Einleitung
Infrarot-Thermometer messen die Oberflächentemperatur berührungslos. Sie ermöglichen schnelle Messungen und eignen sich besonders für heiße, bewegte, schwer zugängliche oder gefährliche Messobjekte. Im Laufe der Nutzung können jedoch Sensordrift, Verschmutzungen des optischen Systems, Veränderungen elektronischer Komponenten oder wechselnde Umgebungsbedingungen zu Messabweichungen führen.
Bei Anwendungen mit definierten Genauigkeitsanforderungen sollte ein Infrarot-Thermometer daher in geeigneten Abständen überprüft und kalibriert werden.
Dabei ist wichtig: Eine Kalibrierung ist nicht gleichbedeutend mit einem einfachen Vergleich mit einem gewöhnlichen Thermometer. Für eine fachgerechte Kalibrierung wird in der Regel eine stabile Schwarzkörper-Strahlungsquelle mit bekannter Emissivität und ausreichend großer wirksamer Strahlungsfläche verwendet.
Das Wichtigste auf einen Blick
● Ziel der Kalibrierung ist es, die Abweichung zwischen der Anzeige des Infrarot-Thermometers und einer bekannten Referenztemperatur zu bestimmen.
● Für professionelle Kalibrierungen wird üblicherweise ein Schwarzkörperstrahler verwendet und nicht eine Wandoberfläche, heißes Wasser oder blankes Metall.
● Thermometer, Schwarzkörperquelle und Umgebung sollten sich vor der Messung im thermisch stabilen Zustand befinden.
● Messabstand, D:S-Verhältnis, Emissionsgradeinstellung und Messwinkel beeinflussen das Ergebnis.
● Die Kalibrierung ermittelt eine Abweichung; eine Justierung verändert interne Parameter, um diese Abweichung zu korrigieren.
● Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollte die Kalibrierung durch den Hersteller oder ein entsprechend ausgestattetes Kalibrierlabor erfolgen.
Was bedeutet die Kalibrierung eines Infrarot-Thermometers?
Ein Infrarot-Thermometer erfasst die von einer Oberfläche abgegebene Wärmestrahlung und berechnet daraus anhand von Detektorsignal, Emissionsgrad, Optik und interner Signalverarbeitung die Oberflächentemperatur.
Bei der Kalibrierung wird die Anzeige des Messgeräts unter definierten Bedingungen mit einem bekannten Referenzwert verglichen. Dadurch lässt sich die Messabweichung bestimmen.
Ist eine Schwarzkörperquelle beispielsweise auf 100,0 °C stabilisiert und zeigt das Infrarot-Thermometer 100,8 °C an, beträgt die Anzeigeabweichung unter diesen Bedingungen etwa +0,8 °C.
Eine einzelne Messung bei nur einer Temperatur reicht jedoch nicht aus, um das Verhalten des Geräts über seinen gesamten Arbeitsbereich zu beurteilen. Professionelle Kalibrierungen werden deshalb normalerweise an mehreren Temperaturpunkten durchgeführt.
Warum wird für die Kalibrierung ein Schwarzkörperstrahler verwendet?
Infrarot-Thermometer reagieren auf die von der Messoberfläche abgegebene Wärmestrahlung. Materialien unterscheiden sich jedoch deutlich hinsichtlich Emissionsgrad und Reflexionsverhalten. Messungen an gewöhnlichem Metall, Kunststoff, lackierten Flächen, Wänden oder Flüssigkeiten können deshalb zusätzliche Unsicherheiten verursachen.
Ein Schwarzkörperstrahler stellt eine kontrollierte und stabile Infrarotstrahlung mit bekanntem Emissionsverhalten bereit und eignet sich daher wesentlich besser als Referenzquelle.
Geeignete Schwarzkörper-Kalibratoren bieten typischerweise:
● Eine stabile Temperaturregelung;
● Eine definierte wirksame Strahlungsfläche;
● Einen hohen und bekannten Emissionsgrad;
● Gute Temperaturhomogenität und Stabilität;
● Eine Referenztemperatur mit geeigneter messtechnischer Rückführbarkeit.
Durch die Verwendung einer geeigneten Schwarzkörperquelle lassen sich Unsicherheiten, die vom Messobjekt selbst verursacht werden, deutlich reduzieren.
Was ist vor der Kalibrierung zu prüfen?
Vor der eigentlichen Kalibrierung sollten Messgerät, Referenzquelle und Umgebungsbedingungen überprüft werden.
● Optik kontrollieren. Staub, Öl, Kondenswasser oder andere Verunreinigungen auf der Linse können die am Detektor ankommende Infrarotstrahlung verringern und dadurch Messabweichungen verursachen.
● Batteriezustand prüfen. Eine zu niedrige Versorgungsspannung kann bei bestimmten Geräten die Funktion beeinträchtigen.
● Temperaturangleichung ermöglichen. Wurde das Messgerät gerade aus einem kalten Lager, einem aufgeheizten Fahrzeug oder aus dem Außenbereich in einen Messraum gebracht, sollte es zunächst ausreichend akklimatisieren.
● Emissionsgrad prüfen. Bei Geräten mit einstellbarem Emissionsgrad muss die Einstellung zur Schwarzkörperquelle und zum vorgesehenen Kalibrierverfahren passen.
● Messabstand prüfen. Entsprechend dem D:S-Verhältnis muss sichergestellt sein, dass der gesamte Messfleck innerhalb der wirksamen Strahlungsfläche des Schwarzkörpers liegt.
● Schwarzkörper stabilisieren lassen. Das Erreichen des Sollwerts bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Strahlungsquelle bereits vollständig stabil ist.
Viele vermeintliche Kalibrierfehler entstehen durch ungeeignete Prüfbedingungen und nicht durch einen Defekt des Infrarot-Thermometers.
Wie erfolgt die Kalibrierung mit einem Schwarzkörperstrahler?
Ein übliches Verfahren besteht darin, das Infrarot-Thermometer an mehreren Temperaturpunkten mit einer standardisierten Schwarzkörperquelle zu vergleichen.
Zunächst wird der Schwarzkörper auf den gewünschten Kalibrierpunkt eingestellt und ausreichend lange stabilisiert.
Anschließend wird das Infrarot-Thermometer auf die wirksame Strahlungsfläche ausgerichtet. Das Gerät sollte stabil gehalten und möglichst annähernd senkrecht zur Messfläche positioniert werden. Große Messwinkel sind zu vermeiden.
Entscheidend ist, dass der Messfleck vollständig innerhalb der aktiven Strahlungsfläche liegt. Ist der Messabstand zu groß und wird der Messfleck größer als die Schwarzkörperöffnung, können Strahlungsanteile aus der Umgebung in das Sichtfeld gelangen und das Ergebnis verfälschen.
Nach Stabilisierung der Bedingungen werden mehrere Messwerte aufgenommen und dokumentiert. Diese Werte werden anschließend mit der Referenztemperatur verglichen.
Danach wird die Schwarzkörpertemperatur auf weitere Prüfwerte eingestellt. Je nach Einsatzbereich können hierfür beispielsweise ein niedriger, mittlerer und hoher Temperaturpunkt gewählt werden.
Wie lässt sich feststellen, ob eine Justierung erforderlich ist?
Nach der Kalibrierung wird der Messwert an jedem Prüfpunkt mit der Referenztemperatur verglichen.
Die grundlegende Anzeigeabweichung lässt sich wie folgt darstellen:
Messabweichung = Anzeige des Infrarot-Thermometers − Referenztemperatur
Beispiel:
● Referenztemperatur des Schwarzkörpers: 200,0 °C
● Anzeige des Infrarot-Thermometers: 202,1 °C
● Anzeigeabweichung an diesem Punkt: +2,1 °C
Ob die Abweichung zulässig ist, hängt von den spezifizierten Genauigkeitsgrenzen des jeweiligen Geräts ab.
Bei vielen Infrarot-Thermometern gilt nicht über den gesamten Bereich ein einziger fester ±°C-Wert. Häufig wird die Genauigkeit aus einem festen Temperaturwert und einem prozentualen Anteil des Messwerts angegeben. Für die Bewertung ist deshalb immer die Spezifikation des konkreten Modells maßgeblich.
Liegen sämtliche Prüfwerte innerhalb der zulässigen Grenzen, erfüllt das Gerät in der Regel weiterhin seine spezifizierte Messleistung.
Was ist der Unterschied zwischen Kalibrierung und Justierung?
Kalibrierung und Justierung sind verwandte, aber unterschiedliche Vorgänge.
Bei der Kalibrierung wird ermittelt, wie stark die Anzeige eines Messgeräts von einer Referenz abweicht.
Bei der Justierung werden interne Parameter verändert, damit die Anzeige wieder näher am Referenzwert liegt.
Ein Infrarot-Thermometer kann somit kalibriert werden, ohne dass anschließend eine Justierung durchgeführt wird.
Bei einigen industriellen Geräten lassen sich interne Kalibrierparameter nur über spezielle Software, eine Service-Schnittstelle, einen Werksmodus oder entsprechende Produktionseinrichtungen ändern. Anwender sollten versteckte Serviceparameter nicht eigenständig verändern, da dadurch die ursprüngliche Kalibrierung beeinträchtigt werden kann.
Überschreitet die Messabweichung deutlich die spezifizierte Toleranz, sollte das Gerät durch den Hersteller oder einen qualifizierten Kalibrierdienst geprüft und gegebenenfalls justiert werden.
Kann ein Infrarot-Thermometer selbst kalibriert werden?
Zu Hause oder im Betrieb lassen sich einfache Funktions- und Vergleichsprüfungen durchführen. Diese entsprechen jedoch nicht einer professionellen Kalibrierung.
Eiswasser, heißes Wasser, kochendes Wasser oder ein zweites Thermometer werden gelegentlich als einfache Referenz verwendet. Für Kontaktthermometer können solche Prüfungen unter bestimmten Bedingungen sinnvoll sein. Bei Infrarot-Thermometern bestehen jedoch erhebliche Einschränkungen.
Das Gerät misst die Oberflächentemperatur und wird zusätzlich von Emissionsgrad, reflektierter Strahlung, Messfleckgröße, Umgebung und Oberflächenzustand beeinflusst.
Wird beispielsweise heißes Wasser in einem glänzenden Metallbehälter gemessen, erfasst das Infrarot-Thermometer in erster Linie die Temperatur und Strahlungseigenschaften der Behälteroberfläche und nicht direkt die Temperatur im Inneren des Wassers. Ein direkter Vergleich mit einem eingetauchten Kontaktthermometer ist deshalb messtechnisch nicht gleichwertig.
Einfache Vergleichsmessungen eignen sich zur Erkennung deutlicher Abweichungen, ersetzen jedoch keine Schwarzkörperkalibrierung.
Welche Faktoren können das Kalibrierergebnis verfälschen?
Auch bei Verwendung eines Schwarzkörperstrahlers kann eine ungeeignete Messanordnung zu falschen Ergebnissen führen.
● Zu großer Messabstand. Überschreitet der Messfleck die wirksame Strahlungsfläche, beeinflusst die Umgebung den Messwert.
● Unzureichende Stabilisierung der Referenzquelle. Ein Schwarzkörper kann nach Erreichen des Sollwerts noch thermisch nachregeln.
● Falscher Emissionsgrad. Die Einstellung des Messgeräts muss mit den Kalibrierbedingungen übereinstimmen.
● Verschmutzte Optik. Staub, Öl oder Feuchtigkeit beeinflussen die zum Detektor gelangende Infrarotstrahlung.
● Schnelle Änderungen der Umgebungstemperatur. Die interne Kompensation arbeitet zuverlässig erst, wenn sich das Gerät thermisch stabilisiert hat.
● Ungeeigneter Messwinkel. Große Winkel können Messfläche und Strahlungsbedingungen verändern.
● Unzureichende Wiederholbarkeit. Schwanken mehrere Messungen am gleichen Prüfpunkt stark, sollten zuerst Aufbau und Gerätezustand geprüft werden.
Eine zuverlässige Kalibrierung hängt daher sowohl von der Referenzquelle als auch von einer korrekt ausgeführten Prüfmethode ab.
Wie oft sollte ein Infrarot-Thermometer kalibriert werden?
Es gibt kein einheitliches Kalibrierintervall, das für alle Geräte und Anwendungen geeignet ist.
Der geeignete Zeitraum hängt von Einsatzbereich, Nutzungshäufigkeit, Genauigkeitsanforderungen, Umgebungsbedingungen und dem jeweiligen Qualitätsmanagementsystem ab.
Für allgemeine Messaufgaben können regelmäßige Funktions- und Vergleichsprüfungen ausreichend sein. In der industriellen Qualitätssicherung, Instandhaltung, Laboranwendung oder bei dokumentationspflichtigen Messungen empfiehlt sich dagegen üblicherweise ein festgelegter Kalibrierzyklus.
Eine zusätzliche Überprüfung sollte insbesondere erfolgen nach:
● Starkem Stoß oder Fall;
● Längerem Einsatz bei hoher Temperatur, hoher Luftfeuchtigkeit, Staub oder rauen Umgebungsbedingungen;
● Deutlichen Abweichungen gegenüber früheren Messwerten;
● Dauerhaft erheblichen Unterschieden zu einer zuverlässigen Referenz;
● Reparaturen oder Austausch wichtiger Messkomponenten;
● Anforderungen aus dem eigenen Qualitätsmanagement oder von Kunden.
Wenn Messergebnisse unmittelbare Auswirkungen auf Produktqualität oder sicherheitsrelevante Entscheidungen haben, sollte neben festen Intervallen auch der tatsächliche Gerätezustand berücksichtigt werden.
FAQ
Kann ein Infrarot-Thermometer mit Eiswasser kalibriert werden?
Eiswasser kann für bestimmte Temperaturmessgeräte als einfache Referenz dienen. Bei Infrarotmessungen wirken sich jedoch Oberflächenzustand, Emissionsgrad, Reflexionen, Behälter und Umgebungsstrahlung auf das Ergebnis aus. Für eine professionelle Kalibrierung ist diese Methode daher nicht geeignet.
Kann ein zweites Infrarot-Thermometer als Referenz verwendet werden?
In der Regel nicht. Eine Abweichung des Referenzgeräts würde direkt in das Vergleichsergebnis eingehen. Professionelle Kalibrierungen sollten auf einer bekannten und rückführbaren Referenz basieren.
Warum sind Messwerte direkt nach dem Wechsel vom Außen- in den Innenbereich ungenau?
Das Gerätegehäuse kann noch eine andere Temperatur als die Raumumgebung haben. Die interne Umgebungstemperaturkompensation arbeitet dann noch nicht unter stabilen Bedingungen. Vor präzisen Messungen sollte das Gerät ausreichend akklimatisieren.
Kann der Laserpunkt zur Temperaturkalibrierung verwendet werden?
Nein. Der Laser dient hauptsächlich der Zielhilfe und ist nicht Teil der eigentlichen Infrarot-Temperaturmessung. Der Messbereich wird durch das optische System und das D:S-Verhältnis bestimmt.
Warum kann ein kalibriertes Gerät in der Praxis trotzdem ungenaue Werte liefern?
Neben der Geräteabweichung beeinflussen Emissionsgrad, Messabstand, Zielgröße, Oberflächenreflexion, Verschmutzungen der Optik und Umgebungsbedingungen die Messung. Eine bestandene Kalibrierung garantiert daher nicht unter allen Bedingungen die gleiche Messgenauigkeit.
Fazit
Bei der professionellen Kalibrierung eines Infrarot-Thermometers wird dessen Anzeige mit einer stabilen, bekannten und messtechnisch rückführbaren Infrarot-Referenz verglichen. Dafür werden in der Praxis häufig Schwarzkörper-Strahlungsquellen eingesetzt.
Für zuverlässige Ergebnisse müssen neben der Referenztemperatur auch Emissionsgrad, Messabstand, D:S-Verhältnis, Messfleckgröße, Umgebungstemperatur, Stabilisierung und Zustand der Optik berücksichtigt werden.
Einfache Vergleichsprüfungen können im Alltag helfen, deutlich erkennbare Abweichungen festzustellen. Bei industrieller Qualitätssicherung, professionellen Prüfaufgaben oder hohen Genauigkeitsanforderungen sollte die Kalibrierung jedoch mit einer geeigneten Schwarzkörperquelle durch den Hersteller oder einen qualifizierten Kalibrierdienst erfolgen.
Das Verständnis der Unterschiede zwischen Kalibrierung, Bewertung der Messabweichung und Justierung trägt entscheidend dazu bei, die langfristige Stabilität und Zuverlässigkeit eines Infrarot-Thermometers sicherzustellen.
