Einleitung

Bei Heiz- und Kühlprozessen, beim Schweißen, bei der Wärmebehandlung, in der Kunststoffverarbeitung, bei elektrischen Prüfungen sowie während des Betriebs von Maschinen kann sich die Oberflächentemperatur innerhalb weniger Sekunden oder noch schneller deutlich verändern. Solche dynamischen Prozesse stellen höhere Anforderungen an die Infrarotmessung als weitgehend stabile Temperaturzustände.

Infrarot-Thermometer erfassen die von einer Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung berührungslos und eignen sich deshalb grundsätzlich sehr gut zur Beobachtung dynamischer Temperaturverläufe. Der angezeigte Wert folgt der tatsächlichen momentanen Oberflächentemperatur jedoch nicht zwangsläufig ohne Verzögerung. Ansprechzeit, interne Abtastung, Aktualisierungsrate der Anzeige, Messfleckgröße, Emissionsgrad und Messstabilität können das Ergebnis beeinflussen.

Bei schnell veränderlichen Temperaturen ist daher nicht nur entscheidend, ob eine Oberfläche grundsätzlich messbar ist, sondern auch, ob das Messgerät schnell genug reagiert und der relevante Zielbereich zuverlässig erfasst wird.

Das Wichtigste im Überblick

● Infrarot-Thermometer können schnell aufheizende oder abkühlende Oberflächen messen. Besonders wichtig sind jedoch Ansprechzeit und Aktualisierungsrate der Anzeige.
● Je schneller sich die Temperatur verändert, desto höher sind die Anforderungen an das dynamische Verhalten des Messgeräts.
● Der Messfleck muss vollständig innerhalb des Zielbereichs liegen, damit umliegende heißere oder kältere Flächen das Ergebnis nicht verfälschen.
● Messabstand, Messwinkel und Messposition sollten während des Vorgangs möglichst konstant bleiben.
● Ein falsch eingestellter Emissionsgrad kann auch bei ausreichend schneller Geräteantwort zu erheblichen Messfehlern führen.
● Bei extrem schnellen thermischen Vorgängen im Millisekundenbereich kann ein übliches Handgerät häufig nur den Temperaturtrend, nicht aber den tatsächlichen momentanen Spitzenwert erfassen.

Warum sind schnelle Temperaturänderungen schwieriger zu messen?

Bei einer stabilen Oberfläche ist eine geringe Verzögerung des Messgeräts meist weniger kritisch, weil die Temperatur ausreichend lange konstant bleibt und sich der Messwert dem tatsächlichen Wert annähern kann.

Bei dynamischen Prozessen verändert sich die Situation. Steigt beispielsweise die Temperatur eines Metallbauteils innerhalb weniger Sekunden von 30 °C auf 150 °C, verändert sich auch die vom Thermometer empfangene Infrarotstrahlung kontinuierlich. Reagiert das Messgerät langsamer als die Oberfläche, kann der angezeigte Wert hinter der tatsächlichen Temperatur zurückbleiben.

Entsprechendes gilt für schnelle Abkühlvorgänge. Die Oberfläche kann bereits deutlich kühler sein, während das Messgerät noch teilweise auf das zuvor höhere Strahlungsniveau reagiert.

Dabei müssen zwei Geschwindigkeiten berücksichtigt werden:

● Temperaturänderungsrate des Messobjekts: Wie schnell die Oberflächentemperatur steigt oder fällt.
● Ansprechverhalten des Messgeräts: Wie schnell das Infrarot-Thermometer auf ein verändertes Strahlungsniveau reagiert.

Verändert sich die Zieltemperatur wesentlich schneller als das Messgerät reagieren kann, wird der tatsächliche momentane Temperaturverlauf möglicherweise nicht vollständig erfasst.

Die Ansprechzeit ist ein entscheidender Parameter

Bei Infrarot-Thermometern wird in der Regel eine Ansprechzeit angegeben, häufig im Bereich von Millisekunden. Sie beschreibt, wie schnell das Ausgangssignal des Geräts auf eine Veränderung der empfangenen Infrarotstrahlung reagiert.

Eine kürzere Ansprechzeit ist grundsätzlich vorteilhaft, wenn schnelle Temperaturänderungen verfolgt werden sollen.

Verändert sich eine Oberfläche beispielsweise über mehrere zehn Sekunden, können viele Standardgeräte den Verlauf gut nachvollziehen. Erfolgt dieselbe Temperaturänderung innerhalb von weniger als einer Sekunde, gewinnt die Ansprechzeit deutlich an Bedeutung.

Die Ansprechzeit darf jedoch nicht so interpretiert werden, dass jeder Temperaturimpuls gleicher Dauer vollständig und fehlerfrei erfasst wird. Auch Signalverarbeitung, Abtastrate, Anzeigeaktualisierung und Eigenschaften des Messobjekts spielen eine Rolle.

Soll vor allem der maximale Temperaturwert eines schnellen Aufheizvorgangs erfasst werden, sind Geräte mit kurzer Ansprechzeit sowie MAX-Hold- oder Datenlogger-Funktion besonders geeignet.

Anzeigeaktualisierung und Ansprechzeit sind nicht identisch

Bei schnell wechselnden Temperaturen springt die Anzeige häufig von einem Wert zum nächsten. Dabei muss zwischen der tatsächlichen Messreaktion des Geräts und der Aktualisierungsrate des Displays unterschieden werden.

Sensor und Elektronik können das Infrarotsignal schneller erfassen, als die LCD-Anzeige aktualisiert wird. Der Anwender sieht deshalb diskrete Einzelwerte und keinen kontinuierlichen Temperaturverlauf.

Ein sehr kurzer Temperaturpeak kann somit zwischen zwei sichtbaren Anzeigen auftreten.

Für dynamische Messungen sind daher insbesondere folgende Funktionen hilfreich:

● MAX-Hold;
● MIN-Hold;
● Datenaufzeichnung;
● Kontinuierliche Aufzeichnung über PC oder mobiles Endgerät.

Für schnelle Prozesse sind diese Funktionen in der Regel aussagekräftiger als die alleinige Beobachtung der Live-Anzeige.

Messabstand und Messfleckgröße müssen zusammenpassen

Ein Infrarot-Thermometer misst nicht nur den kleinen Bereich, auf den der Laser zeigt. Tatsächlich wird die Infrarotstrahlung aus einem bestimmten Messfeld beziehungsweise Messfleck erfasst.

Mit zunehmendem Messabstand wird dieser Messfleck normalerweise größer.

Ist der schnell aufheizende Bereich relativ klein und umfasst der Messfleck gleichzeitig kühlere Umgebungsflächen, kann der angezeigte Temperaturwert unterhalb der tatsächlichen Hotspot-Temperatur liegen.

Bei einer lokalen Abkühlung kann der umgekehrte Effekt auftreten: Erfasst der Messfleck gleichzeitig wärmere Bereiche, wird eine zu hohe Temperatur angezeigt.

Für zuverlässige Messungen gilt daher:

● Der Zielbereich sollte deutlich größer als der Messfleck sein.
● Bei Bedarf sollte der Messabstand reduziert werden.
● Die Messfleckgröße bei unterschiedlichen Abständen sollte anhand des D:S-Verhältnisses beurteilt werden.
● Für kleine Hotspots empfiehlt sich ein Gerät mit höherem D:S-Verhältnis.

Der Laser dient lediglich als Zielhilfe und stellt nicht zwangsläufig die tatsächliche Größe des Messflecks dar.

Messposition und Winkel möglichst konstant halten

Schon die Temperaturänderung selbst führt bei dynamischen Prozessen zu wechselnden Messwerten. Wird zusätzlich das Messgerät bewegt, können unterschiedliche Bereiche der Oberfläche erfasst werden.

Bei einer erhitzten Metallplatte können beispielsweise erhebliche Temperaturgradienten auftreten. Bereits eine geringe Änderung der Messposition kann dazu führen, dass statt eines heißeren ein deutlich kühlerer Bereich gemessen wird.

Empfehlungen:

● Messposition möglichst konstant halten.
● Messabstand nicht unnötig verändern.
● Möglichst annähernd senkrecht zur Oberfläche messen.
● Schnelle Handbewegungen vermeiden.
● Für kontinuierliche Messungen gegebenenfalls eine feste Halterung verwenden.

So lässt sich sicherstellen, dass die beobachtete Änderung überwiegend durch die tatsächliche Temperaturänderung und nicht durch eine wechselnde Messposition verursacht wird.

Der Emissionsgrad bleibt auch bei schnellen Prozessen wichtig

Infrarot-Thermometer bestimmen die Temperatur anhand der von der Oberfläche abgegebenen Infrarotstrahlung. Unterschiedliche Materialien besitzen unterschiedliche Emissionsgrade.

Lackierte Oberflächen, Kunststoffe, Gummi, Holz, Papier und viele nichtmetallische Materialien lassen sich meist relativ einfach messen. Poliertes Aluminium, Kupfer, Edelstahl und andere niedrig emittierende, reflektierende Oberflächen sind deutlich anspruchsvoller.

Gerade bei schneller Erwärmung kann dies zu Fehlinterpretationen führen.

Steigt beispielsweise die tatsächliche Temperatur einer glänzenden Metalloberfläche schnell an, gibt diese aufgrund ihres niedrigen Emissionsgrads vergleichsweise wenig eigene Infrarotstrahlung ab. Gleichzeitig kann reflektierte Hintergrundstrahlung einen erheblichen Anteil am empfangenen Signal ausmachen. Der angezeigte Wert kann dadurch deutlich zu niedrig ausfallen.

Daher gilt:

● Bei Geräten mit einstellbarem Emissionsgrad einen geeigneten Wert verwenden.
● Bei niedrig emittierenden Metallen reflektierte Hintergrundstrahlung berücksichtigen.
● Wenn möglich, eine Referenzfläche mit hohem Emissionsgrad verwenden.
● Eine langsam ansteigende Anzeige nicht automatisch als langsam ansteigende reale Oberflächentemperatur interpretieren.

Wie misst man eine schnell aufheizende Oberfläche?

Bei einem schnellen Aufheizvorgang sollte möglichst kontinuierlich derselbe Zielbereich erfasst werden, damit der Temperaturpeak nicht verpasst wird.

Empfohlen wird:

● Zielbereich bereits vor Beginn des Heizvorgangs anvisieren.
● Passenden Emissionsgrad einstellen.
● Sicherstellen, dass der Zielbereich den Messfleck vollständig abdeckt.
● Messabstand und Winkel möglichst konstant halten.
● Während des gesamten Aufheizvorgangs kontinuierlich messen.
● MAX-Funktion verwenden, wenn der höchste Wert entscheidend ist.
● Datenlogger verwenden, wenn der gesamte Temperaturverlauf analysiert werden soll.

Bei sehr kurzen Heizzyklen sollte die Messposition nicht erst gesucht werden, nachdem die Temperatur bereits deutlich ansteigt. Wichtige Abschnitte des Temperaturverlaufs können sonst bereits verstrichen sein.

Wie misst man eine schnell abkühlende Oberfläche?

Die grundlegenden Anforderungen sind vergleichbar. Typische Anwendungen sind Bauteile nach dem Verlassen eines Heizprozesses, Formteile nach dem Entformen oder Maschinenkomponenten nach dem Abschalten.

Empfehlungen:

● Zielbereich bereits vor Beginn der Abkühlung erfassen.
● Kontinuierlich messen und die Messung nicht ständig neu starten.
● Verdeckungen des Messobjekts vermeiden.
● Zielposition stabil halten.
● MIN-Funktion nutzen, wenn der niedrigste Wert relevant ist.
● Für die Analyse der Abkühlrate kontinuierliche Temperatur-Zeit-Daten aufzeichnen.

Bewegt sich das Objekt während der Abkühlung, müssen zusätzlich Bewegungsgeschwindigkeit, Messfleckgröße, Messposition und Ansprechzeit berücksichtigt werden.

Bewegte Messobjekte erhöhen die Anforderungen zusätzlich

In industriellen Prozessen treten schnelle Temperaturänderungen häufig an bewegten Objekten auf, beispielsweise an Produkten auf Förderbändern, rotierenden Walzen, Metallprofilen, Kunststofffolien oder Werkstücken in kontinuierlichen Fertigungslinien.

Ein bestimmter Punkt des Messobjekts bleibt dabei möglicherweise nur sehr kurz im Sichtfeld des Infrarot-Thermometers.

Ist diese Verweilzeit kürzer als die für eine ausreichende Geräteantwort erforderliche Zeit, kann der tatsächliche Oberflächentemperaturwert nicht vollständig erreicht werden.

Zusätzlich kann der Messfleck gleichzeitig folgende Bereiche erfassen:

● Produkt;
● Förderband;
● Hintergrund;
● Benachbarte Produkte.

Dadurch können deutliche Messwertschwankungen entstehen.

Bei schnell bewegten Objekten sollten Ansprechzeit, D:S-Verhältnis, Zielgröße, Messabstand und Bewegungsgeschwindigkeit gemeinsam betrachtet werden. Für anspruchsvolle Anwendungen ist gegebenenfalls ein fest installiertes Hochgeschwindigkeits-Infrarotmesssystem geeigneter.

Warum ist MAX-Hold bei schneller Erwärmung sinnvoll?

Bei schnellen Heizprozessen ist häufig vor allem die höchste Oberflächentemperatur von Interesse.

Ein kurzzeitiger Temperaturpeak kann auf dem Display leicht übersehen werden.

Die MAX-Funktion speichert den höchsten während einer kontinuierlichen Messung erfassten Wert und eignet sich beispielsweise für:

● Schnell aufheizende Bauteile;
● Elektrische Hotspots;
● Kurzzeitige Reibungserwärmung;
● Lokale Erwärmung von Maschinenkomponenten;
● Spitzenwertkontrolle bei Heiz- oder Wärmebehandlungsprozessen.

MAX-Hold kann jedoch nur Werte speichern, die das Messgerät tatsächlich erfasst hat. Ist ein Temperaturpeak deutlich kürzer als die dynamische Reaktionsfähigkeit des Geräts, kann diese Funktion eine zu langsame Ansprechzeit nicht ausgleichen.

Wann ist ein übliches Hand-Infrarot-Thermometer möglicherweise zu langsam?

Nicht jeder dynamische Prozess eignet sich für ein Standard-Handgerät.

Bei Temperaturänderungen über mehrere Sekunden können Geräte mit passender Ansprechzeit häufig ausreichend genaue Informationen über Trend und Spitzenwerte liefern.

Besondere Vorsicht ist erforderlich, wenn:

● Ein Temperaturpeak nur extrem kurz anhält.
● Das Messobjekt sehr schnell bewegt wird.
● Thermische Vorgänge im Millisekundenbereich exakt erfasst werden müssen.
● Temperaturkurven mit hoher Abtastrate benötigt werden.
● Temperaturwerte direkt für schnelle Prozessregelungen genutzt werden.
● Ein Produkt nur sehr kurz im Messbereich verbleibt.

In solchen Fällen können schnelle stationäre Infrarotsensoren, spezielle Datenerfassungssysteme oder andere Messverfahren mit höherer zeitlicher Auflösung erforderlich sein.

Bei der Geräteauswahl sollten daher neben Messbereich und Genauigkeit auch die Ansprechzeit und deren Eignung für die Prozessgeschwindigkeit berücksichtigt werden.

Thermische Trägheit des Objekts und Geräteansprechzeit nicht verwechseln

Ein langsam veränderlicher Messwert bedeutet nicht zwangsläufig, dass das Infrarot-Thermometer zu langsam reagiert. Auch das Messobjekt selbst kann eine hohe thermische Trägheit besitzen.

Ein massives Metallbauteil mit hoher Wärmekapazität benötigt beispielsweise Zeit, bis sich seine Oberflächentemperatur nach Beginn einer Erwärmung deutlich verändert. Dünne Folien, Bleche oder kleine Bauteile reagieren dagegen wesentlich schneller.

Bei der Interpretation dynamischer Messwerte sollte unterschieden werden zwischen:

● Tatsächlichem thermischem Verhalten des Messobjekts;
● Wärmeübertragung zwischen Oberfläche und Innerem;
● Dynamischem Verhalten des Infrarot-Thermometers;
● Aktualisierung von Anzeige und gespeicherten Daten.

Ein Infrarot-Thermometer misst die Strahlungstemperatur der Oberfläche und nicht unmittelbar die Temperatur im Inneren des Werkstücks.

Häufige Fehler bei dynamischen Infrarotmessungen

● Erst nach Beginn der schnellen Erwärmung anvisieren. Frühphase oder Peak können verpasst werden.
● Laserpunkt mit Messfleck verwechseln. Der tatsächliche Messbereich ist in der Regel größer.
● Zu großer Messabstand. Dadurch kann der Messfleck umliegende Flächen einbeziehen.
● Messgerät während der Messung ständig bewegen. Räumliche Temperaturunterschiede können mit zeitlichen Änderungen verwechselt werden.
● Emissionsgrad ignorieren. Besonders bei glänzenden Metallen problematisch.
● Kurze Peaks nur visuell auf dem Display suchen. MAX-Hold oder Datenaufzeichnung sind geeigneter.
● Ansprechzeit als verzögerungsfreie Messung interpretieren. Reale Messsysteme besitzen immer eine endliche dynamische Reaktion.
● Extrem schnelle Prozesse mit einem normalen Handgerät messen. Gegebenenfalls ist Spezialmesstechnik erforderlich.

FAQ

Kann ein Infrarot-Thermometer ein Objekt messen, das sich sehr schnell erwärmt?
Ja. Die berührungslose Infrarotmessung eignet sich gut zur Beobachtung sich verändernder Oberflächentemperaturen. Je schneller der Prozess, desto wichtiger werden Ansprechzeit, Messfleckgröße und Aufzeichnungsfunktion.

Bedeutet eine kürzere Ansprechzeit automatisch eine höhere Genauigkeit?
Nein. Eine kurze Ansprechzeit verbessert die zeitliche Nachverfolgung, während die Messgenauigkeit zusätzlich von Emissionsgrad, Zielgröße, Messabstand, reflektierter Strahlung, Umgebungsbedingungen und Gerätespezifikation abhängt.

Warum steigt die Anzeige weiter, obwohl das Objekt bereits heiß ist?
Die Oberfläche kann tatsächlich noch weiter aufheizen. Alternativ kann die Anzeige aufgrund des dynamischen Geräteverhaltens der tatsächlichen Temperatur zeitlich nachlaufen.

Sollte bei schnellem Aufheizen die MAX-Funktion verwendet werden?
Ja, wenn der höchste erfasste Temperaturwert entscheidend ist. Dadurch sinkt das Risiko, einen kurzzeitigen Peak beim Ablesen zu übersehen.

Kann MIN-Hold bei schneller Abkühlung verwendet werden?
Ja. MIN-Hold speichert den niedrigsten erfassten Wert. Für die vollständige Analyse eines Abkühlverlaufs ist eine Datenaufzeichnung geeigneter.

Beeinflusst der Messabstand schnelle Temperaturmessungen?
Ja. Mit zunehmendem Abstand wird der Messfleck größer. Erfasst dieser zusätzlich umliegende Flächen, wird der tatsächliche Temperaturverlauf des Zielbereichs weniger deutlich dargestellt.

Warum kann bei einem schnell bewegten heißen Objekt ein zu niedriger Wert angezeigt werden?
Das Objekt verbleibt möglicherweise nicht lange genug im Messfeld, damit das Gerät vollständig reagieren kann. Zusätzlich kann der Messfleck kühlere Hintergrundbereiche einschließen.

Kann ein normales Infrarot-Thermometer Temperaturspitzen im Millisekundenbereich erfassen?
Nicht grundsätzlich. Viele Handgeräte sind für schnelle Vor-Ort-Messungen ausgelegt, nicht für hochdynamische thermische Ereignisse im Millisekundenbereich. Dafür sind Geräte mit entsprechend spezifizierter zeitlicher Auflösung erforderlich.

Fazit

Infrarot-Thermometer eignen sich grundsätzlich zur Messung schnell aufheizender und abkühlender Oberflächen. Dynamische Messungen stellen jedoch höhere Anforderungen als Messungen stabiler Temperaturzustände.

Die Ansprechzeit ist dabei ein zentraler Parameter. Zusätzlich müssen Anzeigeaktualisierung, D:S-Verhältnis, Messfleckgröße, Zielgröße, Emissionsgrad und eine stabile Messposition berücksichtigt werden.

Für typische industrielle Heiz- und Kühlprozesse sowie Wartungs- und Fehlersuchaufgaben können Infrarot-Thermometer mit geeigneter Ansprechzeit und MAX-, MIN- oder Datenlogger-Funktion Temperaturtrend und Spitzenwerte zuverlässig erfassen.

Bei sehr schnell bewegten Messobjekten, extrem kurzen Temperaturpeaks oder thermischen Ereignissen im Millisekundenbereich muss die zeitliche Leistungsfähigkeit des Messsystems genauer bewertet werden. Entscheidend ist, dass die dynamische Reaktion des Messgeräts zur Geschwindigkeit des tatsächlichen thermischen Prozesses passt.