Infrarot – Infrarotstrahlung
Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung) bezeichnet man elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem rotem Licht und der längerwelligen Mikrowellenstrahlung (auch Terahertzstrahlung genannt).
Infrarot (IR) besitzt damit Wellenlängen λ zwischen 780 nm und 1 mm, was einem Frequenzbereich von 300 GHz bis 400 THz entspricht. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts gelang die Erkenntnis, dass Wärmestrahlung und andere elektromagnetische Wellen wie sichtbares Licht oder Radiowellen wesensgleich sind. Dem folgte die Entdeckung der Strahlungsgesetze durch KIRCHHOFF, STEFAN, BOLTZMANN, WIEN und PLANCK.
Entdeckung der Infrarotstrahlung
Entdeckt wurde die Infrarotstrahlung um 1800 von Friedrich Wilhelm Herschel bei dem Versuch, die Temperatur der verschiedenen Farben des Sonnenlichtes zu messen. Er ließ dazu Sonnenlicht durch ein Prisma fallen und platzierte Thermometer in den einzelnen Farbbereichen. Er bemerkte, dass jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums das Thermometer die höchste Temperatur anzeigte. Aus dem beobachteten Temperaturanstieg schloss er, dass sich das Sonnenspektrum jenseits des sichtbaren roten Lichtes fortsetzt.
Einordnung im elektromagnetischen Spektrum
Infrarotstrahlung ist jener Teil des elektromagnetischen Spektrums, der sich an der langwelligen Seite des sichtbaren Spektrums an das rote Licht bei einer Wellenlänge von ca. 760 nm anschließt und sich bis zu etwa 1 mm Wellenlänge erstreckt.
Für die technische Temperaturmessung ist dabei der Bereich bis etwa 20 µm Wellenlänge von Bedeutung.
Unterteilung des infraroten Spektralbereiches
| Bezeichnung | Deutsche Abkürzung |
Englische Abkürzung |
Abkürzung nach CIE bzw. DIN |
Wellenlänge [µm] |
| Nahes Infrarot | NIR | NIR | IR-A | 0,78 ... 1,4 |
| Kurzwelliges Infrarot | NIR | SWIR | IR-B | 1,4 ... 3,0 |
| Mittleres Infrarot | MIR | MWIR | IR-C | 3,0 ... 8,0 |
| Langwelliges Infrarot | MIR | LWIR | IR-C | 8,0 ... 15,0 (50,0) |
| Fernes Infrarot | FIR | FIR | IR-C | 15,0 (50,0) ... 1.000,0 |
Infrarotstrahlung in der Sensorik
Pyroelektrische Detektoren von InfraTec spielen ihre Stärken in der Messtechnik vor allem im mittleren Infrarot aus, können aber auch für Laseranwendungen im UV sowie in dem Bereich der fernen Infrarotstrahlung genutzt werden.
Im mittleren infraroten Bereich von 2,5 bis 13 µm liegen die Absorptionsbanden zahlreicher Gase. Durch Bestimmung der charakteristischen Strahlungsabsorption mittels thermischer Sensoren (pyroelektrischer Detektor und Thermopile) lassen sich die Konzentrationen von Gasen wie CO
Durch das Erkennen von typischen Gasemissionen im MIR, welche bei einem Brand entstehen, können Flammen selektiv und sehr sicher über weite Entfernungen erkannt werden (Flammendetektor, Tripel IR, IR3).
Die weitere Unterteilung des infraroten Spektralbereiches ist unterschiedlich definiert. Die technischen Anwendungen NDIR-Gasanalyse, Flammenspektroskopie und Pyrometrie verwenden häufig die Einteilung in NIR, SWIR, MWIR, LWIR und FIR. Die CIE (Internationale Beleuchtungskommission) sowie die DIN 5031-7 verwenden die Einteilung in IR-A, IR-B und IR-C.
Infrarotstrahlung in der Thermografie
Die Temperaturmessung mit Hilfe der Infrarot-Thermografie beruht auf dem physikalischen Phänomen, dass jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes (-273,15 °C) elektromagnetische Strahlung aussendet. Zwischen der Oberflächentemperatur eines Körpers und der Intensität und spektralen Zusammensetzung der von ihm ausgesandten Strahlung besteht dabei ein eindeutiger Zusammenhang. Durch die Ermittlung der Strahlungsintensität kann somit die Temperatur eines Objekts berührungslos bestimmt werden. Dabei liegen einige physikalische Parameter zu Grunde.
Voraussetzung für eine aussagekräftige Temperaturmessung ist der Einsatz der richtigen Wärmebildkamera. InfraTec bietet als Spezialist für Thermografie ein komplettes Sortiment verschiedener Wärmebildkameras für den professionellen, universellen Einsatz an.
Die berührungslose Messung von Temperaturverteilunge auf Objekten oder in Prozessen gibt Auskunft über den Verlauf eines Vorgangs und über den Zustand eines Objektes. Da die Thermografie ein bildgebendes Verfahren ist, können z. B. Abweichungen von der Norm sofort erkannt werden. Dies ist essentiell, da bereits geringste Diskrepanzen einen erheblichen Einfluss auf Funktionstüchtigkeit und Qualität haben können.
Quellen der Infrarotstrahlung
Quellen der Infrarotstrahlung sind zunächst einmal alle Gegenstände, wobei deren Temperatur der wichtigste Parameter ist (Temperaturstrahler, Plancksches Strahlungsgesetz). Das wird bei der berührungslosen Temperaturmessung, der Pyrometrie, ausgenutzt. Intensität und spektrale Verteilung hängen darüber hinaus noch von der Oberfläche des Gegenstands ab, was mit dem Emissionsfaktor beschrieben wird. Ein idealer Temperaturstrahler hat einen spektral konstanten Emissionsfaktor von 1 und wird als Schwarzer Strahler bezeichnet. Kommerziell verfügbare Strahler sind aber meist gar nicht schwarz sondern besitzen einen elektrisch beheizten Hohlraum, der durch eine Lochblende die Strahlung austreten lässt. Physikalisch ist ein solcher Hohlraum fast ideal „schwarz“, da er keine Strahlung reflektiert (Hohlraumstrahlung). Technisch ist er aber einfacher herstellbar und außerdem viel langzeitstabiler als eine ideal schwarze Oberfläche. Glühlampen sind ebenfalls Temperaturstrahler. Allerdings ist ihre obere Wellenlänge durch die Absorption des Glaskolbens auf etwa 4 µm beschränkt. Weitere Quellen von Infrarotstrahlung sind LEDs und Laser. Deren Spektrum ist aber meist auf einen kleinen Bereich beschränkt, der vom Halbleitermaterial abhängt.
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