierten Würfel aus Edelstahl, der ca. 100°C heiß ist, hat man das Gefühl, dass der Würfel nicht besonders heiß ist. Wird der gleiche Würfel nun mit einer speziellen mattschwarzen Farbe gestrichen, fühlt sich der Würfel bei gleicher Temperatur und gleichem Abstand zur Hand sehr viel heißer an. Auch eine Thermografiekamera würde diese beiden Würfel mit unterschiedlichen Temperaturen anzeigen.
