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IR-Grundlagen

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Optik

Am Anfang der Messkette befindet sich ein optisches System, welches meist aus einer Linsenoptik besteht. Diese empfängt die von einem Messfleck abgestrahlte Infrarotstrahlung und fokussiert diese auf einen Detektor.

Messabstand und Messfeld

Die Optik von Infrarot-Thermometern wird in der Regel durch das Ver-hältnis des Messabstandes zum Messfleckdurchmesser beschrieben (E:M oder D:S). Das Distanzverhältnis beschreibt, wie groß der Mess-fleck bei einer gegebenen Entfernung ist. Um eine Verfälschung des Messergebnisses zu vermeiden, sollte das Messobjekt größer oder gleich dem Sichtfeld des Sensors sein.

Nimmt das Messobjekt nur einen Teil des Messflecks ein, werden Tem-peraturerhöhungen nur als Mittelwert zwischen den heißen und kalten Flächenanteilen dargestellt. Hat beispielsweise eine elektrische Verbin-dung aufgrund eines korrodierten Kontaktes einen höheren Ohm‘schen Widerstand und erwärmt sich dadurch in unzulässiger Weise, wird dies bei kleinen Objekten und zu großen Messflecken nur als geringfügige Erwärmung dargestellt, sodass potenziell gefährliche Situationen nicht erkannt werden können.

Linsen- und Fenstermaterialien

Aufgrund der Abhängigkeit des Transmissionsverhaltens von der Wellenlänge lassen sich Linsen- und Fenstermaterialien nur für bestimmte Wellenlängenbereiche einsetzen. In den folgenden Abbildungen sind die Wellenlängenbereiche sowie die Transmission typischer Linsen und Fenstermaterialien für Infrarot-Thermometer dargestellt.

Für einige Messungen, wie z. B. in geschlossenen Reaktionsbehältern, Öfen oder Vakuumkammern, ist es in der Regel notwendig, durch ein geeignetes Messfenster hindurch zu messen. Die Transmissionswerte des Fensters sollten bei der Auswahl eines Fenstermaterials auf die spektrale Empfindlichkeit des Sensors abgestimmt werden. Quarzglas (SiO2) ist für den Einsatz bei hohen Messtemperaturen geeignet, bei niedrigen Temperaturen und Wellenlängen im Bereich von 8 bis 14 µm sind spezielle infrarotdurchlässige Materialien wie Germanium (Ge), Silizium (Si) oder Zinksulfid (ZnS) zu verwenden.

Bei der Auswahl des Fensters sollten außerdem die Temperaturbeständigkeit, die Druckbeständigkeit, die chemische Beständigkeit und der Durchmesser des Fenstermaterials berücksichtigt werden. Für ein Fens-ter mit 25 mm Durchmesser, das einer Druckdifferenz von einer Atmo-sphäre standhalten soll, ist z. B. eine Dicke von 1,7 mm ausreichend. Zum Ausrichten des Sensors auf das Messobjekt (z. B. im Vakuumbe-hälter) kann es sinnvoll sein, Fenstermaterialien einzusetzen, die auch im sichtbaren Bereich transparent sind.

Fenster mit Antireflexionsschichten besitzen eine wesentlich höhere Transmission (bis zu 95 Prozent). Der Transmissionsverlust kann  mit der Transmissionseinstellung am Gerät korrigiert werden, sofern vom Hersteller die Transmission für den entsprechenden Wellenlängenbereich angegeben wurde. Ansonsten lässt sie sich experimentell mit dem verwendeten Infrarot-Thermometer und einem Vergleichsstrahler bestimmen.

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