Custos Aeris berührungslose Temperaturmessung konstant bei Abstandsänderung
Berührungslose Oberflächen-Temperaturmessung und warum der Abstand des Hauptmoduls und Luftspaltmoduls zur Blei- und Schutzverglasung und anderen Gegenständen fast egal ist
Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz strahlt jeder Körper Wärmestrahlung ab, deren Intensität sehr stark von der Temperatur des Körpers abhängt. Die Gesamtstrahlungsleistung P für einen als idealen Strahler angenommenen Körper hängt ab von der Temperatur T (in Kelvin, dies entspricht einem Zahlenwert von ungefähr 273 Kelvin plus der Temperatur in Grad Celsius, also bei 15 Grad Celsius wäre der Wert 288 Kelvin). Außerdem ist die abstrahlende Fläche A wichtig. Sie wird in m² angegeben. Die Naturkonstante nach Stefan-Boltzmann wird Sigma ( σ ) genannt.
Damit ergibt sich:
P = σ * A * T⁴
Wir sehen daher, dass die Temperatur mit der vierten Potenz eingeht und daher ein sehr wichtiger Faktor ist. Die abstrahlende Fläche geht linear ein.
Im täglichen Leben können wir dieses Gesetz körperlich spüren, z.B. am Lagerfeuer in einer kalten Nacht. Wir strahlen das Lagerfeuer mit unserer „Körpertemperatur“ (exakt: mit der Gesamtstrahlungs-leistung, die unserer Körpertemperatur entspricht) an. Das Lagerfeuer strahlt uns aber mit der Temperatur der Glut an. Da diese Strahlung viel stärker ist, fließt netto Strahlungsenergie vom Lagerfeuer in unseren Körper und wir fühlen uns gewärmt. Hinter uns strahlt unser Körper mit seiner Körpertemperatur in die kalte Nacht. Die kalte Nacht strahlt uns mit Ihrer Temperatur an. Die ist aber viel tiefer. Also fließt netto mehr Energie aus unserem Körper in die Nacht und am Rücken friert es.
Nun verhält sich das Glas oder die Wand, der Altar, die Orgel nicht wie ein idealer Strahler, sondern die Abstrahlfähigkeit wird über den Emissionsgrad Epsilon ( ε ) definiert. Dieser kann je nach Werkstoff deutlich differieren. Für Blei- und Schutzverglasung hat sich ein Wert von 0,94 bewährt. Bei hölzernen Figuren und Metallen können aber deutlich hiervon verschiedene Werte auftreten. Bei Holzwerkstoffen können je nach Oberflächenbearbeitung Werte von 0,5 auftreten. Bei hochpoliertem Messing sind Werte von 0,03 möglich. Während sich der Emissionsgrad von Glas damit eher harmlos verhält, sollte man bei anderen Werten doch besser in einer Tabelle nachsehen. Der aktuelle Wert ist per Software in Custos Aeris einstellbar.
Die hier eingesetzten Sensoren sind Infrarot- Thermometer für den mittleren Infrarot-Bereich. Ein optisches Filter unterdrückt sichtbare und Nah-Infrarot-Strahlung, um Einflüsse vom Umgebungs- und Sonnenlicht möglichst klein zu halten. Die Sensoren haben einen Öffnungswinkel von 45 Grad, d.h. in 1 cm Abstand ist der Durchmesser des Messkreises ca. 2 cm und in 10 cm Abstand vom Messobjekt beträgt der Durchmesser des erfassten Gebietes 20 cm. Man sollte daher schon etwas darauf achten, dass sich bei sich änderndem Abstand nicht allzu viel am Messobjekt verändert, wie z.B. durch die Bleiummantelung der historischen Glasgegenstände.
Mathematisch ergibt sich aus der Stefan-Boltzmann-Formel, dass das Verhältnis von Strahlungsleistung zur abstrahlenden Fläche eine Konstante ist und daher unabhängig vom Messabstand die gleiche Temperatur ermittelt wird. Experimentell ergeben sich folgende Messwerte bei Messungen mit Custos Aeris gegen eine homogene Wand:
Bei einer Änderung von 1 cm bis 6,5 cm Wandabstand ändert sich die gemessene Temperatur so gut wie gar nicht (Mittelwert bei 21,42 Grad Celsius und Standardabweichung von 0,07 Grad Celsius). Das berührungslose Mess-System von Custos Aeris ist daher sehr unempfindlich gegen Abstandsänderung.
Der große Vorteil der berührungslosen Temperaturmessung liegt in der sehr schnellen Messung, große Temperaturmessbereiche, Verschleißfreiheit und vor allem keine mechanische Beschädigung der wertvollen historischen Kulturgegenstände.
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