mess:thermometer
Differences
This shows you the differences between two versions of the page.
Both sides previous revisionPrevious revisionNext revision | Previous revision | ||
mess:thermometer [2019/10/18 14:56] – [Literatur] sarina | mess:thermometer [2022/09/16 15:44] (current) – sarina | ||
---|---|---|---|
Line 1: | Line 1: | ||
- | {{menu> | ||
- | |||
====== Temperaturmessung ====== | ====== Temperaturmessung ====== | ||
- | 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. => [[: | ||
- | ===== Lufttemperatur messen ===== | ||
- | Die Lufttemperatur lässt sich leicht mit verschiedenen Thermometern messen. Man muss nur aufpassen, dass keine zusätzliche Wärmestrahlung auf das Thermometer fällt. Die Lufttemperatur wird immer „im Schatten“ gemessen. Als Thermometer eigenen sich Bimetallthermometer, | + | ===== Luft- und Wassertemperatur ===== |
- | ===== Wassertemperatur messen ===== | + | 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. |
- | Auch die Wassertemperatur | + | Am einfachsten sind die Luft- und die Wassertemperatur |
- | ===== Oberflächentemperatur von Gegenständen | + | 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. |
- | Oberflächentemperaturen | + | Das Flüssigkeitsthermometer |
- | Oberflächentemperaturen können auch mit einem Infrarotthermometer kontaktfrei gemessen werden. Das klingt zunächst sehr viel einfacher als ein Kontaktthermometer auf den Gegenstand zu drücken. Allerdings muss für eine Messung | + | Die insbesondere im Aquarienbereich bekannten Flüssigkristallthermometer bestehen aus verschiedenen farbigen Feldern, die bestimmten Temperaturen zugeordnet sind. Sie enthalten Flüssigkristalle, |
===== Wärmestrahlung unter einer Lampe messen ===== | ===== Wärmestrahlung unter einer Lampe messen ===== | ||
- | „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 |
- | 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 | + | 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 |
- | 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 andere Möglichkeit besteht darin, die sichtbare Wärmestrahlung mit einem [[mess/ |
- | Eine andere Möglichkeit besteht darin, die sichtbare Wärmestrahlung mit einem Luxmeter zu messen. Bei HQI-Lampen sind Wärmestrahlung im sichtbaren und Infraroten Bereich zusammen sonnenähnlich, | ||
- | Ein einfaches Messgerät, ähnlich den Solarmeter-Messgeräten für UV-Strahlung, | + | ===== Oberflächentemperatur von Gegenständen und Tieren messen ===== |
- | ====== | + | Oberflächentemperaturen sind bereits schwieriger zu messen. Da normale |
- | ===== Bimetallthermometer ===== | + | ==== IR-Thermometer |
- | Die Funktion dieses Thermometers beruht | + | Oberflächentemperaturen können auch mit einem Infrarotthermometer oder einer Wärmebildkamera kontaktfrei gemessen werden. Das ist deutlich einfacher als ein Kontaktthermometer |
- | ===== " | + | 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. |
- | Das Flüssigkeitsthermometer (heute nicht mehr mit flüssigem Quecksilber gefüllt, sondern häufig mit gefärbtem Ethanol) beruht ebenfalls | + | 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 |
- | ===== Elektronische Thermometer ===== | + | Mit der Stefan-Boltzmann-Formel wird aus der Intensität I und dem Emissionskoeffizienten ε die Temperatur |
- | + | ||
- | Elektronische Widerstandthermometer messen den Widerstand eines elektrischen Leiters. Dieser ändert sich mit der Temperatur. Sie messen | + | |
- | Elektronische Thermoelementthermometer messen die elektrische Spannung eines Thermoelements. Das Thermoelement erzeugt eine unterschiedliche Spannung je nach Temperatur seiner beiden Grenzflächen. Diese Thermometer reagieren sehr schnell und sind daher gut für eine Kontakttemperaturmessung geeignet. | + | \[ I \propto \, |
- | | + | 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 " |
- | Die insbesondere im Aquarienbereich bekannten Flüssigkristallthermometer bestehen aus verschiedenen farbigen Feldern, die bestimmten Temperaturen zugeordnet sind. Das physikalische Prinzip bildet die temperaturabhängige Drehung der Polarisationsebene durch Flüssigkristalle. Licht kann nur in dem Feld passieren, in dem die Temperatur mit der voreingestellten Mischung der Flüssigkristalle übereinstimmt. Diese Thermometer messen die Temperatur der Flüssigkristallschicht. | + | {{: |
- | ===== Infrarotthermometer / Pyrometer ===== | ||
- | Ich darf vorweg nehmen, dass ich Infrarotthermometer persönlich nicht sehr mag, weil die Messergebnisse sehr leicht verfälscht sein können. Man muss viel über Physikalischen Eigenschaften der Oberfläche der Gegenstände wissen, deren Temperatur man messen will. | + | ==== Keine Transmission durch Glas ==== |
- | Pyrometer messen die Intensität der Wärmestrahlung, die ein Gegenstand ausstrahlt, in einem engen Wellenlängenbereich und berechnen daraus zusammen mit dem Emissionsgrad ε die Temperatur der Oberfläche. Die Handelsüblichen Infrarot-Messgeräte in „Pistolenform“ arbeiten | + | Es ist sehr wichtig zu wissen, dass IR-Strahlung |
- | Für einen idealen Gegenstand kann man die Wärmestrahlung leicht berechnen (siehe [[http:// | + | Ich sehe gar nicht so selten auf Facebook FLIR-Fotos des Terrariums |
- | {{: | + | 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. |
- | Für reale Gegenstände ist die Rechnung komplizierter. Reale Gegenstände haben maximal ein ε(λ) = 1, in vielen Fällen ist ε(λ) < 1. Reale Gegenstände strahlen also meist weniger Wärmestrahlung ab. 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 {{wkx>1096}} gemessen. | + | {{ : |
- | [{{ : | + | ==== Wellenlängenbereiche ==== |
- | 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 | + | Beispielsweise dann, wenn man durch Glas hindurch messen wollte, bräuchte |
- | + | ||
- | Die abstrahlte Wärmestrahlung hat ihr Maximum bei Gegenständen zwischen 0 °C und 100 °C Oberflächentemperatur zwischen 10,6 µm und 7,8 µm und für Gegenstände zwischen 500 °C und 1000 °C zwischen 4 µm und 2 µm. Je nach Anwendung gibt es Pyrometer in verschiedenen Wellenlängenbereichen: | + | |
* 8 – 14 µm ist der aktuelle Standard der günstigen Pyrometer und geeignet für nichtmetallische Oberflächen. | * 8 – 14 µm ist der aktuelle Standard der günstigen Pyrometer und geeignet für nichtmetallische Oberflächen. | ||
* 5,14 µm Wellenlänge wird für Glasoberflächen verwendet. | * 5,14 µm Wellenlänge wird für Glasoberflächen verwendet. | ||
Line 77: | Line 67: | ||
* Bei 3,9 µm Wellenlänge kann man andererseits durch Flammen hindurch die Temperatur von Werkstücke in Öfen messen. | * 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. | ||
+ | [{{: | ||
- | 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. | ||
- | Die Linse beeinflusst, | + | ==== Emissionskoeffizient ==== |
- | IR-Thermometer | + | 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. |
- | * Passende Werte – bitte immer darauf achten, dass sie für 8 – 14 µm Wellenlänge sind – findet man in verschiedene Tabellen. | + | |
+ | Anhand der oben dargestellten Grafik lässt sich der Temperaturfehler durch falsch eingestellten Emissionskoeffizienten berechnen: | ||
+ | |||
+ | [{{: | ||
+ | [{{: | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Um den passenden Emissionsgrad | ||
* Man misst die Oberflächentemperatur auch mit einem Kontaktthermometer und stellt dann den Emissionsgrad des Infrarotthermometers so ein, dass es die gleiche Temperatur anzeigt. | * 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. | * 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, | ||
+ | * **Metalle**: | ||
+ | * **Stein**: Asphalt: 0,95; Basalt: 0,7; Keramik 0,95; Kalkstein 0,95 | ||
+ | * **Andrere**: | ||
- | Bei einem Pyrometer, das mit 8 – 14 µm Wellenlänge arbeitet gilt: Ein um 10% falscher Emissionsgrad führt zu einem Temperaturfehler von 8 °C pro 100 °C Oberflächentemperatur | + | [{{: |
- | Strahlung | + | Der Emissionsgrad variiert sehr stark mit der Wellenlänge. |
- | Weiterhin ist wichtig zu wissen, dass die Wärmestrahlung im Idealfall wie bei einem Lambert-Strahler abgestrahlt wird, also hauptsächlich senkrecht | + | [{{ir/ |
- | ==== Wärmebildkamera ==== | + | 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, |
- | Wärmebildkameras sind Infrarotthermometer mit einem Detektorarray. Insbesondere die Wärmebildkameras der Marke FLIR, die an ein Smartphone gesteckt werden und vergleichsweise günstig sind, sind in den letzten Jahren in der Terraristik beliebt geworden. Auch diese Kameras arbeiten mit 8 – 14 µm Wellenlänge. | ||
- | Bei der FLIR ONE werden die Emissionskoeffizienten 0.95 für matte Oberflächen, | ||
- | 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 | + | ==== Außerdem wichtig |
- | Gewissermaßen arbeitet die Wärmebildkamera wie eine alte schwarz-weiß-Kamera. | + | Die Linse beeinflusst, |
+ | |||
+ | 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 | ||
===== Literatur ===== | ===== Literatur ===== | ||
Line 108: | Line 110: | ||
{{wkxblind> | {{wkxblind> | ||
{{wkxblind> | {{wkxblind> | ||
+ | {{wkxblind> | ||
{{wkxbib}} | {{wkxbib}} |
mess/thermometer.1571403410.txt.gz · Last modified: 2019/10/18 14:56 by sarina