Einleitung
Bei der Messung desselben Objekts mit einem Infrarotthermometer können sich die angezeigten Temperaturen ändern, wenn der Messpunkt von links nach rechts, von der Mitte zum Rand oder auch nur um wenige Zentimeter verschoben wird. Dies bedeutet nicht zwangsläufig, dass das Messgerät fehlerhaft ist.
Ein Infrarotthermometer erfasst die Infrarotstrahlung eines definierten Bereichs der Zieloberfläche. In der Praxis können Oberflächentemperatur, Emissionsgrad, Oberflächenbeschaffenheit und reflektierte Umgebungsstrahlung je nach Position variieren. Unterschiedliche Messwerte können daher entweder reale Temperaturunterschiede oder veränderte Messbedingungen widerspiegeln.
Das Wichtigste im Überblick
● Verschiedene Stellen desselben Objekts können tatsächlich unterschiedliche Oberflächentemperaturen aufweisen.
● Wärmequelle, Wärmeabfuhr, innere Konstruktion und Luftströmung können Temperaturgradienten erzeugen.
● Unterschiede bei Farbe, Rauheit, Oxidation, Verschmutzung oder Beschichtung können den lokalen Emissionsgrad verändern.
● Ein Infrarotthermometer misst einen Messfleck und nicht ausschließlich den Laserpunkt.
● Änderungen von Abstand, Messwinkel und reflektierter Hintergrundstrahlung können den Messwert beeinflussen.
● Um reale Temperaturunterschiede beurteilen zu können, sollten Emissionsgrad, Abstand, Winkel und Messfläche möglichst konstant gehalten werden.
Die Oberflächentemperatur eines Objekts ist nicht immer gleichmäßig
In realen Anwendungen weisen nur wenige Objekte eine vollkommen gleichmäßige Oberflächentemperatur auf. Selbst innerhalb desselben Bauteils können Wärmeentstehung, Wärmeleitung und Wärmeabgabe von Stelle zu Stelle unterschiedlich sein.
Bei einer beheizten Metallplatte ist der Bereich nahe der Wärmequelle beispielsweise häufig wärmer als der Rand. An einem Motorgehäuse können Bereiche in der Nähe von Lagern, Wicklungen oder anderen inneren Wärmequellen höhere Temperaturen aufweisen. Auch entlang einer Rohrleitung können sich die Oberflächentemperaturen mit zunehmendem Abstand von der Wärmequelle verändern.
Eine solche räumliche Temperaturänderung wird als Temperaturgradient bezeichnet. Wenn das Infrarotthermometer an diesen Stellen unterschiedliche Werte misst, ist dies grundsätzlich normal und kein Hinweis auf eine unzureichende Wiederholgenauigkeit.
Lokale Erwärmung und Wärmeabfuhr können unterschiedlich sein
Die Oberflächentemperatur wird durch das Gleichgewicht zwischen zugeführter und abgeführter Wärme bestimmt. Ändern sich die Bedingungen innerhalb einer Oberfläche, können lokale Warm- oder Kaltstellen entstehen.
● Bereiche nahe Heizungen, Motorwicklungen, Lagern, Widerständen oder anderen Wärmequellen können wärmer sein.
● Ränder, Halterungen oder metallische Verbindungsstellen können Wärme durch Wärmeleitung schneller abführen.
● Bereiche in der Nähe von Lüftern, Luftauslässen oder Kühlluftströmen können kühler sein.
● Kontakt mit anderen Bauteilen kann zusätzliche Wärmeleitung verursachen.
● Unterschiedliche Einwirkung von Sonnenstrahlung, Wärmestrahlung oder einer kalten Umgebung kann lokale Temperaturabweichungen erzeugen.
Bei der Instandhaltung können solche Temperaturunterschiede diagnostisch wertvoll sein und beispielsweise auf lokale Überhitzung, unzureichende Kühlung oder mechanische Reibung hinweisen.
Der Emissionsgrad kann innerhalb derselben Oberfläche variieren
Ein Infrarotthermometer bestimmt die Oberflächentemperatur anhand der erfassten Infrarotstrahlung. Der Emissionsgrad ist daher eine wesentliche Einflussgröße.
Auch bei demselben Objekt kann die Oberflächenbeschaffenheit unterschiedlich sein. Eine Stelle kann oxidiert, eine andere poliert sein. Öl, Staub, Lack oder andere Beschichtungen können nur einzelne Bereiche bedecken. Dadurch verändern sich die infraroten Strahlungseigenschaften der Oberfläche.
Besonders deutlich ist dieser Effekt bei Edelstahl, Aluminium, Kupfer sowie anderen Materialien mit niedrigem Emissionsgrad oder hoher Reflexion. Enthält eine Metalloberfläche gleichzeitig polierte, oxidierte und verschmutzte Bereiche, kann das Infrarotthermometer unterschiedliche Temperaturen anzeigen, obwohl die tatsächlichen Oberflächentemperaturen ähnlich sind.
Vor dem Vergleich mehrerer Messpunkte sollte daher geprüft werden, ob Material und Oberflächenzustand vergleichbar sind.
Der erfasste Messfleck verändert sich mit der Messposition
Ein Infrarotthermometer misst nicht ausschließlich die Stelle, auf die der Laser zeigt. Der Laser dient in erster Linie als Zielhilfe. Tatsächlich erfasst das optische System die Infrarotstrahlung aus einem bestimmten Flächenbereich, dem Messfleck.
Wird die Messposition verändert, verändert sich auch der erfasste Bereich. Deckt ein Messfleck überwiegend eine heiße Zone ab, während ein anderer gleichzeitig einen heißen und einen kühleren Bereich erfasst, kann der zweite Messwert niedriger ausfallen.
Dies ist besonders relevant, wenn:
● das Messobjekt klein ist,
● der Messabstand groß und der Messfleck dadurch größer ist,
● nahe am Rand gemessen wird,
● der Messfleck Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen oder Materialien umfasst,
● ausgeprägte lokale Hotspots vorhanden sind.
Für vergleichbare Messungen sollte der gesamte Messfleck innerhalb des Zielbereichs liegen. Zusätzlich sollte der Messabstand möglichst konstant gehalten werden.
Unterschiedliche Messabstände können das Ergebnis beeinflussen
Infrarotthermometer verfügen über ein festgelegtes Verhältnis von Messabstand zu Messfleckdurchmesser, das D:S-Verhältnis. Mit zunehmendem Abstand zum Messobjekt wird der Messfleck in der Regel größer.
Wird eine Stelle aus geringer Entfernung und eine andere aus deutlich größerer Entfernung gemessen, werden unterschiedliche Flächen erfasst. Ein größerer Messfleck kann wärmere oder kältere Nachbarbereiche einschließen und dadurch die angezeigte Temperatur verändern.
Bei Vergleichsmessungen sollte deshalb ein ähnlicher Messabstand eingehalten und sichergestellt werden, dass die Zieloberfläche deutlich größer als der Messfleck ist.
Ein veränderter Messwinkel kann zusätzliche Messabweichungen verursachen
Für Infrarotmessungen ist eine möglichst senkrechte Ausrichtung auf die Oberfläche in der Regel vorteilhaft. Ändert sich der Messwinkel zwischen verschiedenen Messpunkten deutlich, wird der Messfleck zunehmend elliptisch und die effektiv erfasste Fläche größer.
Gleichzeitig kann sich der Anteil der reflektierten Umgebungsstrahlung verändern, der in den Detektor gelangt.
Dies ist insbesondere bei metallischen, glänzenden oder niedrig emittierenden Oberflächen relevant.
Bei Mehrpunktmessungen sollte deshalb an allen Stellen ein ähnlicher Messwinkel eingehalten werden. Eine Stelle sollte nicht senkrecht und eine andere unter einem stark schrägen Winkel gemessen werden.
Reflektierte Hintergrundstrahlung kann unterschiedliche Messwerte verursachen
Nicht die gesamte vom Infrarotthermometer erfasste Strahlung muss vom Messobjekt selbst stammen. Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad können Infrarotstrahlung warmer oder kalter Objekte aus der Umgebung reflektieren.
So kann beispielsweise eine Stelle einer glänzenden Metalloberfläche eine nahe heiße Maschine reflektieren, während eine andere Stelle eine kühlere Wand reflektiert. Obwohl beide Stellen tatsächlich eine ähnliche Temperatur haben, kann das Infrarotthermometer deutlich unterschiedliche Werte anzeigen.
Wenn sich beim Verschieben des Messpunkts zusätzlich der Messwinkel ändert, kann dieser Effekt noch stärker werden.
Wie lässt sich feststellen, ob ein Temperaturunterschied real ist?
Um reale Temperaturunterschiede von messtechnischen Einflüssen zu unterscheiden, sollten die Messungen unter möglichst gleichen Bedingungen wiederholt werden.
● Den Emissionsgrad passend zur Zieloberfläche einstellen.
● Verschiedene Messpunkte aus möglichst gleichem Abstand messen.
● Einen vergleichbaren Messwinkel einhalten.
● Sicherstellen, dass jede Zielzone größer als der Messfleck ist.
● Messungen direkt an Kanten, Öffnungen oder Materialübergängen vermeiden.
● Oberfläche auf Öl, Staub, Oxidation, Beschichtungen oder unterschiedliche Glanzgrade prüfen.
● Jeden Messpunkt mehrfach messen und auf stabile, wiederholbare Ergebnisse achten.
Bleibt eine bestimmte Stelle unter gleichen Bedingungen dauerhaft wärmer oder kälter als andere Bereiche, spricht dies eher für einen realen Temperaturunterschied.
Ändert sich der Messwert dagegen deutlich mit Winkel, Abstand oder Position des Bedieners, sollten insbesondere Emissionsgrad, Messfleckgröße und reflektierte Hintergrundstrahlung überprüft werden.
So verbessern Sie die Vergleichbarkeit mehrerer Messpunkte
Für regelmäßige Temperaturkontrollen an festgelegten Stellen einer Anlage ist ein standardisiertes Messverfahren empfehlenswert.
● Feste Messpunkte definieren und möglichst markieren.
● Bei jeder Messung einen gleichen oder ähnlichen Messabstand verwenden.
● Messrichtung und Messwinkel möglichst konstant halten.
● Für vergleichbare Oberflächen denselben Emissionsgrad einstellen.
● Messstellen mit deutlich unterschiedlicher Oberflächenbehandlung möglichst nicht direkt vergleichen.
● Bei stark reflektierenden Metalloberflächen kann, sofern technisch und sicherheitstechnisch zulässig, eine einheitliche Referenzfläche mit hohem Emissionsgrad verwendet werden.
● Für Trendanalysen sollten Lastzustand, Umgebungstemperatur und Betriebszustand möglichst vergleichbar sein.
Bei der vorbeugenden Instandhaltung sind reproduzierbare Messbedingungen häufig wichtiger als ein einzelner Messwert. Nur standardisierte Messungen ermöglichen eine aussagekräftige Bewertung langfristiger Temperaturtrends.
FAQ
Warum unterscheiden sich die Messwerte an verschiedenen Stellen derselben Metalloberfläche so stark?
Neben realen Temperaturunterschieden können unterschiedliche Emissionsgrade und Reflexionen die Ursache sein. Besonders bei blankem Edelstahl, Aluminium, Kupfer und anderen reflektierenden Metallen können Unterschiede in Oxidation, Rauheit, Verschmutzung und reflektierter Umgebung die Infrarotmessung deutlich beeinflussen.
Ist der Laserpunkt genau die gemessene Fläche?
Nein. Der Laser dient hauptsächlich als Zielhilfe. Tatsächlich misst das Gerät einen Messfleck mit einer bestimmten Fläche. Mit zunehmender Entfernung wird dieser Messfleck in der Regel größer.
Ist es normal, dass Mitte und Rand eines Objekts unterschiedliche Temperaturen haben?
Ja. Randbereiche können andere Wärmeabfuhrbedingungen aufweisen. Zudem kann ein Messfleck in Randnähe teilweise den Hintergrund erfassen. Sowohl die reale Temperaturverteilung als auch die Größe des Messflecks müssen berücksichtigt werden.
Sind leichte Schwankungen bei wiederholten Messungen am selben Punkt normal?
Kleine Abweichungen können durch die Auflösung des Geräts, reale Temperaturänderungen des Messobjekts sowie geringfügige Änderungen von Handposition, Abstand und Messwinkel entstehen. Bleiben die Werte innerhalb der spezifizierten Wiederholgenauigkeit und Messgenauigkeit stabil, deutet dies normalerweise nicht auf einen Gerätefehler hin.
Wie lassen sich Temperaturen an verschiedenen Stellen einer Anlage am zuverlässigsten vergleichen?
Messpunkte sollten fest definiert werden. Emissionsgrad, Messabstand, Winkel, erfasste Fläche und Betriebsbedingungen sollten möglichst gleich bleiben. Für langfristige Trendanalysen sind standardisierte, feste Messpunkte wesentlich besser geeignet als wechselnde Messpositionen.
Fazit
Unterschiedliche Temperaturanzeigen an verschiedenen Stellen desselben Objekts bedeuten nicht automatisch, dass das Infrarotthermometer ungenau misst. Reale Bauteile weisen häufig Temperaturgradienten auf, da Wärmeentstehung, Wärmeabfuhr und innere Wärmequellen nicht gleichmäßig verteilt sind.
Zusätzlich können lokale Unterschiede bei Emissionsgrad, Oberflächenrauheit, Oxidation, Messfleckgröße, Messabstand, Messwinkel und reflektierter Hintergrundstrahlung die Messwerte beeinflussen.
Bei der Beurteilung einer möglichen Übertemperatur sollte deshalb nicht nur ein einzelner Anzeigewert betrachtet werden. Messpunkt und Messbedingungen sollten standardisiert, Messungen wiederholt und langfristige Temperaturtrends berücksichtigt werden. Erst unter vergleichbaren Messbedingungen lassen sich Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Positionen zuverlässig bewerten.
