Einleitung
Bei der Verwendung eines Infrarotthermometers kann auffallen, dass zwei Objekte mit nahezu gleicher tatsächlicher Temperatur unterschiedliche Messwerte liefern, wenn beispielsweise eine Oberfläche schwarz und die andere weiß, silbern oder anders beschichtet ist.
Dadurch kann der Eindruck entstehen, dass das Infrarotthermometer die Temperatur anhand der sichtbaren Farbe bestimmt.
Tatsächlich misst ein Infrarotthermometer jedoch keine sichtbare Farbe. Es erfasst die von der Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung und berechnet daraus die Oberflächentemperatur. Unterschiedliche Messwerte entstehen daher meist durch Unterschiede bei Material, Beschichtung, Oberflächenstruktur, Oxidation, Reflexionsvermögen und Emissionsgrad.
Entscheidend ist somit nicht, ob eine Oberfläche schwarz oder weiß erscheint, sondern wie sie sich im Infrarotbereich verhält.
Das Wichtigste im Überblick
● Ein Infrarotthermometer erfasst Infrarotstrahlung und keine sichtbare Farbe.
● Unterschiedliche Messwerte bei verschiedenen Oberflächenfarben hängen häufig mit dem Emissionsgrad zusammen.
● Material, Beschichtung, Rauheit, Oxidation und Glanzgrad sind in der Regel wichtiger als die Farbe allein.
● Eine schwarze Oberfläche besitzt nicht automatisch einen hohen Emissionsgrad; eine weiße Oberfläche besitzt nicht automatisch einen niedrigen.
● Glänzende Metalloberflächen sind meist schwieriger zuverlässig zu messen als Lack, Kunststoff, Gummi oder andere Oberflächen mit höherem Emissionsgrad.
● Eine korrekte Einstellung des Emissionsgrads verbessert die Messzuverlässigkeit bei einstellbaren Infrarotthermometern deutlich.
Was misst ein Infrarotthermometer tatsächlich?
Alle Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts geben Wärmestrahlung ab. Ein Teil davon liegt im Infrarotbereich.
Das optische System eines Infrarotthermometers erfasst diese Strahlung. Ein Infrarotsensor wandelt sie in ein elektrisches Signal um, aus dem die Elektronik die Oberflächentemperatur berechnet.
Das Gerät bestimmt die Temperatur daher nicht anhand sichtbarer Farben wie Rot, Gelb, Schwarz oder Weiß.
Eine der wichtigsten Einflussgrößen ist der Emissionsgrad.
Der Emissionsgrad beschreibt, wie stark eine reale Oberfläche im Vergleich zu einem idealen schwarzen Strahler Infrarotenergie emittiert. Er wird üblicherweise als Wert zwischen 0 und 1 angegeben.
Materialien und Oberflächenzustände können sehr unterschiedliche Emissionsgrade aufweisen. Stimmt der am Thermometer eingestellte Wert nicht mit dem tatsächlichen Emissionsgrad der Oberfläche überein, kann die angezeigte Temperatur von der realen Oberflächentemperatur abweichen.
Warum scheinen unterschiedliche Farben unterschiedliche Temperaturen zu verursachen?
In der Praxis ändert sich die sichtbare Farbe häufig zusammen mit anderen Oberflächeneigenschaften.
Eine schwarze Fläche auf einem Metallgehäuse kann beispielsweise lackiert sein, während ein silberner Bereich aus blankem oder poliertem Metall besteht. Beide Bereiche unterscheiden sich dann nicht nur farblich, sondern auch hinsichtlich Beschichtung, Oberflächenstruktur, Reflexionsvermögen und Emissionsgrad.
Unterschiedliche Messwerte können unter anderem durch folgende Faktoren entstehen:
● Lackierte oder unlackierte Oberfläche;
● Polierte oder raue Oberfläche;
● Unterschiedliche Grundmaterialien;
● Vorhandene Oxidschichten;
● Unterschiedliche Oberflächenrauheit;
● Unterschiedliche Emissionsgrade.
Die sichtbare Farbe ist daher häufig nur ein Begleiteffekt. Entscheidend sind die infrarottechnischen Eigenschaften der jeweiligen Oberfläche.
Sind schwarze Oberflächen grundsätzlich besser für die Infrarotmessung geeignet?
Nicht grundsätzlich.
Aus der Optik des sichtbaren Lichts ist bekannt, dass schwarze Flächen häufig einen großen Anteil des sichtbaren Lichts absorbieren. Daraus lässt sich jedoch nicht automatisch schließen, dass sie auch im Infrarotbereich immer einen hohen Emissionsgrad besitzen.
Der sichtbare und der infrarote Spektralbereich sind nicht identisch.
Eine Oberfläche, die für das menschliche Auge schwarz erscheint, zeigt zunächst nur ein bestimmtes Reflexionsverhalten im sichtbaren Bereich. Daraus lässt sich der Emissionsgrad im Messwellenlängenbereich eines Infrarotthermometers nicht zuverlässig ableiten.
Viele schwarze Lacke, Kunststoffe, Gummimaterialien oder oxidierte Flächen weisen tatsächlich einen relativ hohen Emissionsgrad auf und lassen sich deshalb gut messen. Die Farbe allein reicht jedoch nicht aus, um einen korrekten Emissionsgrad festzulegen.
Hat eine weiße Oberfläche immer einen niedrigeren Emissionsgrad als eine schwarze?
Nein.
Weiße Lacke, Keramik, Kunststoffe, Papier und ähnliche Materialien können sichtbares Licht stark reflektieren und gleichzeitig im Infrarotbereich einen relativ hohen Emissionsgrad besitzen.
Eine weiße und eine schwarze Lackoberfläche aus ähnlichen Beschichtungsmaterialien können daher im Infrarotbereich wesentlich ähnlicher sein, als ihre sichtbare Farbe vermuten lässt.
Für die Infrarot-Temperaturmessung sind Material und Oberflächenzustand deshalb meist aussagekräftiger als die sichtbare Farbe.
Warum sind silberne oder glänzende Metalloberflächen besonders schwierig zu messen?
Glänzende Metalle gehören zu den anspruchsvollsten Oberflächen bei der berührungslosen Temperaturmessung.
Nicht oxidiertes oder poliertes Aluminium, Edelstahl, Kupfer und ähnliche Metalle besitzen häufig einen niedrigen Emissionsgrad und gleichzeitig ein hohes Reflexionsvermögen für Infrarotstrahlung.
Dadurch kann die vom Thermometer erfasste Strahlung nicht nur vom Metall selbst stammen. Auch Infrarotenergie von Maschinen, Wänden, heißen Bauteilen oder sogar vom Bediener kann an der Metalloberfläche reflektiert werden.
Typische Auswirkungen sind:
● Unterschiedliche Messwerte bei verändertem Messwinkel;
● Unerwartet hohe Anzeigen in der Nähe heißer Anlagen;
● Deutliche Unterschiede zwischen polierten und oxidierten Bereichen;
● Abweichende Werte zwischen lackierten und blanken Metallflächen.
Die Ursache ist somit nicht einfach die silberne Farbe, sondern die Kombination aus niedrigem Emissionsgrad und hoher Reflexion.
Warum beeinflusst der Glanzgrad die Messung?
Auch bei gleichem Material und gleicher Farbe können unterschiedliche Oberflächenbearbeitungen zu unterschiedlichen Messwerten führen.
Bei Edelstahl können beispielsweise folgende Zustände deutlich verschiedene Infraroteigenschaften besitzen:
● Hochglanzpolierte Oberfläche;
● Raue oder oxidierte Oberfläche;
● Lackierte oder beschichtete Oberfläche.
Daher bedeutet gleiche Farbe nicht automatisch gleicher Emissionsgrad. Ebenso führen unterschiedliche Farben nicht zwangsläufig zu großen Unterschieden beim Emissionsgrad.
Warum können verschiedene Bereiche desselben Objekts unterschiedliche Temperaturen anzeigen?
Wenn ein Bauteil tatsächlich weitgehend gleichmäßig temperiert ist, aber verschiedene Bereiche deutlich unterschiedliche Infrarotmesswerte liefern, sollten die Oberflächenzustände geprüft werden.
An einem Motorgehäuse können beispielsweise gleichzeitig folgende Bereiche vorhanden sein:
● Schwarz lackierte Fläche;
● Metallschild oder Typenschild;
● Blankes Befestigungsmaterial;
● Oxidierte Metallbereiche;
● Mit Öl, Staub oder Schmutz bedeckte Stellen.
Die tatsächlichen Temperaturen können ähnlich sein, während die angezeigten Temperaturen aufgrund unterschiedlicher Emissionsgrade voneinander abweichen.
Für regelmäßige Anlagenkontrollen sollten deshalb möglichst immer dieselben Messstellen mit vergleichbarer Oberflächenbeschaffenheit verwendet werden.
Welche Auswirkungen hat eine falsche Emissionsgradeinstellung?
Bei einem Infrarotthermometer mit einstellbarem Emissionsgrad kann eine deutlich falsche Einstellung zu erheblichen Messabweichungen führen.
Besondere Aufmerksamkeit ist erforderlich bei:
● Polierten Metallen;
● Aluminium, Kupfer, Edelstahl und anderen Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad;
● Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an die Messgenauigkeit;
● Temperaturvergleichen zwischen unterschiedlichen Materialien;
● Großen Temperaturunterschieden zwischen Messobjekt und Umgebung.
Viele nichtmetallische Materialien sowie Lack-, Kunststoff- oder Gummioberflächen besitzen vergleichsweise hohe Emissionsgrade und lassen sich dadurch meist einfacher messen.
Bei Materialien mit niedrigem Emissionsgrad reicht es dagegen nicht aus, das Infrarotthermometer lediglich auf die Oberfläche zu richten und den Anzeigewert als exakte Oberflächentemperatur zu interpretieren.
Wie lassen sich Messfehler durch Farbe oder Oberflächenzustand reduzieren?
Zunächst sollten Material und tatsächlicher Oberflächenzustand bestimmt werden. Die Einstellung sollte nicht ausschließlich anhand der sichtbaren Farbe erfolgen.
Bei Geräten mit einstellbarem Emissionsgrad können geeignete Materialdaten, Herstellerinformationen oder zuverlässige Referenzmessungen verwendet werden, um einen passenden Wert festzulegen.
Bei glänzenden Metallen mit niedrigem Emissionsgrad empfiehlt es sich, sofern technisch zulässig, eine reproduzierbare Oberfläche mit höherem und bekanntem Emissionsgrad als Messstelle zu verwenden.
Weitere wichtige Maßnahmen sind:
● Vergleichsmessungen an Oberflächen mit möglichst gleichem Zustand durchführen;
● Stark polierte Metalle nach Möglichkeit nicht direkt messen;
● Reflexionen starker Wärmequellen in das Messfeld vermeiden;
● Messabstand und Messwinkel konstant halten;
● Sicherstellen, dass die Messfläche größer als der tatsächliche Messfleck des Thermometers ist;
● Bei Trendmessungen immer denselben Messpunkt und vergleichbare Bedingungen verwenden.
Muss die Oberflächenfarbe auch bei reinen Vergleichsmessungen berücksichtigt werden?
Ja, wobei die Reproduzierbarkeit der Messbedingungen wichtiger ist als die Farbe selbst.
Wird bei einer Wartung regelmäßig derselbe schwarz lackierte Bereich einer Maschine gemessen, können Temperaturtrends gut vergleichbar sein, sofern Messabstand, Messwinkel, Umgebung, Geräteeinstellungen und Messposition möglichst konstant bleiben.
Wird dagegen bei einer Messung eine lackierte Fläche und bei der nächsten ein blanker Metallbolzen gemessen, können die Ergebnisse aufgrund stark unterschiedlicher Emissionsgrade nicht direkt miteinander verglichen werden.
Bei Trendmessungen ist deshalb eine feste und reproduzierbare Messstelle besonders wichtig.
Welche weiteren Faktoren können unterschiedliche Messwerte verursachen?
Nicht jede Abweichung zwischen verschiedenfarbigen Oberflächen ist auf den Emissionsgrad zurückzuführen.
Weitere mögliche Ursachen sind:
● Die tatsächlichen Oberflächentemperaturen unterscheiden sich;
● Der Messabstand ist zu groß und der Messfleck erfasst zusätzlich die Umgebung;
● Der Messwinkel verändert sich deutlich;
● Die Optik ist durch Staub, Öl, Feuchtigkeit oder Kondensation beeinträchtigt;
● Eine reflektierende Oberfläche spiegelt Infrarotstrahlung benachbarter Wärmequellen;
● Das Gerät wurde aus einer deutlich wärmeren oder kälteren Umgebung gebracht und hat sich thermisch noch nicht stabilisiert;
● Die Oberfläche wird durch Glas, transparente Kunststofffolie oder ein anderes Material verdeckt.
Messabweichungen sollten daher immer im Zusammenhang mit der gesamten Messsituation bewertet werden und nicht allein anhand der sichtbaren Oberflächenfarbe.
FAQ
Zeigen unterschiedlich gefärbte Objekte bei gleicher Temperatur immer unterschiedliche Infrarotmesswerte?
Nein. Sind Material, Beschichtung, Oberflächenzustand und Emissionsgrad ähnlich, können auch die Messwerte sehr ähnlich sein.
Erkennt ein Infrarotthermometer die Farbe des Messobjekts?
Ein übliches Infrarotthermometer erfasst hauptsächlich die Infrarotstrahlung der Oberfläche. Die Temperatur wird nicht anhand der sichtbaren Farbe berechnet.
Sind schwarze Oberflächen grundsätzlich am genauesten messbar?
Nein. Viele schwarze Beschichtungen besitzen zwar einen hohen Emissionsgrad, die Messgenauigkeit hängt jedoch zusätzlich von Emissionsgradeinstellung, Messabstand, Winkel und Umgebungsbedingungen ab.
Warum unterscheiden sich die Messwerte von schwarz lackiertem Metall und blankem Metall so stark?
Lack und blankes Metall können stark unterschiedliche Emissionsgrade besitzen. Blankes, glänzendes Metall reflektiert zudem häufig Infrarotstrahlung aus der Umgebung.
Was ist bei der Messung von Edelstahl zu beachten?
Die Oberflächenbeschaffenheit ist entscheidend. Polierter, oxidierter, rauer und beschichteter Edelstahl können unterschiedliche Emissionsgrade besitzen. Hochglanzpolierter Edelstahl ist besonders anspruchsvoll.
Kann der Emissionsgrad allein anhand der Farbe eingestellt werden?
Nein. Maßgeblich sind Material, Oberflächenbehandlung und tatsächlicher Oberflächenzustand, nicht allein die sichtbare Farbe.
Fazit
Unterschiedliche Messwerte eines Infrarotthermometers auf verschiedenfarbigen Oberflächen bedeuten nicht, dass das Gerät direkt auf die sichtbare Farbe reagiert.
Entscheidend sind Emissionsgrad, Material, Beschichtung, Oberflächenrauheit, Oxidation und Reflexionsvermögen im Infrarotbereich. Da sich diese Eigenschaften häufig zusammen mit der Farbe ändern, entsteht leicht der Eindruck, dass die Farbe selbst die Ursache ist.
Lackierte Oberflächen, Kunststoffe, Gummi und viele andere Materialien mit höherem Emissionsgrad lassen sich meist vergleichsweise stabil messen. Poliertes Aluminium, Edelstahl, Kupfer und andere reflektierende Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad erfordern dagegen besondere Sorgfalt.
Ein korrekt berücksichtigter Emissionsgrad sowie konstante Messpositionen, Abstände, Winkel und Oberflächenbedingungen sind entscheidend für zuverlässige Infrarot-Temperaturmessungen.
