Einleitung

Ein Infrarot-Thermometer ermöglicht die schnelle berührungslose Messung von Oberflächentemperaturen. Eine wesentliche Voraussetzung dafür ist das optische System, das die vom Messobjekt abgegebene Infrarotstrahlung erfasst.

In der Praxis misst ein Infrarot-Thermometer keinen mathematisch punktförmigen Bereich. Stattdessen empfängt es Infrarotstrahlung von einer definierten Fläche. Wie groß diese Fläche ist, aus welcher Entfernung gemessen werden kann und ob benachbarte Oberflächen in die Messung einbezogen werden, hängt wesentlich von der optischen Konstruktion ab.

Das Verständnis des optischen Systems ist deshalb wichtig, um Begriffe wie Sichtfeld, Messfleck, D:S-Verhältnis und optische Auflösung korrekt einzuordnen und Messfehler durch ungeeignete Messabstände oder zu kleine Messobjekte zu vermeiden.

Das Wichtigste im Überblick

● Das optische System sammelt die vom Messobjekt abgegebene Infrarotstrahlung und führt sie dem Infrarotdetektor zu.
● Ein Infrarot-Thermometer misst eine Fläche und nicht ausschließlich den sichtbaren Laserpunkt.
● Infrarotlinse oder -fenster, Blenden, Filterelemente und weitere optische Komponenten begrenzen und führen die einfallende Strahlung.
● Sichtfeld und Messfleck bestimmen die Größe der tatsächlich erfassten Fläche bei einem bestimmten Messabstand.
● Das D:S-Verhältnis beschreibt die optische Auflösung. Ein höherer Wert ermöglicht in der Regel die Messung kleinerer Ziele aus größerer Entfernung.
● Der Laser dient hauptsächlich als Zielhilfe und ist nicht für die eigentliche Temperaturerfassung verantwortlich.

Was ist das optische System eines Infrarot-Thermometers?

Das optische System lässt sich vereinfacht als das „Auge“ des Infrarot-Thermometers verstehen.

Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts gibt elektromagnetische Strahlung ab, darunter auch Infrarotstrahlung. Das Infrarot-Thermometer erfasst diese Energie über sein optisches System. Anschließend wandelt der Infrarotdetektor die empfangene Strahlung in ein elektrisches Signal um, aus dem die Elektronik die Oberflächentemperatur ermittelt.

Der Ablauf lässt sich vereinfacht darstellen:

● Die Oberfläche des Messobjekts gibt Infrarotstrahlung ab.
● Das optische System erfasst die Strahlung eines definierten Bereichs.
● Optische Komponenten führen oder fokussieren die Strahlung auf den Detektor.
● Der Detektor wandelt die Infrarotenergie in ein elektrisches Signal um.
● Die Elektronik berechnet unter Berücksichtigung von Emissionsgrad, Kompensation und Kalibrierdaten die Temperatur.
● Der Messwert wird auf dem Display angezeigt.

Das optische System bildet damit die Verbindung zwischen Messobjekt und Detektor. Es entscheidet, welcher Bereich erfasst wird und wie sich der Messfleck mit zunehmender Entfernung verändert.

Aus welchen Komponenten besteht das optische System?

Der genaue Aufbau unterscheidet sich je nach Gerät. Typische Komponenten sind jedoch eine Infrarotlinse oder ein Infrarotfenster, Blenden, spektrale Filterelemente und weitere optische Bauteile vor dem Detektor.

Infrarotlinse oder Infrarotfenster

Diese Komponente ermöglicht den Eintritt der Infrarotstrahlung im vorgesehenen Wellenlängenbereich und leitet sie entsprechend der optischen Auslegung zum Detektor weiter.

Materialien, die für sichtbares Licht transparent sind, müssen nicht zwangsläufig im verwendeten Infrarotbereich durchlässig sein. Deshalb kommen in Infrarot-Thermometern geeignete optische Materialien zum Einsatz. Die Auswahl hängt unter anderem vom Temperaturbereich, Spektralbereich und vom optischen Aufbau ab.

Blenden und Sichtfeldbegrenzung

Blenden begrenzen den Winkel und den Bereich der einfallenden Strahlung. Dadurch empfängt der Detektor überwiegend die Infrarotenergie aus dem vorgesehenen Sichtfeld.

Ohne eine definierte Sichtfeldbegrenzung könnte Strahlung benachbarter Objekte stärker in das Messergebnis einfließen.

Spektrale Filter

Infrarot-Thermometer arbeiten üblicherweise innerhalb eines festgelegten Infrarot-Wellenlängenbereichs. Filterelemente und die spektrale Empfindlichkeit des Detektors bestimmen gemeinsam den tatsächlich genutzten Spektralbereich.

Viele universelle Infrarot-Thermometer arbeiten beispielsweise im langwelligen Infrarotbereich von ungefähr 8–14 μm. Der tatsächliche Spektralbereich ist jedoch geräteabhängig und sollte den technischen Daten des jeweiligen Produkts entnommen werden.

Infrarotdetektor

Der Detektor gehört technisch zum Sensorsystem, arbeitet jedoch unmittelbar mit der Optik zusammen. Die von der Optik erfasste Infrarotenergie wird dem Detektor zugeführt und dort in ein elektronisch auswertbares Signal umgewandelt.

Deshalb können Geräte mit ähnlicher Detektortechnik aufgrund unterschiedlicher Optiken verschiedene Messabstände, Messfleckgrößen und optische Auflösungen aufweisen.

Wie arbeitet das optische System?

Wird ein Infrarot-Thermometer auf eine Oberfläche gerichtet, empfängt die Frontoptik Infrarotstrahlung aus einem definierten Sichtfeld.

Die Strahlung gelangt über Linse oder Fenster, Blenden, Filter und weitere optische Elemente zum Detektor. Änderungen der empfangenen Infrarotenergie führen zu entsprechenden Änderungen des Detektorsignals.

Die Temperatur wird jedoch nicht einfach direkt aus der Menge der empfangenen Infrarotstrahlung abgeleitet.

Zusätzlich berücksichtigt das Gerät unter anderem Detektoreigenschaften, interne Temperaturkompensation, Emissionsgrad, Kalibrierdaten und Signalverarbeitung.

Ein vollständiges Infrarot-Messsystem umfasst daher:

● Optisches System — bestimmt den erfassten Bereich.
● Infrarotdetektor — wandelt die Strahlung in ein Messsignal um.
● Signalverarbeitung — verstärkt, kompensiert und verarbeitet das Signal.
● Emissionsgradeinstellung — berücksichtigt unterschiedliche Strahlungseigenschaften von Oberflächen.
● Anzeige — gibt die berechnete Temperatur aus.

Die Optik legt somit zunächst fest, welcher Bereich tatsächlich in die Temperaturmessung einfließt.

Was bedeutet Sichtfeld?

Das Sichtfeld wird häufig mit FOV (Field of View) bezeichnet.

Es beschreibt den räumlichen Bereich, aus dem das Infrarot-Thermometer Strahlung empfängt. Mit zunehmendem Abstand verändert sich die Größe der erfassten Fläche.

Bei geringem Abstand ist der Messbereich normalerweise kleiner. Mit zunehmender Entfernung vergrößert sich der Messfleck.

Ist das Zielobjekt klein und der Messabstand zu groß, kann das Sichtfeld neben dem eigentlichen Messobjekt auch den Hintergrund erfassen.

Soll beispielsweise ein schmales beheiztes Rohr aus zu großer Entfernung gemessen werden, kann die Optik gleichzeitig Teile einer dahinterliegenden Wand oder Maschine erfassen. Die Anzeige stellt dann nicht ausschließlich die Temperatur des Rohrs dar.

Was ist der Messfleck?

Der Messfleck bezeichnet die Fläche, deren Infrarotstrahlung bei einem bestimmten Abstand vom Gerät erfasst wird.

Der Begriff „Messfleck“ darf nicht mit dem sichtbaren Laserpunkt verwechselt werden. Entscheidend ist die tatsächliche Fläche, die vom Infrarot-Optiksystem erfasst wird.

Mit zunehmendem Messabstand wird der Messfleck in der Regel größer.

Bei kleinen Bauteilen, dünnen Rohren, elektrischen Anschlüssen oder lokalen Wärmequellen muss deshalb sichergestellt sein, dass der tatsächliche Messfleck kleiner als die zu messende Fläche ist.

Ist das Ziel kleiner als der Messfleck, können angrenzende Bereiche den Messwert beeinflussen.

Welche Bedeutung hat das D:S-Verhältnis?

D:S steht für Distance-to-Spot Ratio, auf Deutsch meist als Verhältnis von Messabstand zu Messfleckgröße oder als Maß für die optische Auflösung bezeichnet.

Dabei gilt:

● D steht für den Abstand zwischen Gerät und Messobjekt.
● S steht für die Messfleckgröße in diesem Abstand.

Bei einem D:S-Verhältnis von 12:1 entspricht beispielsweise ein Messabstand von etwa 1200 mm unter definierten Bedingungen ungefähr einem Messfleck von 100 mm Durchmesser.

Bei gleichem Abstand:

● 12:1 erfasst einen vergleichsweise größeren Messfleck.
● 30:1 ermöglicht einen kleineren Messfleck.
● 50:1 oder höhere Werte eignen sich besser für kleinere Ziele aus größerer Entfernung.

Ein höheres D:S-Verhältnis ermöglicht somit in der Regel, kleinere Bereiche aus gleicher Entfernung oder dieselbe Zielgröße aus größerer Entfernung zu messen.

Für exakte Werte sollte stets das Distanz-Messfleck-Diagramm des Herstellers herangezogen werden, da reale optische Systeme nicht einem vollkommen idealen geometrischen Kegel entsprechen.

Warum sollte das Messobjekt größer als der Messfleck sein?

Das Messobjekt sollte den Messfleck vollständig ausfüllen.

Erfasst das Sichtfeld zusätzlich angrenzende Bereiche, gelangen deren Infrarotanteile ebenfalls zum Detektor.

Beträgt beispielsweise die Temperatur eines kleinen Metallteils 80 °C und die Temperatur der dahinterliegenden Wand 25 °C, kann ein zu großer Messfleck beide Flächen gleichzeitig erfassen. Der angezeigte Wert kann dadurch deutlich von der tatsächlichen Oberflächentemperatur des Metallteils abweichen.

Für zuverlässige Messungen gilt daher:

● Das Ziel sollte den Messfleck vollständig abdecken.
● Für höhere Messsicherheit sollte die Zielfläche deutlich größer als der Messfleck sein.
● Bei kleinen Zielen sollte der Messabstand möglichst reduziert werden.
● Ist ein größerer Abstand erforderlich, empfiehlt sich ein Gerät mit höherem D:S-Verhältnis.

Dass der Laserpunkt auf dem Ziel liegt, bedeutet nicht automatisch, dass ausschließlich dieses Ziel gemessen wird.

Gehört der Laser zur eigentlichen Messoptik?

Viele handgehaltene Infrarot-Thermometer verfügen über einen oder mehrere Laser zur Zielunterstützung. Dadurch entsteht gelegentlich der Eindruck, dass die Temperatur mit dem Laser gemessen wird.

Das ist nicht der Fall.

Der Laser dient hauptsächlich der Ausrichtung. Die Temperaturbestimmung erfolgt anhand der vom Zielobjekt selbst abgegebenen Infrarotstrahlung.

● Der Laser unterstützt das Anvisieren.
● Die Infrarotoptik erfasst die Wärmestrahlung.
● Der Detektor wandelt diese Strahlung in ein Signal um.
● Die Elektronik berechnet die Temperatur.

Je nach Konstruktion kann ein Laser nahe der Mitte des Messbereichs liegen oder ein Mehrfachlasersystem die ungefähre Messfläche kennzeichnen. Die genaue Zuordnung sollte der Bedienungsanleitung des jeweiligen Geräts entnommen werden.

Für die Bewertung der tatsächlichen Messfläche sind D:S-Verhältnis und Distanz-Messfleck-Diagramm entscheidender als die sichtbare Größe des Laserpunkts.

Warum ist die optische Auflösung wichtig?

Die optische Auflösung bestimmt, wie gut kleine oder weiter entfernte Ziele erfasst werden können.

Bei großen Flächen wie Wänden, Böden oder Maschinengehäusen ist eine sehr hohe optische Auflösung häufig nicht erforderlich.

Wichtiger wird sie beispielsweise bei:

● Messungen heißer Anlagen aus größerem Sicherheitsabstand.
● Dünnen Rohren.
● Elektrischen Anschlussstellen.
● Lokalen Bereichen auf Leiterplatten, Motoren oder Maschinenkomponenten.
● Schwer zugänglichen heißen oder bewegten Teilen.
● Einzelnen Komponenten in beengten Einbausituationen.

Für ein Ziel mit beispielsweise 20 mm Durchmesser kann ein Gerät mit höherem D:S-Verhältnis aus größerer Entfernung eingesetzt werden, während ein Gerät mit niedrigerem Verhältnis näher an das Ziel gebracht werden muss.

Bei der Geräteauswahl sollten deshalb neben Temperaturbereich und Genauigkeit auch Zielgröße, Arbeitsabstand und optische Auflösung berücksichtigt werden.

Hat ein Infrarot-Thermometer einen festen Fokus?

Die optische Ausführung hängt vom jeweiligen Gerät ab.

Viele universelle Handgeräte verfügen über eine feste Optik und benötigen keine manuelle Fokussierung. Der Anwender orientiert sich am angegebenen D:S-Verhältnis und am Distanz-Messfleck-Diagramm.

Geräte für besonders kleine Messobjekte oder spezielle Industrieanwendungen können dagegen über Nahfokus, einstellbare Fokussierung oder andere besondere Optikkonzepte verfügen.

Bei sehr kleinen Zielen sollte deshalb nicht nur das D:S-Verhältnis betrachtet werden. Ebenso wichtig ist die minimale Messfleckgröße im vorgesehenen Arbeitsabstand.

Welche Faktoren beeinflussen die optische Messung?

Neben dem Aufbau der Optik können auch Einsatzbedingungen und Messmethode die Messung beeinflussen.

Zu großer Messabstand

Mit zunehmender Entfernung wird der Messfleck größer. Überschreitet er die Zielgröße, beeinflusst die Umgebung den Messwert.

Zu kleines Messobjekt

Füllt das Ziel das Sichtfeld nicht aus, werden auch angrenzende Flächen erfasst.

Verschmutzte Optik

Staub, Öl, Feuchtigkeit oder andere Ablagerungen können die Übertragung der Infrarotstrahlung beeinträchtigen.

Unterbrochener Strahlengang

Befindet sich ein Hindernis zwischen Messgerät und Ziel, kann die Strahlung des Messobjekts nicht ungehindert zur Optik gelangen.

Messung durch gewöhnliches Glas

Sichtbare Transparenz bedeutet nicht automatisch Transparenz im verwendeten Infrarotbereich. Deshalb lässt sich die tatsächliche Temperatur eines hinter gewöhnlichem Glas befindlichen Objekts in der Regel nicht direkt messen.

Rauch, Dampf oder starke Staubbelastung

Diese können Infrarotstrahlung absorbieren, streuen oder verändern.

Zu großer Messwinkel

Eine möglichst senkrechte Ausrichtung zur Oberfläche ist in vielen Fällen vorteilhaft. Sehr flache Winkel verändern die effektiv erfasste Fläche und können den Einfluss reflektierter Strahlung erhöhen.

Wie sollte das Gerät unter Berücksichtigung der Optik eingesetzt werden?

Für zuverlässige Messungen empfiehlt sich:

● D:S-Verhältnis vor der Messung prüfen.
● Distanz-Messfleck-Diagramm beachten.
● Sicherstellen, dass das Messobjekt größer als der Messfleck ist.
● Bei kleinen Zielen den Abstand reduzieren.
● Für kleine Ziele aus größerer Entfernung eine höhere optische Auflösung wählen.
● Die Größe des Laserpunkts nicht mit der tatsächlichen Messfläche gleichsetzen.
● Infrarotfenster oder Linse sauber halten.
● Messungen durch Glas, starken Rauch, Dampf oder ähnliche Medien möglichst vermeiden.
● Möglichst senkrecht auf die Zieloberfläche ausrichten.
● Den für das Material geeigneten Emissionsgrad einstellen.

Die Optik bestimmt, welcher Bereich gemessen wird. Der Emissionsgrad beeinflusst dagegen, wie die empfangene Strahlung in einen Temperaturwert umgesetzt wird.

Erst das Zusammenspiel aus geeignetem Messabstand, ausreichender Zielgröße, korrekter Optik und passendem Emissionsgrad ermöglicht zuverlässige Messergebnisse.

FAQ

Welche Aufgabe hat das optische System eines Infrarot-Thermometers?

Es erfasst die Infrarotstrahlung eines definierten Zielbereichs und führt sie dem Detektor zu. Gleichzeitig begrenzt es das Sichtfeld des Geräts.

Misst das Gerät die Temperatur am Laserpunkt?

Nein. Der Laser dient hauptsächlich als Zielhilfe. Gemessen wird die Infrarotstrahlung der vom optischen Sichtfeld erfassten Fläche.

Warum wird der Messfleck mit zunehmender Entfernung größer?

Weil das Gerät ein definiertes Sichtfeld besitzt. Mit zunehmendem Abstand deckt dieses Sichtfeld eine größere reale Fläche ab.

Ist ein höheres D:S-Verhältnis immer besser?

Ein höheres Verhältnis bietet eine bessere optische Auflösung und Vorteile bei kleinen oder weit entfernten Zielen. Die Auswahl sollte jedoch auch Temperaturbereich, Genauigkeit, Ansprechzeit, Emissionsgrad und Anwendung berücksichtigen.

Was passiert, wenn das Ziel kleiner als der Messfleck ist?

Dann kann auch Infrarotstrahlung benachbarter Flächen in das Messergebnis einfließen.

Kann durch gewöhnliches Glas gemessen werden?

In der Regel nicht. Gewöhnliches Glas ist für viele der verwendeten Infrarot-Wellenlängen nicht ausreichend transparent.

Beeinflusst eine verschmutzte Optik die Messung?

Ja. Staub, Öl oder Feuchtigkeit können die Infrarotübertragung beeinträchtigen. Die Optik sollte entsprechend den Herstellerangaben sauber gehalten werden.

Fazit

Das optische System ist die zentrale Verbindung zwischen Messobjekt und Infrarotdetektor. Es erfasst die Infrarotstrahlung eines definierten Bereichs und leitet sie zum Sensor weiter.

Die Optik bestimmt unmittelbar Sichtfeld, Messfleck, D:S-Verhältnis und optische Auflösung. Damit entscheidet sie auch darüber, welche Zielgröße aus welcher Entfernung zuverlässig erfasst werden kann.

In der Praxis reicht es nicht aus, lediglich den Laser auf das Ziel zu richten. Entscheidend ist, dass der tatsächliche Messfleck vollständig innerhalb der zu messenden Fläche liegt. Bei kleinen oder weit entfernten Zielen sind das D:S-Verhältnis und das Distanz-Messfleck-Diagramm besonders wichtig.

Wer die optischen Eigenschaften seines Infrarot-Thermometers richtig berücksichtigt, kann geeignete Messabstände wählen, Umgebungseinflüsse reduzieren und zuverlässigere berührungslose Temperaturmessungen durchführen.