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Temperaturmessung

Luft- und Wassertemperatur

Die Messung der Temperatur an sich ist einfach. Weil wir oft aber etwas anderes als Temperatur meinen, obwohl wir von Temperatur reden, hat Temperaturmessung doch ihre Tücken. ⇒ Wärme und Temperatur.

Am einfachsten sind die Luft- und die Wassertemperatur zu messen. Bei der Lufttemperatur misst man “im Schatten”, also dort wo keine Wärmestrahlung von Lampen auf das Thermometer fällt. Am häufigsten werden heute wohl elektrische Thermometer mit extermem Sensor verwendet. Hier wird technisch entweder die elektrische Spannung eines Thermoelements gemessen oder der elektrische Widerstand. Beim Thermoelement entsteht eine Spannung an beiden Grenzflächen, die von der Temperatur abhängt. Diese Thermometer reagieren sehr schnell und sind daher gut für eine Kontakttemperaturmessung geeignet.

Für die Lufttemperatur funktionieren auch Bimetallthermometer gut: In den runden analogen Zoohandels-Thermometer dehen sich zwei aufeinander geklebte Metallstreifen aus unterschiedlichem Metall unterschiedlich stark aus und bewegen so den Zeiger. Häufig sind diese Thermometer in einen Plexiglaskasten eingeschlossen. Unter Wärmestrahlung heizt sich dieser Kasten auf, und führt dazu dass eine höhere Temperatur gemessen wird.

Das Flüssigkeitsthermometer sind heute nicht mehr mit flüssigem Quecksilber gefüllt, sondern meist mit gefärbtem Ethanol. Die Temperaturskala zeigt die Temperatur der Flüssigkeit an, die sich bei Wärme ausdehnt.

Die insbesondere im Aquarienbereich bekannten Flüssigkristallthermometer bestehen aus verschiedenen farbigen Feldern, die bestimmten Temperaturen zugeordnet sind. Sie enthalten Flüssigkristalle, die die Polarisationsebene von Licht drehen. Die Anordnung von zwei gekreuzten Polfiltern mit einer Lange Flüssigkristalle dazwischen ist nur dann transparent für Licht, wenn die Temperatur mit der voreingestellten Mischung der Flüssigkristalle übereinstimmt. Diese Thermometer messen die Temperatur der Flüssigkristallschicht.

Wärmestrahlung unter einer Lampe messen

Temperaturmessung unter einer Lampe mit verschiedenen Thermometern
Foto: Nicole Welz, www.nicoles-halsbandleguane.de

„Am Sonnenplatz unter der Lampe muss es 40°C warm sein“ – gerade die Temperatur am Sonnenplatz wollen viele Reptilienhalter messen. Dabei handelt es sich hier gar nicht um eine Temperatur. Eigentlich ist der Wunsch, dass am Sonnenplatz so viel Wärmestrahlung vorhanden ist, dass die Tiere sich gut auf Betriebstemperatur aufwärmen können. Aber Wärmestrahlung an sich, kann ein Thermometer nicht messen.

Viele Terrarianer messen daher die Oberflächentemperatur eines schwarzen Schiefersteins am Sonnenplatz. Wichtig ist, dass es eine Zeit dauert, bis der Stein seine maximale Temperatur erreicht hat. Je nach Größe des Steins und den Gegebenheiten im Terrarium muss man auch mal eine Stunde oder länger warten, bis die Temperaturmessung realistisch ist. Wichtig ist auch, dass ein schwarzer Schieferstein unter der Wärmelampe eine deutlich höhere Temperatur erreichen wird, als z.B. cremefarbener Sand oder Kork. Wenn man Temperaturen unter dem Sonnenplatz vergleicht, muss man immer auch vergleichen, wie diese Temperatur gemessen wurde.

Ein zweites Problem: Auch wenn ein Stein oder ein Stück Holz unter der Lampe gut warm werden, muss das für ein Reptil nicht auch gelten. Eine Untersuchung hat gezeigt, dass Warane unter einer Ultravitalux sehr viel schneller aufgewärmt sind als unter einem Arcadia-Deep-Heat-Projector, obwohl in beiden Fällen am Sonnenplatz 40°C gemessen wurden [1112OLIVER THOMAS. 2019. Effects of different heat sources on the behaviour of blue tree monitors (Varanus macraei) in captivity. The Herpetological Bulletin 149. 41–43. . https://dx.doi.org/10.33256/hb149.4143.]. Das liegt darin, dass in diesem Fall die Wärmestrahlung beider Lampen zwar gleich vom Thermometer absorbiert wurde, aber nicht gleich gut vom Waran. Die biologische Wirkung von sichtbarer und infrarot-A-Strahlung (Ultravitalux) und IRB-Strahlung (Deep-Heat-Projector) unterscheiden sich stark.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die sichtbare Wärmestrahlung mit einem Luxmeter zu messen oder die sichtbare Wärmestrahlung und/oder die Infarot-A-Wärmestrahlung mit einem Photovoltaik-Messgerät zu messen. Sonnenlicht hat ca. 100'000 lux sichtbare Wärmestrahlung und etwa 420 W/m² IRA (700-1400 µm).

Oberflächentemperatur von Gegenständen und Tieren messen

Oberflächentemperaturen sind bereits schwieriger zu messen. Da normale Thermometer immer ihre eigene Temperatur messen, muss das Thermometer sehr guten Kontakt zu dem Gegenstand haben. Nur dann ist Wärmeleitung zwischen Thermometer und dem Gegenstand möglich und das Thermometer kann die Temperatur des Gegenstands annehmen. Elektronische Thermometer mit sehr kleiner und flacher Messspitze können auf den Gegenstand aufgedrückt werden. Dabei sollte man mit einem thermisch gut isolierenden Material drücken (z.B. Kork) und nicht etwa mit dem eigenen warmen Finger – denn sonst würde man eventuell die Temperatur des eigenen Fingers messen.

IR-Thermometer

Oberflächentemperaturen können auch mit einem Infrarotthermometer oder einer Wärmebildkamera kontaktfrei gemessen werden. Das ist deutlich einfacher als ein Kontaktthermometer auf den Gegenstand zu drücken. Die “Temperaturpistolen” sind günstig und einfach in der Anwendung. Auch die Wärmebildkameras der Marke FLIR, die an ein Smartphone gesteckt werden, sind in den letzten Jahren in der Terraristik beliebt geworden. Beide messen die Infrarotstrahlung zwischen 8 µm und 14 µm Wellenlänge.

Als Detektor dient ein Mikrobolometer. Dieses besteht aus einer thermisch isolierten zweischichtigen Membran. Eine Schicht dient als Absorber und absorbiert die Infrarotstrahlung. Die Sensorschicht (oft amorphes Silizium oder Vanadiumdioxis) ändert ihren elektrischen Wiederstand mit der Temperatur. Somit misst das Mikrobolometer die Temperatur der Absorbermembran als Ergebnis der Absorption der Infrarotstrahlung. Die einzelnen Pixel in einem Mikrobolometer sind im Standardfall 17 µm groß, die neuere Generation besteht aus 12 µm großen Pixeln. Mikrobolometer können im Gegensatz zu Fotodioden auch ungekühlt betrieben werden.

Gewissermaßen arbeitet die Wärmebildkamera wie eine alte schwarz-weiß-Kamera. Die schwarz-weiß-Kamera fängt alles Licht mit Wellenlänge 400 nm bis 800 nm auf. Dieses Licht wurde von den Gegenständen reflektiert. Das Bild ist dunkel, wenn wenig Strahlung auf den Detektor fällt, und hell, wenn viel Strahlung auf den Detektor fällt. Die Wärmebildkamera fängt alle Strahlung mit Wellenlänge 8 µm bis 14 µm auf. Diese Strahlung wurde von den Gegenständen aufgrund ihrer Oberflächentemperatur emittiert. Die Wärmebildkamera zeigt eine hohe Temperatur an, wenn viel Strahlung auf den Detektor fällt und eine geringe Temperatur, wenn wenig Strahlung auf den Detektor fällt.

Mit der Stefan-Boltzmann-Formel wird aus der Intensität I und dem Emissionskoeffizienten ε die Temperatur T berechnet (Disclaimer: Diese Formel hier ist vereinfacht, weil natürlich auch die Wellenlängen wie in der Grafik unten beachtet werden müssen)

\[ I \propto \,\,\epsilon \cdot \left(\frac{T}{°C} + 273,15\right)^4 \]

Viele handelsübliche IR-Thermometer messen im Bereich -50 °C bis 550 °C. Umgerechnet in Kelvin sieht man, dass zwischen den beiden Temperaturen ein Faktor 3,7 liegt (823 K / 223 K = 3,7). Wegen dem “Hoch-4-Gesetz” der Wärmestrahlung, sieht das IR-Thermometer bei 550°C aber eine Faktor 100 höhere Intensität als bei -50 °C (409 µW/cm² / 4 µW/cm²). Diese hohen Intensitätsunterschiede werden entsprechend auf die Temperatur umgerechnet.

Keine Transmission durch Glas

Es ist sehr wichtig zu wissen, dass IR-Strahlung mit 8-14 µm Wellenlänge nicht durch Glas geht. Eine handelsübliche Wärmebildkamera oder Temperaturpistole misst immer die Temperatur des Glases, aber nicht die Temperatur der Gegenstände hinter dem Glas.

Ich sehe gar nicht so selten auf Facebook FLIR-Fotos des Terrariums - aufgenommen mit geschlossener Frontscheibe des Terrariums. Die Software der gängigen Wärmebildkameras überlagert das Farbbild der Temperaturen mit einer Umrisszeichnung. Das Farbbild wird von der Infrarotkamera aufgenommen. Die Umrisszeichnung kommt aus der Kamera für das sichtbare Licht. Ich vermute, die meisten Anwender kommen gar nicht auf die Idee, dass die Kamera nicht - so wie wir selbst - durch die Glasscheibe hindurch schauen können. Die Umrisszeichnungen, die alles hinter der Glasscheibe klar zeigen, verstärken diese Erwartung noch.

Aber die Wärmebildkameras können nicht durch Glas schauen. Ich hoffe, ich kann das durch dieses Foto meiner Hand im Phelsumen-Terrarium visualisieren. Die Temperatur der Hand wird nur im Bereich der offenen Schiebetür gemessen. Ansonsten zeigt die Wärmebildkamera die Temperatur der Glasscheibe an - überlagert von der Umrisszeichnung der Dinge im Terrarium. Noch dazu sieht man auf der Glasscheibe auch das Spiegelbild des Arms, der die Kamera hält.

Wellenlängenbereiche

Beispielsweise dann, wenn man durch Glas hindurch messen wollte, bräuchte man eine andere Wellenlänge, die aber nur für Spezialanwendungen genutzt werden.

  • 8 – 14 µm ist der aktuelle Standard der günstigen Pyrometer und geeignet für nichtmetallische Oberflächen.
  • 5,14 µm Wellenlänge wird für Glasoberflächen verwendet.
  • 0,5 – 2,3 µm Wellenlänge verwendet man für flüssige und feste Metalloberflächen.
  • 7,9 µm Wellenlänge wird für Messungen an dünnen Kunststofffolien verwendet.
  • 4,5 µm Wellenlänge verwendet man für die Messung an Flammengasen.
  • Bei 3,9 µm Wellenlänge kann man andererseits durch Flammen hindurch die Temperatur von Werkstücke in Öfen messen.

Die Infrarotstrahlung wird falls nötig auf den passenden Wellenlängenbereich gefiltert und dann mit einer Linse, die für diese Wellenlänge geeignet ist, auf einen Detektor gebündelt. Als Detektoren können pyroelektrische Sensoren oder and Thermosäulen genutzt werden.

Der Messfehler bei falschem Emissionskoeffizient ist kleiner, wenn ein IR-Thermometer mit kleinerer Wellenlänge verwendet wird.

Emissionskoeffizient

Der Emissionskoeffizient bestimmt, welche Temperatur aus der gemessenen Intensität berechnet wird. Viele Gegenstände haben bei 8 - 14 µm Wellenlänge einen Emissionskoeffizient von 0,95, daher haben die typischen IR-Pistolen diesen Wert voreingestellt. Teurere Geräte erlauben es, den Emissionskoeffizienten einzustellen.

Anhand der oben dargestellten Grafik lässt sich der Temperaturfehler durch falsch eingestellten Emissionskoeffizienten berechnen:

Erwarteter Temperaturfehler, wenn der reale Emissionskoeffizient statt 0.95 zwischen 0.80 und 1.00 liegt. Ist der reale Emissionskoeffizient geringer (z.B. 0.8) so unterschätzt das IR-Thermometer die Temperatur.
Beispiel: Werden mit der Einstellung ε=0.95 20°C gemessen, aber der reale Emissionskoeffizient ist ε=0.80, so ist die reale Temperatur 20°C + 12°C = 32°C.
Erwarteter Temperaturfehler, wenn der reale Emissionskoeffizient statt 0.95 zwischen 0.30 und 1.00 liegt. Ist der reale Emissionskoeffizient geringer (z.B. 0.3) so unterschätzt das IR-Thermometer die Temperatur.
Beispiel: Werden mit der Einstellung ε=0.95 100°C gemessen, aber der reale Emissionskoeffizient ist ε=0.30 (Aluminium), so ist die reale Temperatur 100°C + 155°C = 255°C.

Um den passenden Emissionsgrad für ein Material zu finden, gibt es drei Möglichkeiten [1092Pyrometer-Handbuch: Berührungslose Temperaturmessung: Firmenschrift der IMPAC Infrared GmbH.]

  • Man misst die Oberflächentemperatur auch mit einem Kontaktthermometer und stellt dann den Emissionsgrad des Infrarotthermometers so ein, dass es die gleiche Temperatur anzeigt.
  • Man stellt den Emissionsgrad auf ε = 1 ein und misst die mit Ruß oder Speziallack geschwärzte Oberfläche. Anschließend stellt man den Emissionsgrad so ein, dass auch für die ungeschwärzte Oberfläche die gleiche Temperatur angezeigt wird.
  • Es gibt verschiedene Tabellen, z.B. in der Bedienungsanleitung des Therometers, aber auch im Internet. Bei Tabellen aus anderen Quellen muss man unbedingt darauf achten, dass sie für 8 – 14 µm Wellenlänge sind. Eine umfangreiche Liste enthalt z.B. [1085]
    Beispiele Emissionskoeffizient für 8 - 14 µm Wellenlänge:
    • Metalle: Oxidiertes Aluminium 0,3; angerauhtes Aluminium 0,1-0,3; oxidiertes Messing 0,5; Stahl: 0,7 - 0,9; oxidiertes Kupfer: 0.6
    • Stein: Asphalt: 0,95; Basalt: 0,7; Keramik 0,95; Kalkstein 0,95
    • Andrere: Lehm: 0,95; Stoff: 0,95; Glas: 0,85; Papier: 0,95; Wasser: 0,93; Eis: 0.98; Holz: 0.9-0.95; Sand: 0,90; Farbe 0,93
Wärmebild einer Halogenlampe in einem schwarzen und einem metallisch-silbernen Dome Reflektor. Die Temperatur des silberen Reflektors wird als deutlich geringer angezeigt. Es ist nicht völlig klar, welchen Anteil hier der Emissionskoeffizient hat, aber es ist davon auszugehen, dass die Temperatur des Reflektors falsch zu klein gemessen wurde.
Foto: Peter Blake, Facebook

Der Emissionsgrad variiert sehr stark mit der Wellenlänge. Ich hätte als Beispiel hier gerne einen terraristisch relevanten Gegenstand gezeigt aber nur wenige Daten in der Literatur gefunden. Daher hier das Spektrum der Wärmestrahlung der Erde. Dieses wurde in [1096D.D. TURNER, E.J. MLAWER, G. BIANCHINI, M.P. CADEDDU, S. CREWELL, J.S. DELAMERE, R.O. KNUTESON, G. MASCHWITZ, M. MLYNCZAK, S. PAINE, L. PALCHETTI & D.C. TOBIN. 2012. Ground‐based high spectral resolution observations of the entire terrestrial spectrum under extremely dry conditions. Geophysical Research Letters 39.10. . https://dx.doi.org/10.1029/2012GL051542.] gemessen.

Wärmestrahlung der Erde im Vergleich zur Wärmestrahlung eines idealen Gegenstands mit 7°C Oberflächentemperatur

In weiten Bereichen strahlt die Erde oder die Erdatmosphäre wie ein idealer Gegenstand (Plankscher Strahler) mit 7°C Oberflächentemperatur. Bei Wellenlängen größer als 35 µm stimmt die Intensität fast exakt überein. Für diese Wellenlängen gilt ε=1. Bei anderen Wellenlängen strahlt die Erde aber deutlich weniger Wärmestrahlung ab, als sie es von ihrer Temperatur her eigentlich müsste. Die Erde hat als realer Gegenstand einen Emissionsgrad ε < 1. Das ist besonders deutlich um 10 µm Wellenlänge herum. Hier strahlt die Erde fast gar keine Wärmestrahlung ab, obwohl man allein von der Temperatur her bei etwa 10 µm das Strahlungsmaximum erwarten würde. Mit einem gängigen IR-Thermometer, das bei 8 - 14 µm arbeitet, könnte man die Temperatur der Erdatmosphäre vom Weltraum aus nicht messen!

Außerdem wichtig zu wissen

Die Linse beeinflusst, welchen Bereich der Sensor „sieht“. Beispielsweise bedeutet eine Spotgröße von 50:1, dass der Sensor die mittlere Temperatur in einem 1 cm großen Kreisbereich misst, wenn das Thermometer 50 cm von der Oberfläche entfernt ist. Um besser zielen zu können, haben die Temperaturpistolen einen Laserpointer. Dieser verleitet aber manchmal zu der Annahme, der Messspot wäre eben so klein wie der Laserspot.

Weiterhin ist wichtig zu wissen, dass die Wärmestrahlung im Idealfall wie bei einem Lambert-Strahler abgestrahlt wird, also hauptsächlich senkrecht zur Oberfläche. Hält man das IR-Thermometer so, dass der Laser nicht senkrecht auf die Oberfläche trifft, ist die gemessene Temperatur verfälscht und zu niedrig.

Literatur

[1112] OLIVER THOMAS. 2019. Effects of different heat sources on the behaviour of blue tree monitors (Varanus macraei) in captivity. The Herpetological Bulletin 149. 41–43. . https://dx.doi.org/10.33256/hb149.4143.
[1092] Pyrometer-Handbuch: Berührungslose Temperaturmessung: Firmenschrift der IMPAC Infrared GmbH.
[1096] D.D. TURNER, E.J. MLAWER, G. BIANCHINI, M.P. CADEDDU, S. CREWELL, J.S. DELAMERE, R.O. KNUTESON, G. MASCHWITZ, M. MLYNCZAK, S. PAINE, L. PALCHETTI & D.C. TOBIN. 2012. Ground‐based high spectral resolution observations of the entire terrestrial spectrum under extremely dry conditions. Geophysical Research Letters 39.10. . https://dx.doi.org/10.1029/2012GL051542.
[1094] JOHN W. SALISBURY & DANA M. D'ARIA. 1992. Emissivity of terrestrial materials in the 8–14 μm atmospheric window. Remote Sensing of Environment 42.2. 83–106. . https://dx.doi.org/10.1016/0034-4257(92)90092-X.
[1093] thermoMETER Handheld.
[1085] Grundlagen der berührungslosen Temperaturmessung. optris infrared measurements.

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mess/thermometer.txt · Last modified: 2022/09/16 15:44 by sarina

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