Einleitung
Die Infrarot-Temperaturmessung ist ein berührungsloses Messverfahren. Ein Infrarot-Thermometer misst nicht unmittelbar die Temperatur im Inneren eines Körpers, sondern erfasst die von dessen Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung und berechnet daraus unter Berücksichtigung des Emissionsgrades die Temperatur.
Wird die Übertragung dieser Strahlung zwischen Messobjekt und Gerät beeinflusst, kann sich auch das Messergebnis verändern. Staub, Schwebstoffe, Rauch und Ölnebel sind typische Störfaktoren in industriellen Umgebungen.
Dabei können Staub und Ölnebel an verschiedenen Stellen wirken: im freien Messweg, als Ablagerung auf der Objektoberfläche oder als Verschmutzung auf Linse beziehungsweise optischem Fenster des Thermometers. Die daraus entstehende Messabweichung ist deshalb nicht grundsätzlich nur positiv oder negativ.
Die wichtigsten Punkte
● Staub und Ölnebel im Messweg können Infrarotstrahlung absorbieren, streuen oder selbst abstrahlen und dadurch die am Detektor ankommende Zielstrahlung verändern.
● Staub- oder Ölablagerungen auf dem Messobjekt können Emissionsgrad und Reflexionseigenschaften der Oberfläche verändern.
● Verschmutzungen auf Linse oder optischem Fenster verringern unter Umständen die Infrarot-Transmission und führen zu fehlerhaften, langsameren oder driftenden Messwerten.
● Der Einfluss nimmt häufig mit steigender Verschmutzung, größerem Messabstand und kleiner werdendem Messobjekt zu.
● Ein pauschaler Korrekturwert ist in der Regel ungeeignet. Eine Verbesserung der Messbedingungen ist zuverlässiger als eine feste Temperaturkorrektur.
Warum beeinflusst Staub die Infrarotmessung?
Ein Infrarot-Thermometer benötigt ein ausreichendes Strahlungssignal vom Messobjekt. Befindet sich im Messweg eine hohe Konzentration an Staub oder Schwebstoffen, kann die Strahlung teilweise absorbiert oder gestreut werden.
● Absorption: Ein Teil der Infrarotenergie wird von Partikeln aufgenommen. Dadurch erreicht weniger Zielstrahlung den Detektor.
● Streuung: Partikel lenken einen Teil der Strahlung aus ihrer ursprünglichen Richtung ab.
● Eigenstrahlung: Erwärmte Staubpartikel geben selbst Infrarotstrahlung ab und tragen damit zusätzlich zum Gesamtsignal bei.
Bei hoher Staubbelastung erfasst das Thermometer somit nicht ausschließlich die Strahlung des Messobjekts, sondern ein überlagertes Signal aus Zielstrahlung und Einflüssen des Mediums im Messweg.
Warum kann auch Ölnebel Messfehler verursachen?
Ölnebel besteht aus feinen Flüssigkeitströpfchen in der Luft. Er tritt beispielsweise bei Zerspanungsprozessen, Schmieranlagen, Sprühverfahren, Druckluftanwendungen oder anderen industriellen Prozessen auf.
Auch Ölnebel kann Infrarotstrahlung absorbieren und streuen. Bei geringer Konzentration und kurzem Messweg ist dieser Einfluss möglicherweise gering. Mit zunehmender Nebeldichte, größerem Messabstand oder einer hohen Temperaturdifferenz zwischen Ziel und Nebel kann die Messabweichung jedoch zunehmen.
Wird beispielsweise eine heiße Oberfläche durch dichten Ölnebel gemessen, kann ein Teil ihrer Wärmestrahlung abgeschwächt werden. Gleichzeitig gibt auch der Ölnebel selbst Infrarotstrahlung in Richtung des Messgeräts ab.
Der Messwert kann daher sowohl zu hoch als auch zu niedrig sein. Entscheidend sind unter anderem Zieltemperatur, Nebeltemperatur, Konzentration, Messweglänge und der Spektralbereich des verwendeten Thermometers.
Die Annahme, dass Ölnebel grundsätzlich zu niedrigen Messwerten führt, ist daher nicht korrekt.
Staub auf der Oberfläche kann den Emissionsgrad verändern
Nicht nur Partikel in der Luft sind relevant. Auch Staubablagerungen direkt auf der Messoberfläche beeinflussen die Infrarotmessung.
Ein Infrarot-Thermometer erfasst die Strahlung der äußersten Oberfläche. Wird beispielsweise eine ursprünglich blanke Metalloberfläche mit Staub bedeckt, misst das Gerät nicht mehr dieselben Oberflächeneigenschaften wie zuvor.
Der effektive Emissionsgrad kann sich deutlich verändern.
Viele blanke oder polierte Metalle besitzen einen niedrigen Emissionsgrad und reflektieren einen erheblichen Anteil der Umgebungsstrahlung. Eine Staubschicht kann den effektiven Emissionsgrad erhöhen und den relativen Einfluss reflektierter Hintergrundstrahlung verringern.
Dadurch kann sich der angezeigte Temperaturwert ändern, obwohl die tatsächliche Objekttemperatur nahezu gleich bleibt.
Bei langfristigen Trendmessungen sollte deshalb der Zustand der Messoberfläche möglichst konstant gehalten werden.
Ein Ölfilm verändert die wirksame Messoberfläche
Auch Öl auf der Objektoberfläche verändert die infrarotoptischen Eigenschaften.
Aus Sicht des Thermometers stammt die erfasste Strahlung von der äußersten Oberfläche. Befindet sich dort ein Ölfilm, misst das Gerät eine Oberfläche, deren Strahlungseigenschaften durch diese Schicht verändert wurden.
Ein Ölfilm kann folgende Größen beeinflussen:
● Emissionsgrad;
● Infrarot-Reflexion;
● Wärmeübergang an der Oberfläche;
● Thermisches Ansprechverhalten der Oberfläche.
Bei einer relativ dicken Ölschicht oder einer Temperaturdifferenz zwischen Ölfilm und Grundmaterial entspricht die gemessene Oberflächentemperatur möglicherweise nicht unmittelbar der Temperatur des darunterliegenden Werkstoffs.
Staub und Öl auf der Optik können dauerhaft wirken
In industriellen Anwendungen entstehen manche Messprobleme weniger durch vorübergehende Partikel in der Luft als durch Verschmutzungen, die sich langfristig auf Linse oder optischem Fenster ablagern.
Die Optik ist ein wesentlicher Bestandteil des Messwegs. Staub, Öl oder kondensierter Ölnebel kann die Infrarot-Transmission reduzieren.
Typische Anzeichen sind:
● Allmähliche Veränderung der Messwerte am gleichen Objekt;
● Auffällige Abweichungen bei heißen Messobjekten;
● Längere Reaktionszeit als zuvor;
● Verschlechterte Wiederholbarkeit bei Messungen an einem Referenzobjekt;
● Deutlich veränderte Messwerte nach Reinigung der Optik.
Im Gegensatz zu kurzzeitigem Staub in der Luft bleibt eine Verschmutzung der Optik bestehen und beeinflusst die Messung kontinuierlich. In staub- oder ölnebelbelasteten Bereichen sollte das optische Fenster daher regelmäßig kontrolliert werden.
Warum sind Messwerte manchmal zu niedrig und manchmal zu hoch?
Die Richtung der Messabweichung ist nicht festgelegt, weil sich am Detektor mehrere Strahlungsanteile überlagern.
Wird die Strahlung eines heißen Messobjekts durch deutlich kühlere Staubpartikel oder Ölnebel stark abgeschwächt, kann die angezeigte Temperatur zu niedrig sein.
Ist das Messobjekt dagegen relativ kühl und befinden sich im Messweg wärmere Partikel, heißer Ölnebel oder andere Strahlungsquellen, kann zusätzliche Infrarotstrahlung zu einem zu hohen Messwert führen.
Ändert sich die Konzentration von Staub oder Nebel ständig, verändert sich auch die am Detektor eintreffende Strahlungsleistung. Dies kann sich in schwankenden Temperaturanzeigen äußern.
Bei der Fehleranalyse sollte daher nicht nur geprüft werden, ob der Wert zu hoch oder zu niedrig ist, sondern auch, unter welchen Umgebungs- und Messbedingungen er entsteht.
Wann ist der Einfluss besonders groß?
Wie stark Staub und Ölnebel die Messung beeinflussen, hängt von den konkreten Einsatzbedingungen ab.
● Hohe Partikel- oder Nebelkonzentration: Die Dämpfung und Störung der Strahlung nimmt in der Regel zu.
● Großer Messabstand: Die Strahlung durchläuft einen längeren belasteten Messweg.
● Kleine Messobjekte: Ein schwächeres Nutzsignal wird leichter von Hintergrund- und Störeinflüssen überlagert.
● Große Temperaturdifferenz zur Umgebung: Der Einfluss des Zwischenmediums kann deutlicher in Erscheinung treten.
● Dauerhaft verschmutzte Optik: Ablagerungen verursachen kontinuierliche Messabweichungen.
● Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad: Hintergrundreflexion, Emissionsgradänderungen und Verschmutzungen können sich überlagern.
Wie lässt sich der Einfluss von Staub und Ölnebel reduzieren?
Bei industriellen Messungen lassen sich Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit vor allem durch eine geeignete Messgeometrie, einen möglichst sauberen Messweg und regelmäßige Wartung verbessern.
● Messabstand so weit wie möglich verkürzen und gleichzeitig sicherstellen, dass der Messfleck vollständig innerhalb des Zielbereichs liegt.
● Nicht durch sichtbar dichte Staub-, Rauch- oder Ölnebelwolken messen.
● Bei Langzeitmessungen den Zustand der Zieloberfläche möglichst konstant halten.
● Linse und optisches Fenster regelmäßig auf Staub, Öl, Kondensation und andere Ablagerungen kontrollieren.
● Optische Komponenten ausschließlich entsprechend den Herstellerangaben reinigen, um Infrarotmaterialien und Beschichtungen nicht zu beschädigen.
● Für kritische Messpunkte möglichst feste und reproduzierbare Messpositionen verwenden.
● Wenn Staub oder Ölnebel nicht vermieden werden können, die Infrarotmessung mit einer Referenztemperaturquelle oder einem anderen geeigneten Messverfahren überprüfen.
Kann man für Staub oder Ölnebel einen festen Korrekturwert verwenden?
In den meisten Fällen ist ein einheitlicher Temperaturkorrekturwert nicht empfehlenswert.
Die Messabweichung ist nicht konstant. Sie hängt unter anderem von Partikel- oder Tröpfchenkonzentration, Weglänge, Zieltemperatur, Temperatur des Zwischenmediums, Emissionsgrad, Spektralbereich und Verschmutzungsgrad der Optik ab.
Der gleiche Ölnebel kann beispielsweise bei einem Messobjekt mit 50 °C einen anderen Einfluss haben als bei 500 °C. Ebenso kann sich das Ergebnis deutlich verändern, wenn der Messabstand von wenigen Zentimetern auf mehrere Meter erhöht wird.
Eine Verbesserung des Messwegs und stabile Messbedingungen sind deshalb wesentlich zuverlässiger als pauschale Korrekturen wie +5 °C oder −10 °C.
Wie lässt sich feststellen, ob Staub oder Ölnebel die Ursache ist?
Einige einfache Vergleichsmessungen können bei der Diagnose helfen.
● Messabstand zum gleichen Ziel reduzieren und beobachten, ob sich der Messwert deutlich verändert.
● Messung wiederholen, wenn die Staub- oder Ölnebelkonzentration vorübergehend geringer ist.
● Optik entsprechend den Herstellerangaben reinigen und anschließend dasselbe stabile Ziel erneut messen.
● Zieloberfläche auf Staub, Ölfilm oder andere Ablagerungen überprüfen.
● Wenn möglich, mit einem Kontaktfühler oder einem anderen überprüften Temperaturmessgerät vergleichen.
● Treten Auffälligkeiten nur in verschmutzter Umgebung auf und ist die Wiederholbarkeit unter sauberen Bedingungen normal, sollten zunächst Messweg und Verschmutzung geprüft werden, bevor ein Gerätefehler angenommen wird.
FAQ
Führt Staub immer zu zu niedrigen Infrarot-Messwerten?
Nein. Staub kann Zielstrahlung absorbieren und streuen, gleichzeitig aber auch selbst Infrarotstrahlung abgeben. Die Fehlergröße und -richtung hängen von mehreren Bedingungen ab.
Beeinflusst bereits eine geringe Staubmenge die Messung?
Bei geringer Staubkonzentration und kurzem Messabstand kann der Einfluss begrenzt sein. Für präzisere Messungen ist ein möglichst sauberer Messweg dennoch vorzuziehen.
Kann eine verstaubte Oberfläche weiterhin gemessen werden?
Ja. Allerdings kann die Staubschicht den effektiven Emissionsgrad verändert haben. Für vergleichbare Trendmessungen sollte der Oberflächenzustand möglichst gleich bleiben.
Verändert ein Ölfilm den Emissionsgrad?
Ja, möglicherweise deutlich. Ein Ölfilm verändert Emissions- und Reflexionseigenschaften der Oberfläche, sodass ein für das saubere Grundmaterial eingestellter Emissionsgrad nicht mehr zwingend geeignet ist.
Kann ein Infrarot-Thermometer mit öliger Linse weiterverwendet werden?
Für anspruchsvolle Messungen sollte das Gerät erst nach fachgerechter Reinigung der Optik weiterverwendet werden.
Kann durch dichten Ölnebel gemessen werden?
Ein Messwert kann weiterhin angezeigt werden, seine Genauigkeit und Aussagekraft können jedoch deutlich eingeschränkt sein. Für wichtige Messungen sollte der Ölnebel möglichst umgangen oder eine besser geeignete Messposition gewählt werden.
Fazit
Staub und Ölnebel beeinflussen die Infrarot-Temperaturmessung vor allem dadurch, dass sie den Strahlungstransport und die Strahlungseigenschaften der Messoberfläche verändern.
Partikel und Ölnebel im Messweg können Infrarotstrahlung absorbieren, streuen oder zusätzliche Strahlung beitragen. Ablagerungen auf der Messoberfläche können den Emissionsgrad verändern, während Verschmutzungen auf der Optik die Infrarot-Transmission reduzieren.
Zuverlässige Messungen in staubigen oder ölnebelhaltigen Industrieumgebungen hängen deshalb nicht nur von der Gerätespezifikation ab, sondern auch von Messabstand, Messweg, Oberflächenzustand und Sauberkeit der Optik.
Für kritische Temperaturüberwachung sind stabile und reproduzierbare Messbedingungen in der Regel zuverlässiger als eine pauschale empirische Temperaturkorrektur.
