Pyrometer

Messung der Temperatur an Lüftungsschächten mittels Pyrometer auf einem Flugzeugträger

Pyrometer, auch Strahlungsthermometer genannt, dienen zur berührungslosen Temperaturmessung. Temperaturen zwischen -50°C und +3500°C können mit solchen Geräten gemessen werden. Jeder Gegenstand emittiert Infrarot-Strahlung, deren Stärke von seiner Temperatur abhängt. Diese Strahlung wird mit dem Pyrometer erfasst und ausgewertet. Wenn das Messobjekt kälter als das Pyrometer ist, ist der Strahlungsfluss negativ, d.h. das Pyrometer gibt Wärmestrahlung an das Messobjekt ab, was man natürlich auch auswerten kann.

Grundlage bildet das Planck'sche Strahlungsgesetz, nach dem die Gesamtstrahlungsleistung W für einen idealen Schwarzen Körper von der absoluten Temperatur T(in K) abhängt. Mit Stefan-Boltzmann-Konstante $\sigma$ :

$W=\sigma *T^{4}$

Pyrometer werten jedoch immer nur einen durch ein Filter auf einen bestimmten Wellenlängenbereich eingeschränkten Teil des Temperaturspektrums aus. Welcher Wellenlänge für die gewünschte Messung optimal ist, hängt vom zu messenden Material und seiner Temperatur ab.

Für eine berührungslose Temperaturmessung muss man den Emissionsgrad, also die Wärmeabstrahl-Fähigkeit des Messobjekts kennen (schwarzer Mattlack hat z.B. einen Emissionsgrad nahe 100%, poliertes Gold dagegen nur ca. 2%).

Der Emissionsgrad hängt meist von der Wellenlänge ab, so emittieren blanke Metalle am besten bei kurzen Wellenlängen (nahes Infrarot, knapp über der roten Sichtbarkeitsgrenze), während die meisten organischen Stoffe (Holz, Kunststoff, Papier) höhere Emissionsgrade im fernen Infrarot zeigen.

Als Detektoren für Pyrometer werden thermische (beispielsweise Thermosäulen) oder photoelektrische Detektoren verwendet. Die Linsen oder Sichtfenster bestehen für Geräte im nahen Infrarotbereich aus Glas oder Quarzglas, im mittleren und fernen IR aus Kristallen wie CaF2, ZnS, ZnSe oder auch aus Ge oder Si.

Vorteile der berührungslosen Temperaturmessung:

sehr schnelle Messung (100 ms bis zu 15 µs je nach Gerät)
kein Verschleiß
keine Temperatur-Beeinflussung des Messobjekts
keine mechanische Beschädigung von empfindlichen Objekten wie Folien oder Papier
kein Problem mit bewegten Messobjekten
Möglichkeit der Messung auch bei hohen Spannungen, elektromagnetischen Feldern oder aggressiven Materialien

In einem Quotientenpyrometer (Verhältnispyrometer, 2-Farben-Pyrometer) wird nicht die Intensität in nur einem Wellenlängenbereich gemessen, sondern es wird das Verhältnis der Intensitäten bei zwei unterschiedlichen "Farben" gebildet. Das bedeutet, dass die Temperatur nicht aufgrund der Helligkeit sondern aufgrund der Farbe der Strahlung bestimmt wird. Bei diesem Verfahren spielt der Emissionsgrad bei der Verhältnisbildung (Kürzen bei der Division) für die Messung keine Rolle, wenn er für das betreffende Messgut nicht stark wellenlängenabhänig ist.

Mit einem ortsauflösenden Pyrometer ist Thermographie möglich.

Literatur:

VDI-Richtlininie 3511 Blatt 4: Technische Temperaturmessung - Strahlungsthermometrie