Einleitung
Ein Infrarotthermometer ermittelt die Oberflächentemperatur eines Objekts anhand der von seiner Oberfläche abgegebenen Infrarotstrahlung. Durch die berührungslose Messung, die kurze Ansprechzeit und die Möglichkeit, heiße, bewegte oder schwer zugängliche Objekte zu prüfen, werden diese Geräte häufig in der industriellen Instandhaltung, Klimatechnik, Elektroprüfung und Produktion eingesetzt.
Obwohl die Bedienung häufig nur darin besteht, das Gerät auf das Messobjekt auszurichten und die Messtaste zu betätigen, müssen für zuverlässige Messergebnisse unter anderem Messabstand, Emissionsgrad, Zielgröße, Oberflächenbeschaffenheit und Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden.
Viele vermeintlich „ungenaue“ Messergebnisse sind nicht auf einen Gerätefehler zurückzuführen. Häufig liegen die Messbedingungen außerhalb des vorgesehenen Einsatzbereichs oder das Gerät wird nicht korrekt angewendet.
Das Wichtigste im Überblick
● Ein zu großer Messabstand kann dazu führen, dass der Messfleck größer als das eigentliche Messobjekt wird.
● Ein unpassend eingestellter Emissionsgrad beeinflusst unmittelbar die berechnete Temperatur.
● Glänzende Metalle und andere Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad können erhebliche Messabweichungen verursachen.
● Normale Infrarotthermometer können in der Regel nicht durch gewöhnliches Glas hindurch messen.
● Ein ungünstiger Messwinkel, verschmutzte Optik, starke Änderungen der Umgebungstemperatur sowie Dampf, Rauch und Staub können die Messung beeinflussen.
● Der Laser dient überwiegend als Zielhilfe und stellt nicht den vollständigen Infrarot-Messbereich dar.
Fehler: Das D:S-Verhältnis wird ignoriert und aus zu großer Entfernung gemessen
Ein Infrarotthermometer misst nicht ausschließlich die Temperatur an der Position des Laserpunkts. Das optische System erfasst Infrarotstrahlung aus einem bestimmten Bereich der Zieloberfläche.
Mit zunehmender Entfernung wird dieser Messbereich in der Regel größer.
Das D:S-Verhältnis, also das Verhältnis zwischen Messabstand und Messfleckdurchmesser, beschreibt die optische Auflösung des Geräts. Ein höheres D:S-Verhältnis ermöglicht bei gleichem Messabstand im Allgemeinen die Messung kleinerer Zielobjekte.
Wird aus zu großer Entfernung gemessen und ist der Messfleck größer als das Zielobjekt, kann zusätzlich Infrarotstrahlung aus der Umgebung erfasst werden. Der angezeigte Wert entspricht dann möglicherweise einer Mischung aus Ziel- und Hintergrundtemperatur.
Der Messabstand sollte deshalb entsprechend dem angegebenen D:S-Verhältnis gewählt werden. Das Zielobjekt sollte deutlich größer als der Messfleck sein.
Fehler: Der Laserpunkt wird mit dem Messbereich gleichgesetzt
Viele Infrarotthermometer besitzen einen oder mehrere Laser zur besseren Ausrichtung auf das Ziel.
Der Laser selbst misst jedoch keine Temperatur und bildet normalerweise auch nicht die vollständige Größe des Infrarot-Messflecks ab.
Auch wenn der Laser exakt auf das Ziel gerichtet ist, kann der tatsächliche Messfleck bei zu großem Abstand bereits Teile des Hintergrunds erfassen.
Eine korrekte Laserausrichtung allein reicht daher nicht aus. Zusätzlich müssen D:S-Verhältnis, Messabstand und Zielgröße berücksichtigt werden.
Fehler: Für alle Materialien wird derselbe Emissionsgrad verwendet
Verschiedene Materialien geben Infrarotstrahlung unterschiedlich effizient ab. Diese Eigenschaft wird durch den Emissionsgrad beschrieben.
Das Infrarotthermometer berechnet die Oberflächentemperatur aus der empfangenen Infrarotenergie und dem eingestellten Emissionsgrad. Ein ungeeigneter Emissionsgrad kann deshalb zu deutlichen Messabweichungen führen.
Viele nichtmetallische Materialien, lackierte Oberflächen, Gummi, Kunststoffe und Holz besitzen vergleichsweise hohe Emissionsgrade. Polierte Metalle wie Aluminium, Edelstahl oder Kupfer weisen dagegen häufig deutlich niedrigere Werte auf.
Bei Geräten mit einstellbarem Emissionsgrad sollte der Wert entsprechend Material und Oberflächenzustand gewählt werden.
Fehler: Glänzende oder reflektierende Metallflächen werden direkt gemessen
Poliertes Aluminium, Edelstahl, Kupfer und andere blanke Metalle gehören zu den schwierigsten Messobjekten bei der Infrarot-Temperaturmessung.
Solche Oberflächen können einen niedrigen Emissionsgrad und gleichzeitig ein hohes Reflexionsvermögen im Infrarotbereich besitzen.
Das Messgerät kann deshalb nicht nur die vom Ziel selbst abgegebene Strahlung erfassen, sondern auch reflektierte Wärmestrahlung von Maschinen, Personen, Wänden oder anderen Wärmequellen.
Dadurch können deutlich zu hohe oder zu niedrige Temperaturanzeigen entstehen.
Bei reflektierenden Oberflächen müssen Emissionsgrad und Oberflächenzustand besonders sorgfältig berücksichtigt werden. Wenn eine Veränderung der Messfläche zulässig ist, kann gegebenenfalls eine geeignete Oberfläche mit höherem Emissionsgrad verwendet werden. Vor der Messung muss sich diese thermisch an die eigentliche Oberfläche angeglichen haben.
Fehler: Durch gewöhnliches Glas hindurch messen
Dies gehört zu den häufigsten Missverständnissen bei der Infrarotmessung.
Gewöhnliches Glas ist für sichtbares Licht transparent, lässt jedoch die für typische Infrarotthermometer relevanten Infrarot-Wellenlängen nicht zwangsläufig passieren.
Wird ein Objekt hinter einer Glasscheibe gemessen, erfasst das Gerät in der Regel hauptsächlich die Oberflächentemperatur des Glases und nicht die tatsächliche Temperatur des dahinterliegenden Objekts.
Dasselbe kann für transparente Kunststoffe, Schutzabdeckungen und andere optische Materialien gelten.
Ob eine Messung durch ein Material möglich ist, hängt von dessen spektraler Infrarotdurchlässigkeit und vom Arbeitswellenlängenbereich des Thermometers ab.
Fehler: Messung unter einem zu flachen Winkel
Für stabile Messergebnisse sollte das Infrarotthermometer möglichst annähernd senkrecht auf die Zieloberfläche ausgerichtet werden.
Bei sehr flachen Messwinkeln kann sich der effektiv erfasste Bereich vergrößern. Gleichzeitig kann sich insbesondere bei glatten und reflektierenden Oberflächen das Reflexionsverhalten ändern.
Dieser Effekt ist besonders relevant bei kleinen Zielobjekten und großen Messabständen.
Das Thermometer sollte daher möglichst direkt auf die Messfläche ausgerichtet werden, wobei der gesamte Messfleck innerhalb des Zielbereichs liegen sollte.
Fehler: Starke Änderungen der Umgebungstemperatur werden nicht berücksichtigt
Wird ein Infrarotthermometer schnell von einer kalten in eine warme Umgebung oder umgekehrt gebracht, benötigen die interne Temperaturkompensation und das optische System möglicherweise eine gewisse Zeit zur Stabilisierung.
Ein typisches Beispiel ist der Wechsel aus einem beheizten Innenraum in eine sehr kalte Außenumgebung.
Auch der Wechsel aus einem klimatisierten Raum in einen heißen Produktionsbereich kann kurzfristig die Messstabilität beeinflussen.
Nach deutlichen Änderungen der Umgebungstemperatur sollte das Gerät entsprechend den Herstellerangaben akklimatisieren, bevor präzise Messungen durchgeführt werden.
Fehler: Messung durch Dampf, Rauch oder starke Staubbelastung
Die Infrarotmessung ist ein optisches Messverfahren. Daher ist ein möglichst freier Strahlengang zwischen Messgerät und Ziel erforderlich.
Dichter Wasserdampf, Rauch, Staub oder andere Schwebstoffe können einen Teil der Infrarotstrahlung absorbieren, streuen oder abschirmen.
Dadurch kann weniger Strahlungsenergie den Detektor erreichen, was das Messergebnis beeinflusst.
Nach Möglichkeit sollte eine freie Sichtlinie zum Ziel gewählt und eine Messung durch dichten Dampf, Rauch oder Staub vermieden werden.
Fehler: Messung mit verschmutzter Optik
Die Infrarotoptik an der Vorderseite des Geräts sammelt die vom Ziel ausgesandte Strahlung.
Staub, Öl, Feuchtigkeit, Kondenswasser oder andere Verunreinigungen auf der Optik können die zum Detektor gelangende Strahlungsmenge verändern.
Bei Verwendung in Werkstätten, Produktionsbereichen, Küchen, HVAC-Anwendungen oder staubigen Umgebungen sollte die Optik regelmäßig kontrolliert werden.
Die Reinigung sollte entsprechend den Herstellerangaben erfolgen. Scheuernde Materialien, scharfe Gegenstände und ungeeignete Reinigungsmittel können optische Oberflächen oder Beschichtungen beschädigen.
Fehler: Kleine Zielobjekte werden aus zu großer Entfernung gemessen
Leitungen, elektronische Bauteile, Rohrverschraubungen, Lager oder Steckverbinder haben häufig nur kleine Messflächen.
Selbst wenn der Laserpunkt genau auf dem Objekt liegt, kann der tatsächliche Infrarot-Messfleck deutlich größer sein.
Erfasst der Messfleck zusätzlich den Hintergrund, fließt dessen Temperatur in den angezeigten Wert ein. Der Einfluss ist besonders groß, wenn zwischen Ziel und Umgebung eine deutliche Temperaturdifferenz besteht.
Für kleine Objekte sollte der Messabstand reduziert oder ein Thermometer mit höherem D:S-Verhältnis verwendet werden.
Fehler: Oberflächentemperatur wird mit Innentemperatur gleichgesetzt
Ein Infrarotthermometer erfasst die von einer Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung und bestimmt deshalb die Oberflächentemperatur.
Die Temperatur im Inneren eines Lebensmittels, einer Flüssigkeit, eines Rohres, eines Maschinenbauteils oder eines isolierten Materials kann deutlich davon abweichen.
Materialeigenschaften, Wandstärke, Wärmeleitfähigkeit und Wärmeübertragung beeinflussen den Zusammenhang zwischen Oberflächen- und Innentemperatur.
Wenn die tatsächliche Innentemperatur erforderlich ist, sollte ein geeigneter Kontaktfühler, beispielsweise ein Thermoelement oder Einstechfühler, eingesetzt werden.
Fehler: Ein industrielles Infrarotthermometer wird zur Beurteilung der Körpertemperatur verwendet
Industrielle Infrarotthermometer sind für die Messung von Objektoberflächen ausgelegt.
Messbereich, Genauigkeit, Kalibrierung, Messabstand, optische Eigenschaften und Auswertealgorithmen unterscheiden sich von Geräten, die speziell für die Messung der menschlichen Körpertemperatur entwickelt wurden.
Ein industrielles Gerät kann zwar eine Hautoberflächentemperatur anzeigen, dieser Wert sollte jedoch nicht mit einer medizinisch relevanten Körpertemperatur gleichgesetzt werden.
Für entsprechende Anwendungen sind speziell dafür vorgesehene Geräte zu verwenden.
Fehler: Nach nur einer Messung wird sofort eine Schlussfolgerung gezogen
Bewegungen der Hand, unterschiedliche Messabstände, leicht veränderte Zielpositionen, Reflexionen und eine ungleichmäßige Temperaturverteilung können zu Schwankungen zwischen einzelnen Messungen führen.
Für Trendanalysen oder Vergleichsmessungen sollten daher mehrere Messungen unter möglichst identischen Bedingungen durchgeführt werden.
Messposition, Abstand, Winkel und Emissionsgrad sollten dabei möglichst konstant bleiben.
Bei Wartungs- und Inspektionsaufgaben ist die Temperaturentwicklung unter vergleichbaren Messbedingungen häufig aussagekräftiger als ein einzelner isolierter Messwert.
Wie lassen sich Messfehler bei Infrarotthermometern reduzieren?
● Vor der Messung Messbereich, D:S-Verhältnis und Emissionsgradeinstellung prüfen.
● Sicherstellen, dass das Ziel größer als der tatsächliche Messfleck ist.
● Bei kleinen Zielen den Messabstand verringern.
● Den Emissionsgrad an Material und Oberflächenzustand anpassen.
● Glänzende und niedrig emittierende Metallflächen besonders sorgfältig messen.
● Den Laserpunkt nicht mit dem vollständigen Messbereich gleichsetzen.
● Möglichst senkrecht auf die Zieloberfläche messen.
● Nicht durch gewöhnliches Glas messen, sofern das System nicht ausdrücklich dafür ausgelegt ist.
● Messungen durch dichten Dampf, Rauch oder Staub vermeiden.
● Die Infrarotoptik sauber halten.
● Nach starken Temperaturwechseln ausreichend Akklimatisierungszeit einplanen.
● Bei Vergleichsmessungen Abstand, Winkel, Position und Emissionsgrad möglichst konstant halten.
FAQ
Warum zeigt das Infrarotthermometer am selben Objekt unterschiedliche Temperaturen an?
Mögliche Ursachen sind Unterschiede bei Messposition, Abstand, Winkel, Emissionsgrad, Oberflächentemperaturverteilung oder reflektierter Infrarotstrahlung.
Warum ist der Messwert falsch, obwohl der Laser genau auf das Ziel zeigt?
Der Laser ist lediglich eine Zielhilfe. Der tatsächliche Infrarot-Messfleck kann erheblich größer sein als der sichtbare Laserpunkt.
Kann ein Infrarotthermometer durch Glas messen?
Ein übliches Infrarotthermometer kann die Temperatur eines Objekts hinter normalem Glas in der Regel nicht direkt erfassen. Meist wird hauptsächlich die Glasoberfläche gemessen.
Warum sind Edelstahloberflächen schwierig zu messen?
Glänzender Edelstahl weist häufig einen niedrigen Emissionsgrad und eine hohe Infrarotreflexion auf. Dadurch können reflektierte Wärmequellen den Messwert deutlich beeinflussen.
Ist eine Messung aus kürzerer Entfernung grundsätzlich genauer?
Ein kleinerer Abstand hilft häufig dabei, den gesamten Messfleck innerhalb des Zielobjekts zu halten. Dennoch müssen auch alle anderen Einsatzbedingungen des Geräts berücksichtigt werden.
Muss der Emissionsgrad vor jeder Messung neu eingestellt werden?
Nicht unbedingt. Werden vergleichbare Oberflächen gemessen, kann eine geeignete Einstellung beibehalten werden. Ändern sich Material oder Oberflächenzustand deutlich, sollte der Emissionsgrad erneut überprüft werden.
Fazit
Die Bedienung eines Infrarotthermometers ist einfach, zuverlässige Messergebnisse setzen jedoch ein korrektes Verständnis des Messprinzips voraus. D:S-Verhältnis, Emissionsgrad, Zielgröße, Reflexionsverhalten, Messwinkel und Umgebungsbedingungen können den Messwert wesentlich beeinflussen.
Zu den häufigsten Fehlern gehören die Gleichsetzung von Laserpunkt und Messfleck, ein ungeeigneter Emissionsgrad, zu große Messabstände bei kleinen Zielen, direkte Messungen glänzender Metalle, Messungen durch Glas sowie Messungen unmittelbar nach starken Temperaturwechseln.
Konstante Messbedingungen und eine auf die jeweilige Oberfläche abgestimmte Anwendung verbessern die Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit der Temperaturmessung erheblich.
