Einleitung
Bei der Verwendung eines Infrarot-Thermometers wird der Laserpunkt häufig mit der tatsächlichen Messfläche gleichgesetzt. Befindet sich der Laser auf dem Messobjekt, entsteht leicht der Eindruck, dass nur dieser kleine Punkt gemessen wird.
Bei den meisten Infrarot-Thermometern dient der Laser jedoch lediglich zur Zielerfassung. Der Laserpunkt entspricht in der Regel nicht der tatsächlichen Größe des Infrarot-Messflecks.
Das optische System des Geräts erfasst Infrarotstrahlung aus einem bestimmten Bereich der Oberfläche. Dieser Bereich wird als Messfleck beziehungsweise Spotgröße bezeichnet. Mit zunehmendem Abstand zwischen Gerät und Messobjekt nimmt auch der Messfleck üblicherweise zu.
Deshalb ist entscheidend, ob das Messobjekt groß genug ist, um das vollständige optische Messfeld abzudecken.
Die wichtigsten Punkte
● Ein Infrarot-Thermometer misst eine Fläche und keinen unendlich kleinen Punkt.
● Der Laser dient hauptsächlich zum Zielen und zeigt normalerweise nicht die tatsächliche Messfleckgröße an.
● Mit zunehmendem Messabstand wird der Messfleck in der Regel größer.
● Das Messobjekt sollte den Messfleck vollständig abdecken und möglichst deutlich größer sein.
● Ist das Messobjekt kleiner als der Messfleck, kann Wärmestrahlung aus der Umgebung das Ergebnis beeinflussen.
● Das D:S-Verhältnis ermöglicht eine Abschätzung der Messfleckgröße bei einem bestimmten Abstand.
● Kleine Messobjekte sollten aus kürzerer Entfernung oder mit einem Gerät mit höherem D:S-Verhältnis gemessen werden.
Was ist der Messfleck eines Infrarot-Thermometers?
Der Infrarotdetektor eines Thermometers empfängt nicht nur die Strahlung eines einzelnen geometrischen Punktes. Über das optische System wird Infrarotstrahlung aus einem definierten Sichtfeld erfasst.
Die Fläche auf dem Messobjekt, deren Wärmestrahlung in die Messung einfließt, wird als Messfleck oder Spotgröße bezeichnet.
Wird beispielsweise eine erhitzte Metallplatte gemessen, erfasst das Gerät nicht ausschließlich die kleine Fläche im Zentrum des Laserpunkts. Stattdessen wird eine größere Fläche entsprechend der optischen Charakteristik des Geräts ausgewertet.
Liegt der gesamte Messfleck innerhalb der Metallplatte, entspricht der Messwert im Wesentlichen der Oberflächentemperatur dieses Bereichs.
Reicht der Messfleck dagegen über die Kante hinaus, kann das Gerät zusätzlich Wärmestrahlung von einer Wand, einem Maschinengehäuse oder einem anderen Hintergrundobjekt aufnehmen. Dadurch kann sich der angezeigte Temperaturwert verändern.
Warum muss das Messobjekt größer als der Messfleck sein?
Eine Grundregel der Infrarot-Thermometrie lautet:
Das Messobjekt sollte den effektiven Messfleck vollständig ausfüllen.
Angenommen, der Messfleck hat einen Durchmesser von etwa 30 mm, während das Messobjekt nur 15 mm breit ist.
Selbst wenn der Laser exakt auf die Mitte des 15-mm-Objekts gerichtet ist, kann das tatsächliche optische Messfeld über dessen Ränder hinausreichen. Der Detektor empfängt dann sowohl Strahlung vom Messobjekt als auch von dessen Umgebung.
Dies kann zu Messabweichungen führen.
Beispiele:
● Hat das Messobjekt 100°C und der Hintergrund 25°C, kann der angezeigte Wert unter der tatsächlichen Oberflächentemperatur liegen.
● Hat das Messobjekt 20°C und befindet sich in unmittelbarer Nähe eine heiße Oberfläche, kann der Messwert zu hoch ausfallen.
● Sind Messfleck und Ziel nahezu gleich groß, können Handbewegungen, Zielfehler oder Änderungen des Messabstands das Ergebnis beeinflussen.
In der Praxis sollte das Messobjekt deshalb deutlich größer als der effektive Messfleck sein.
Wie hängen D:S-Verhältnis und Messfleckgröße zusammen?
Infrarot-Thermometer werden üblicherweise mit einem optischen Kennwert angegeben, dem D:S-Verhältnis. Es beschreibt das Verhältnis von Messabstand zu Messfleckgröße.
Dabei gilt:
● D = Abstand zwischen Infrarot-Thermometer und Messobjekt;
● S = Messfleckgröße bei diesem Abstand.
Bei einem Gerät mit einem D:S-Verhältnis von 12:1 kann näherungsweise angenommen werden:
Bei 120 mm Abstand beträgt der Messfleck etwa 10 mm.
Bei 600 mm Abstand beträgt er etwa 50 mm.
Bei 1200 mm Abstand beträgt er etwa 100 mm.
Eine vereinfachte Berechnung lautet:
Messfleckdurchmesser ≈ Messabstand ÷ D:S-Faktor
Beispiel:
D:S = 12:1
Messabstand = 600 mm
600 ÷ 12 ≈ 50 mm
Der Messfleck beträgt somit näherungsweise 50 mm.
Diese Berechnung eignet sich zur schnellen Orientierung. Die tatsächliche optische Charakteristik kann insbesondere im Nahbereich abweichen. Für präzise Anwendungen sollte deshalb immer das Sichtfelddiagramm beziehungsweise die optische Spezifikation des Herstellers herangezogen werden.
Warum erfordert ein größerer Messabstand ein größeres Ziel?
Das optische Sichtfeld eines Infrarot-Thermometers erweitert sich üblicherweise mit zunehmender Entfernung.
Vereinfacht gilt:
Bei kurzem Abstand erfasst das Gerät eine kleinere Fläche.
Bei größerem Abstand erfasst es eine größere Fläche.
Bei demselben 12:1-Gerät kann beispielsweise Folgendes auftreten:
● Aus kurzer Entfernung liegt der Messfleck vollständig auf einem 30 mm breiten Messobjekt.
● Bei größerem Abstand wächst der Messfleck auf 50 mm oder 100 mm.
● Bleibt das Messobjekt 30 mm breit, kann das Gerät nicht mehr ausschließlich dieses Objekt erfassen.
Ein größerer Abstand ist daher nicht automatisch vorteilhaft.
Besonders bei kleinen elektronischen Bauteilen, Rohren, Lagern, elektrischen Anschlussstellen oder lokalen Hotspots ist der Messabstand entscheidend.
Wie groß sollte das Messobjekt im Verhältnis zum Messfleck sein?
Grundsätzlich muss das Messobjekt mindestens den effektiven Messfleck vollständig abdecken.
Für die Praxis empfiehlt sich jedoch:
Zielgröße > Messfleckgröße
Ein zusätzlicher Sicherheitsabstand ist sinnvoll.
Beträgt der geschätzte Messfleck beispielsweise 50 mm, liefert eine deutlich größere Messfläche zuverlässigere Ergebnisse als ein Ziel, das exakt 50 mm breit ist.
Gründe dafür sind unter anderem:
● leichte Handbewegungen;
● Zielfehler;
● Änderungen des Messabstands;
● Übergangsbereiche am Rand des optischen Sichtfelds;
● unterschiedliche Herstellerdefinitionen der Messfleckgröße.
Liegt die Zielgröße nur knapp über der theoretischen Spotgröße, sollte der Messabstand möglichst reduziert werden.
Wie lässt sich beurteilen, ob der aktuelle Messabstand geeignet ist?
Drei Größen sollten gemeinsam betrachtet werden:
Zielgröße, Messabstand und D:S-Verhältnis.
Beispiel:
Ein Infrarot-Thermometer besitzt ein D:S-Verhältnis von 12:1. Die nutzbare Fläche des Messobjekts ist etwa 40 mm breit.
Bei 600 mm Messabstand:
600 ÷ 12 ≈ 50 mm
Der geschätzte Messfleck beträgt bereits etwa 50 mm und ist damit größer als das 40-mm-Ziel. Dieser Abstand ist nicht ideal.
Wird der Abstand auf 300 mm reduziert:
300 ÷ 12 ≈ 25 mm
Der Messfleck beträgt nur noch etwa 25 mm und liegt damit deutlich innerhalb des 40-mm-Ziels.
Bei kleinen Zielen ist daher eine der wirkungsvollsten Maßnahmen:
Den Messabstand reduzieren.
Dies gilt selbstverständlich nur, sofern die Anwendung dies zulässt und vorgeschriebene Sicherheits- und Betriebsabstände eingehalten werden.
Welche Vorteile bietet ein höheres D:S-Verhältnis?
Ein höheres D:S-Verhältnis ermöglicht bei gleichem Messabstand in der Regel einen kleineren Messfleck.
Beispiel bei 600 mm Abstand:
● 10:1 → Messfleck ca. 60 mm;
● 12:1 → ca. 50 mm;
● 30:1 → ca. 20 mm;
● 50:1 → ca. 12 mm.
Geräte mit höherem D:S-Verhältnis eignen sich daher besonders für:
● kleine Messobjekte;
● heiße Objekte, die aus sicherer Entfernung gemessen werden müssen;
● lokale Hotspots an Maschinen und Anlagen;
● Rohre, Lager und elektrische Verbindungspunkte;
● Anwendungen mit deutlichen Temperaturunterschieden zwischen Ziel und Umgebung.
Das D:S-Verhältnis ist jedoch nicht das einzige Auswahlkriterium.
Auch Messbereich, Genauigkeit, Emissionsgrad, Ansprechzeit und Oberflächeneigenschaften des Messobjekts müssen berücksichtigt werden.
Ist der Laserpunkt identisch mit dem Messfleck?
Nein.
Dies gehört zu den häufigsten Missverständnissen bei der berührungslosen Temperaturmessung.
Bei den meisten handgehaltenen Infrarot-Thermometern dient der Laser hauptsächlich als Zielhilfe. Die eigentliche Temperaturmessung erfolgt über das Infrarot-Optiksystem und den Detektor.
Daraus folgt:
● Ein kleiner Laserpunkt bedeutet nicht, dass der Messfleck ebenso klein ist.
● Ein Laserpunkt auf dem Messobjekt garantiert nicht, dass der gesamte Messfleck innerhalb des Ziels liegt.
● Bei vielen Geräten funktioniert die Temperaturmessung auch bei ausgeschaltetem Laser.
Bei Dual-Laser- oder speziellen Zielsystemen kann der Laser zusätzliche Informationen zur Messfläche liefern. Die tatsächliche Spotgröße sollte dennoch anhand der optischen Spezifikation geprüft werden.
Für kleine Messobjekte sind daher D:S-Verhältnis und Sichtfelddaten wichtiger als die Größe des Laserpunkts.
Welche Probleme entstehen bei einem zu kleinen Messobjekt?
Ist das Messobjekt deutlich kleiner als der Messfleck, kommt es vor allem zu einer Vermischung mit Hintergrundstrahlung.
Das Gerät kann gleichzeitig Infrarotstrahlung erfassen von:
● dem eigentlichen Messobjekt;
● benachbarten Maschinenteilen;
● einer dahinterliegenden Wand;
● dem Boden;
● nahegelegenen heißeren oder kälteren Objekten.
Der angezeigte Temperaturwert kann deshalb ein Mischsignal darstellen und nicht ausschließlich die tatsächliche Oberflächentemperatur des Zielobjekts.
Dieses Problem tritt besonders häufig auf bei:
● kleinen elektronischen Bauteilen;
● dünnen Rohren;
● Leitungen und Anschlussklemmen;
● kleinen Lagern;
● schmalen Maschinenteilen;
● weit entfernten Hotspots.
Ist das Messobjekt zu klein, sollte der Abstand nach Möglichkeit reduziert werden. Falls dies nicht möglich ist, empfiehlt sich ein Infrarot-Thermometer mit höherem D:S-Verhältnis.
Wie lassen sich Messfehler durch die Spotgröße reduzieren?
Folgende Maßnahmen helfen, Fehler durch ein ungünstiges Verhältnis zwischen Zielgröße und Messfleck zu vermeiden:
● D:S-Verhältnis vor der Messung prüfen.
● Messfleckgröße für den vorgesehenen Abstand abschätzen.
● Sicherstellen, dass das Messobjekt deutlich größer als der Messfleck ist.
● Bei kleinen Zielen den Messabstand reduzieren.
● Laserpunkt nicht mit der tatsächlichen Messfläche gleichsetzen.
● Vermeiden, dass der Messfleck Zielkanten oder benachbarte heiße beziehungsweise kalte Oberflächen erfasst.
● Für entfernte kleine Ziele ein höheres D:S-Verhältnis wählen.
● Bei hohen Genauigkeitsanforderungen das Sichtfelddiagramm des Herstellers verwenden.
Auch bei vollständig ausgefülltem Messfleck können Emissionsgrad, Reflexion, Umgebungsbedingungen, verschmutzte Optik und Gerätespezifikation das Messergebnis beeinflussen.
Die Spotgröße ist somit ein wichtiger, aber nicht der einzige Faktor für zuverlässige Infrarotmessungen.
FAQ
Kann das Messobjekt genauso groß wie der Messfleck sein?
Theoretisch ja, sofern der Messfleck vollständig abgedeckt wird. In der Praxis sollte das Ziel jedoch größer sein, um Zielfehler, Handbewegungen und optische Randbereiche zu berücksichtigen.
Warum ist die Messung ungenau, obwohl der Laserpunkt auf dem Ziel liegt?
Weil der Laser nur die Zielrichtung anzeigt. Ist der tatsächliche Infrarot-Messfleck größer als das Ziel, wird auch Wärmestrahlung aus der Umgebung erfasst.
Verdoppelt sich der Messfleck, wenn sich der Abstand verdoppelt?
Bei einer vereinfachten D:S-Betrachtung kann dies näherungsweise angenommen werden. Die tatsächliche Optik kann insbesondere im Nahbereich davon abweichen.
Was kann ich tun, wenn das Messobjekt zu klein ist?
Reduzieren Sie den Messabstand. Ist dies aus Sicherheits- oder Zugänglichkeitsgründen nicht möglich, verwenden Sie ein Gerät mit höherem D:S-Verhältnis.
Bedeutet ein höheres D:S-Verhältnis automatisch höhere Messgenauigkeit?
Nein. Ein höheres D:S-Verhältnis ermöglicht kleinere Messflecken aus größerer Entfernung. Die Genauigkeit hängt jedoch zusätzlich von Detektor, Emissionsgrad, Umgebung und Gerätespezifikation ab.
Muss die Spotgröße auch bei großen Flächen berücksichtigt werden?
Ja. Bei großen, temperaturhomogenen Flächen ist die Anforderung jedoch leichter zu erfüllen, solange sich der gesamte Messfleck innerhalb des Zielbereichs befindet.
Fazit
Ein Infrarot-Thermometer misst nicht nur den Laserpunkt, sondern die Wärmestrahlung einer durch das optische System definierten Fläche. Das Verhältnis zwischen Zielgröße, Messabstand und Messfleck ist daher entscheidend für zuverlässige Messergebnisse.
Mit zunehmendem Messabstand wird der Messfleck normalerweise größer. Deckt das Ziel den Spot nicht vollständig ab, kann Wärmestrahlung aus der Umgebung das Ergebnis beeinflussen.
Vor der Messung sollte deshalb das D:S-Verhältnis geprüft und ein geeigneter Messabstand gewählt werden. Kleine Ziele sollten möglichst aus geringerer Entfernung gemessen werden. Ist eine größere Entfernung erforderlich, kann ein höheres D:S-Verhältnis notwendig sein.
Die wichtigste Grundregel lautet:
Nicht nur prüfen, ob der Laser auf das Ziel zeigt, sondern sicherstellen, dass das Messobjekt den tatsächlichen Infrarot-Messfleck vollständig abdeckt.
