Einleitung

Ein Infrarot-Thermometer misst die Temperatur nicht durch direkten Kontakt mit dem Messobjekt. Es erfasst die von der Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung und berechnet daraus unter Berücksichtigung des Emissionsgrads und weiterer Einflussgrößen die Oberflächentemperatur.

Deshalb können zwei Objekte mit exakt gleicher tatsächlicher Temperatur unterschiedliche Infrarotsignale erzeugen, wenn sich Material oder Oberflächenzustand unterscheiden.

Die Oberflächenrauheit ist einer der Faktoren, die die infraroten Strahlungseigenschaften einer Oberfläche beeinflussen können.

Dies ist besonders bei metallischen Oberflächen relevant. Dasselbe Material kann sich nach Polieren, Schleifen, Sandstrahlen, Oxidation oder Beschichtung deutlich unterschiedlich verhalten. Wird für alle Oberflächenzustände derselbe Emissionsgrad eingestellt, können Messabweichungen entstehen.

Die wichtigsten Punkte

● Die Infrarot-Temperaturmessung hängt wesentlich vom Emissionsgrad der Messoberfläche ab.
● Die Oberflächenrauheit kann sowohl die Emission als auch die Reflexion von Infrarotstrahlung verändern.
● Glatte und polierte Metalloberflächen besitzen häufig einen niedrigen Emissionsgrad und eine hohe Reflexion.
● Raue, oxidierte oder anderweitig behandelte Metalloberflächen lassen sich häufig zuverlässiger messen als hochglanzpolierte Oberflächen.
● Die Rauheit ist nicht der einzige Einflussfaktor auf den Emissionsgrad. Auch Werkstoff, Oxidationszustand, Beschichtung, Wellenlänge und Temperatur spielen eine Rolle.
● Bei niedrigen Emissionsgraden sollte die Einstellung an den tatsächlichen Oberflächenzustand angepasst und nicht ausschließlich aus der Materialbezeichnung abgeleitet werden.

Warum hängt die Infrarotmessung vom Oberflächenzustand ab?

Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts sendet Infrarotstrahlung aus. Verschiedene Oberflächen unterscheiden sich jedoch darin, wie effizient sie diese Strahlung emittieren.

Diese Eigenschaft wird durch den Emissionsgrad ε beschrieben. Ein idealer schwarzer Körper besitzt einen Emissionsgrad von 1, reale Materialien weisen in der Regel niedrigere Werte auf.

Für einen undurchsichtigen Körper lässt sich vereinfacht annehmen:

Emissionsgrad ε + Reflexionsgrad ρ ≈ 1

Eine Oberfläche mit niedrigem Emissionsgrad reflektiert somit im Allgemeinen einen größeren Anteil der Infrarotstrahlung aus ihrer Umgebung.

Das vom Infrarot-Thermometer empfangene Signal kann daher aus zwei wesentlichen Anteilen bestehen:

● Von der Messoberfläche selbst emittierte Infrarotstrahlung;
● Von der Umgebung stammende und von der Oberfläche in Richtung des Messgeräts reflektierte Infrarotstrahlung.

Je stärker eine Oberfläche Umgebungsstrahlung reflektiert, desto stärker können nahegelegene Wärmequellen, Maschinen, Wände oder die messende Person den angezeigten Temperaturwert beeinflussen.

Warum verändert die Oberflächenrauheit das Infrarotverhalten?

Reale Oberflächen sind im mikroskopischen Maßstab nicht vollkommen eben. Durch Schleifen, Strahlen, Gießen, Korrosion und andere Prozesse entstehen kleine Erhebungen und Vertiefungen.

Diese Strukturen beeinflussen die Wechselwirkung zwischen Infrarotstrahlung und Oberfläche.

Bei einer sehr glatten Oberfläche erfolgt die Reflexion stärker gerichtet und ähnelt einer spiegelnden Reflexion. Das Messgerät kann dadurch Infrarotstrahlung eines bestimmten Umgebungsobjekts aufnehmen, die von der Oberfläche reflektiert wird.

Eine raue Oberfläche streut die Strahlung dagegen stärker in verschiedene Richtungen. Zusätzlich kann die Strahlung in mikroskopischen Vertiefungen mehrfach reflektiert und teilweise absorbiert werden.

Insbesondere bei vielen Metallen kann dies den effektiven Emissionsgrad erhöhen und ausgeprägte spiegelnde Reflexionen reduzieren.

Deshalb kann sich ein identischer Werkstoff je nach Oberflächenbearbeitung bei der Infrarotmessung deutlich unterschiedlich verhalten.

Warum sind glänzende Metalloberflächen besonders schwierig zu messen?

Hochglänzende und polierte Metalloberflächen gehören zu den anspruchsvollsten Messobjekten für Infrarot-Thermometer.

Nicht oxidiertes Aluminium, Edelstahl, Kupfer und ähnliche Werkstoffe können einen relativ niedrigen Emissionsgrad und gleichzeitig eine hohe Infrarotreflexion aufweisen.

Dadurch kann nur ein relativ kleiner Anteil der vom Messgerät empfangenen Strahlung von der Metalloberfläche selbst stammen, während ein größerer Anteil aus reflektierter Umgebungsstrahlung besteht.

Reflektiert beispielsweise eine heiße polierte Metalloberfläche Strahlung aus einer kühleren Umgebung, kann die angezeigte Temperatur unterhalb der tatsächlichen Temperatur liegen. Wird dagegen Strahlung eines Heizgeräts, einer heißen Maschine oder einer Person reflektiert, kann der Messwert zu hoch ausfallen.

Messabweichungen bei glänzenden Metallen sind daher nicht zwangsläufig auf die Genauigkeit des Infrarot-Thermometers zurückzuführen, sondern häufig auf die Strahlungseigenschaften der Oberfläche.

Hat eine rauere Oberfläche immer einen höheren Emissionsgrad?

Die Aussage „Je rauer die Oberfläche, desto höher der Emissionsgrad“ ist nicht allgemein gültig.

Bei vielen Metallen mit niedrigem Emissionsgrad können Schleifen, Strahlen oder andere Aufrauverfahren den effektiven Emissionsgrad gegenüber einer hochglanzpolierten Oberfläche erhöhen. Der tatsächliche Emissionsgrad hängt jedoch von zahlreichen weiteren Faktoren ab.

Dazu gehören:

● Werkstoffart;
● Oxidationsgrad;
● Öl, Staub, Korrosion oder andere Verunreinigungen;
● Lackierung, Beschichtung oder galvanische Schichten;
● Verwendeter infraroter Wellenlängenbereich;
● Temperatur des Messobjekts;
● Art der Oberflächenbearbeitung.

Die Oberflächenrauheit ist somit nur einer von mehreren Einflussfaktoren auf den Emissionsgrad.

Bei Kunststoffen, Gummi, Holz, Keramik, Lackierungen und anderen Materialien mit grundsätzlich hohem Emissionsgrad ist der Einfluss der Rauheit häufig wesentlich geringer als bei glänzenden Metallen.

Warum lassen sich oxidierte Metalloberflächen häufig leichter messen?

Durch Oxidation können sich die optischen und infraroten Eigenschaften einer Metalloberfläche deutlich verändern.

Auf einer ursprünglich glänzenden Oberfläche kann sich eine Oxidschicht bilden, die die Reflexion reduziert und gleichzeitig die Fähigkeit zur Emission von Infrarotstrahlung erhöht. In vielen Anwendungen besitzt eine oxidierte Metalloberfläche deshalb einen deutlich höheren Emissionsgrad als dasselbe Material im blanken oder polierten Zustand.

Auf einem einzelnen Metallbauteil können beispielsweise gleichzeitig folgende Bereiche vorhanden sein:

● Frisch bearbeitete, glänzende Bereiche;
● Geschliffene oder matte Bereiche;
● Oxidierte Bereiche;
● Mit Öl oder Beschichtungen bedeckte Bereiche.

Obwohl die tatsächliche Temperatur dieser Bereiche nahezu identisch sein kann, kann ein Infrarot-Thermometer bei unverändertem Emissionsgrad unterschiedliche Werte anzeigen.

Für industrielle Messungen sollten daher möglichst Bereiche mit vergleichbarem und gleichmäßigem Oberflächenzustand gewählt werden.

Die Rauheit beeinflusst auch die Richtung der Infrarotreflexion

Die Oberflächenrauheit verändert nicht nur den Emissionsgrad, sondern auch die Art der Reflexion.

Glatte Metalloberflächen können eine ausgeprägte spiegelnde Reflexion aufweisen. Ändert sich der Messwinkel, kann sich dadurch auch die Menge und Herkunft der zum Messgerät reflektierten Umgebungsstrahlung verändern.

Raue Oberflächen verteilen reflektierte Strahlung meist stärker und wirken weniger wie ein Infrarotspiegel für eine bestimmte Richtung.

Bei derselben glänzenden Metalloberfläche können deshalb bei unterschiedlichen Messwinkeln unterschiedliche Temperaturen angezeigt werden.

Um diesen Einfluss zu reduzieren:

● Möglichst annähernd senkrecht zur Messoberfläche messen;
● Deutlich wärmere oder kältere Objekte in unmittelbarer Umgebung vermeiden;
● Verhindern, dass die Wärmestrahlung der messenden Person über die Oberfläche in das Gerät reflektiert wird;
● Messwinkel und Messposition bei Vergleichsmessungen konstant halten.

Wie sollte der Emissionsgrad bei unterschiedlich rauen Oberflächen eingestellt werden?

Bei Infrarot-Thermometern mit einstellbarem Emissionsgrad sollte die Einstellung dem tatsächlichen Oberflächenzustand entsprechen und nicht ausschließlich anhand der Werkstoffbezeichnung erfolgen.

Für „Edelstahl“ gibt es beispielsweise keinen einzelnen Emissionsgrad, der für alle Oberflächenzustände gleichermaßen gültig ist.

Polierter Edelstahl, gebürsteter Edelstahl, oxidierter Edelstahl und beschichteter Edelstahl können deutlich unterschiedliche Emissionsgrade aufweisen.

Für höhere Messanforderungen bieten sich folgende Vorgehensweisen an:

● Emissionsgradtabellen verwenden, die sowohl den Werkstoff als auch den konkreten Oberflächenzustand berücksichtigen;
● Einen geeigneten Emissionsgrad anhand einer Referenztemperatur bestimmen;
● Sofern zulässig, ein Referenzband mit bekannt hohem Emissionsgrad oder eine geeignete Beschichtung aufbringen;
● Bei Langzeitmessungen am selben Bauteil stets denselben Messbereich mit vergleichbarem Oberflächenzustand verwenden.

Ein Emissionsgrad aus einer allgemeinen Materialtabelle sollte daher in erster Linie als Ausgangswert betrachtet werden.

Warum sollte der Oberflächenzustand bei Temperaturvergleichen gleich sein?

In der industriellen Instandhaltung werden Infrarot-Thermometer häufig eingesetzt, um die Temperatur verschiedener Messstellen miteinander zu vergleichen.

Typische Beispiele sind Lager, Motorgehäuse, elektrische Verbindungen oder metallische Rohrleitungen.

Unterscheiden sich die Oberflächenzustände der Messstellen, beispielsweise durch Polieren oder Oxidation, können unterschiedliche Temperaturen angezeigt werden, obwohl die tatsächliche Temperatur gleich ist.

Für aussagekräftige Vergleichsmessungen sollten daher möglichst folgende Bedingungen eingehalten werden:

● Gleiche oder vergleichbare Werkstoffe;
● Ähnliche Rauheit und vergleichbarer Oxidationszustand;
● Geeignete und konsistente Emissionsgradeinstellung;
● Vergleichbare Messentfernung und Messwinkel;
● Der Messfleck liegt vollständig innerhalb der Zieloberfläche.

Durch die Kontrolle dieser Bedingungen verbessert sich die Vergleichbarkeit und Wiederholbarkeit der Infrarotmessung.

Wie lässt sich der Einfluss der Oberflächenrauheit in der Praxis reduzieren?

Bei Oberflächen mit hohem Emissionsgrad erfordert die Rauheit meist keine besonderen Maßnahmen. Bei Metallen und anderen Materialien mit niedrigem Emissionsgrad ist dagegen größere Sorgfalt erforderlich.

In der Praxis empfiehlt sich:

● Vor der Messung prüfen, ob die Oberfläche glänzend, matt, oxidiert oder beschichtet ist;
● Nicht davon ausgehen, dass alle Oberflächenzustände desselben Werkstoffs denselben Emissionsgrad besitzen;
● Möglichst einen gleichmäßig bearbeiteten Messbereich auswählen;
● Stark reflektierende Bereiche und Positionen mit ausgeprägter Umgebungsreflexion vermeiden;
● Bei Metallen mit niedrigem Emissionsgrad eine geeignete Emissionsgradkorrektur vornehmen;
● Wenn eine Veränderung der Oberfläche zulässig ist, ein Band mit hohem Emissionsgrad oder eine geeignete Referenzbeschichtung verwenden;
● Bei Trendmessungen Messstelle, Abstand, Winkel und Oberflächenzustand möglichst konstant halten.

Das Ziel besteht nicht darin, die Oberfläche einfach „rauer zu machen“. Entscheidend ist, Emissionsgrad und Reflexionsverhalten der tatsächlichen Messoberfläche zu kennen und zu kontrollieren.

FAQ

Ist die Infrarotmessung auf einer raueren Oberfläche immer genauer?
Nein. Viele Metalle mit niedrigem Emissionsgrad lassen sich nach einer Aufrauung zwar einfacher messen, die Messgenauigkeit hängt jedoch weiterhin von Emissionsgrad, reflektierter Hintergrundstrahlung, Messwinkel, Messfleckgröße und Geräteeigenschaften ab.

Warum zeigen verschiedene Stellen desselben Metalls unterschiedliche Temperaturen?
Neben tatsächlichen Temperaturunterschieden können unterschiedliche Polier-, Oxidations-, Verschleiß-, Verschmutzungs-, Korrosions- oder Beschichtungszustände den Emissionsgrad verändern und dadurch unterschiedliche Messwerte verursachen.

Ist eine matte Metalloberfläche besser für Infrarotmessungen geeignet als eine polierte?
In vielen Fällen ja. Matte, geschliffene oder oxidierte Metalloberflächen besitzen häufig günstigere Infraroteigenschaften als hochglanzpolierte Oberflächen. Der Emissionsgrad muss dennoch passend zum konkreten Werkstoff und Oberflächenzustand gewählt werden.

Beeinflusst die Rauheit auch Kunststoff und Gummi stark?
In der Regel weniger stark als glänzende Metalle. Viele Kunststoffe, Gummimaterialien, Lacke und andere nichtmetallische Oberflächen besitzen bereits einen relativ hohen Emissionsgrad. Der genaue Einfluss hängt dennoch vom Material und vom verwendeten Wellenlängenbereich ab.

Kann die Emissionsgradtabelle aus der Bedienungsanleitung direkt verwendet werden?
Sie kann als Referenz dienen, ist jedoch nicht für jeden realen Oberflächenzustand verbindlich. Angegebene Werte beziehen sich üblicherweise auf bestimmte Materialien, Temperaturen, Oberflächenzustände und Spektralbereiche. Die tatsächliche Oxidation, Bearbeitung, Verschmutzung oder Beschichtung sollte ebenfalls berücksichtigt werden.

Fazit

Die Oberflächenrauheit beeinflusst die Infrarot-Temperaturmessung, weil sie die Emission und Reflexion von Infrarotstrahlung verändert.

Bei vielen Metallen weisen hochglanzpolierte Oberflächen einen niedrigen Emissionsgrad und eine hohe Reflexion auf. Dadurch reagieren sie besonders empfindlich auf reflektierte Umgebungsstrahlung. Schleifen, Oxidation oder andere Oberflächenbehandlungen können den effektiven Emissionsgrad erhöhen und die Messung stabiler machen.

Die Rauheit ist jedoch nicht der einzige Einflussfaktor. Werkstoff, Oxidationszustand, Beschichtung, Spektralbereich, Messwinkel und reflektierte Hintergrundstrahlung wirken ebenfalls auf das Messergebnis.

Für zuverlässige Infrarotmessungen ist es daher wichtiger, den tatsächlichen Zustand der Messoberfläche zu berücksichtigen, als den Emissionsgrad ausschließlich aus der Materialbezeichnung abzuleiten. Eine geeignete Emissionsgradeinstellung und konstante Messbedingungen sind insbesondere bei stark reflektierenden Oberflächen entscheidend.