Einleitung
In den technischen Daten eines Infrarotthermometers findet sich häufig die Angabe „Spectral Response“ oder „Spektralbereich“, beispielsweise 8–14 μm. Diese Angabe beschreibt nicht den messbaren Temperaturbereich, sondern den Wellenlängenbereich der Infrarotstrahlung, den das Gerät erfassen und auswerten kann.
Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts emittiert elektromagnetische Strahlung. Deren spektrale Verteilung hängt unter anderem von der Temperatur, dem Material und der Oberflächenbeschaffenheit ab. Ein Infrarotthermometer erfasst die Wärmestrahlung innerhalb eines definierten Wellenlängenbereichs und berechnet daraus unter Berücksichtigung des Emissionsgrades die Oberflächentemperatur.
Der spektrale Ansprechbereich beeinflusst somit nicht nur, welche Strahlung der Detektor erfassen kann, sondern auch, für welche Temperaturen, Werkstoffe und Messbedingungen das Gerät geeignet ist.
Das Wichtigste auf einen Blick
● Der spektrale Ansprechbereich definiert den Infrarot-Wellenlängenbereich, den das Gerät zur Temperaturmessung erfasst.
● Universelle handgehaltene Infrarotthermometer arbeiten häufig im langwelligen Bereich von 8–14 μm.
● Spektralbereich und Temperaturmessbereich sind unterschiedliche technische Kenngrößen.
● Emissionsgrad, Reflexionsgrad und Transmissionsgrad eines Materials können von der Wellenlänge abhängen.
● Hochtemperaturmetalle, Glas, Kunststofffolien und andere spezielle Messobjekte können andere Spektralbereiche erfordern.
● Die Wellenlänge des sichtbaren Ziellasers hat keinen direkten Zusammenhang mit dem für die Temperaturmessung verwendeten Infrarotbereich.
Was ist der spektrale Ansprechbereich eines Infrarotthermometers?
Der spektrale Ansprechbereich beschreibt vereinfacht den Bereich der Infrarot-Wellenlängen, den das Messgerät erfassen und für die Temperaturbestimmung nutzen kann.
Ist beispielsweise angegeben:
Spektraler Ansprechbereich: 8–14 μm
bedeutet dies, dass Optik, Filter und Infrarotdetektor hauptsächlich Strahlung mit Wellenlängen zwischen etwa 8 μm und 14 μm erfassen. Aus der innerhalb dieses Bereichs gemessenen Strahlungsenergie wird anschließend die Oberflächentemperatur des Messobjekts berechnet.
Die Einheit μm steht für Mikrometer. Ein Mikrometer entspricht 0,001 mm.
Ein Infrarotthermometer erfasst nicht das gesamte Infrarotspektrum. Optische Bauteile, Filter und Detektortechnologie begrenzen den wirksamen Wellenlängenbereich gezielt auf das für die jeweilige Anwendung vorgesehene Spektralband.
Warum arbeiten viele Infrarotthermometer mit 8–14 μm?
Bei Objekten im Bereich der Umgebungstemperatur sowie bei vielen Anwendungen bis zu mehreren hundert Grad Celsius bietet der langwellige Infrarotbereich günstige Voraussetzungen für eine berührungslose Temperaturmessung.
Der Bereich 8–14 μm wird deshalb häufig bei universellen Infrarotthermometern für industrielle Instandhaltung, HLK-Anwendungen, elektrische Inspektionen, Gebäudediagnostik und allgemeine Oberflächentemperaturmessungen eingesetzt.
Dieser Spektralbereich liegt außerdem innerhalb eines häufig genutzten atmosphärischen Infrarotfensters. Bei üblichen kurzen Messentfernungen ist die Transmission der Atmosphäre in diesem Bereich im Allgemeinen gut geeignet.
Wichtig ist jedoch: 8–14 μm ist ein häufig verwendeter, aber kein universeller Spektralbereich.
Wie beeinflusst der Spektralbereich die Infrarot-Temperaturmessung?
Die Infrarot-Temperaturmessung basiert auf Wärmestrahlung. Die Strahlungseigenschaften eines Materials verändern sich jedoch mit der Wellenlänge. Zwei Objekte mit gleicher tatsächlicher Temperatur können deshalb in unterschiedlichen Spektralbereichen verschieden erscheinen.
Ein besonders wichtiger Faktor ist der Emissionsgrad.
Bei vielen Materialien ist der Emissionsgrad nicht über das gesamte Infrarotspektrum konstant. Ein Werkstoff kann im langwelligen Infrarotbereich einen relativ hohen und stabilen Emissionsgrad besitzen, während er bei kürzeren Wellenlängen stärker reflektiert.
Der Spektralbereich kann daher beeinflussen:
● Wie zuverlässig die vom Messobjekt emittierte Infrarotstrahlung erfasst wird;
● Für welche Oberflächen und Werkstoffe das Gerät geeignet ist;
● Wie stark sich die Einstellung des Emissionsgrades auf das Messergebnis auswirkt;
● Wie Gase, Wasserdampf oder andere Medien im Strahlengang die Messung beeinflussen;
● Wie groß das nutzbare Detektorsignal bei unterschiedlichen Objekttemperaturen ist.
Bei der Auswahl eines Infrarotthermometers sollten deshalb nicht ausschließlich Temperaturbereich und Genauigkeit berücksichtigt werden.
Warum können unterschiedliche Messobjekte unterschiedliche Wellenlängen erfordern?
Universelle Infrarotthermometer werden häufig für lackierte Oberflächen, Kunststoffe, Gummi, Holz, Papier, Baustoffe, Lebensmittel und zahlreiche andere nichtmetallische Werkstoffe eingesetzt. Für viele dieser Anwendungen ist der Bereich 8–14 μm gut geeignet.
Bei bestimmten Messobjekten gelten jedoch besondere Anforderungen.
● Hochtemperaturmetalle: Metalle und insbesondere blanke oder polierte Metalloberflächen besitzen häufig einen niedrigen Emissionsgrad und eine hohe Reflexion. Professionelle Hochtemperatur-Pyrometer können deshalb mit kürzeren Wellenlängen arbeiten.
● Glas: Transmission, Absorption und Reflexion von Glas sind stark wellenlängenabhängig. Für die Messung der Glasoberfläche muss der Spektralbereich daher auf Glasart und Anwendung abgestimmt sein.
● Kunststofffolien: Dünne Kunststofffolien können in bestimmten Infrarotbereichen eine hohe Transmission besitzen. Spezielle Messsysteme arbeiten deshalb häufig in Wellenlängenbereichen mit ausgeprägter Materialabsorption.
● Flammen und heiße Gase: Gase besitzen charakteristische Absorptions- und Emissionsbanden. Für entsprechende Prozessmessungen können schmalbandige oder anwendungsspezifische Systeme erforderlich sein.
Einen einzigen optimalen Spektralbereich für alle Materialien und Temperaturbereiche gibt es daher nicht.
Ist ein größerer Spektralbereich grundsätzlich besser?
Nein.
Ein Infrarotthermometer wird nicht automatisch genauer, nur weil es einen größeren Wellenlängenbereich erfasst. Entscheidend ist vielmehr, dass der verwendete Spektralbereich zur Objekttemperatur, zum Werkstoff und zur Messumgebung passt.
Wenn ein Teil des Spektrums stark durch Transmission des Messobjekts, reflektierte Hintergrundstrahlung, atmosphärische Absorption oder andere Störstrahlung beeinflusst wird, kann ein breiterer Bereich zusätzliche Messunsicherheit verursachen.
Professionelle Infrarotthermometer begrenzen ihren Arbeitsbereich deshalb gezielt durch optische Filter, Detektortechnologie und das optische System.
Entscheidend ist somit nicht eine möglichst große Bandbreite, sondern ein zur Anwendung passender Spektralbereich.
Was ist der Unterschied zwischen Spektralbereich und Temperaturmessbereich?
Diese beiden Angaben werden häufig verwechselt.
Der spektrale Ansprechbereich beschreibt, welche Infrarot-Wellenlängen das Gerät erfasst, beispielsweise:
● 8–14 μm
Der Temperaturmessbereich beschreibt dagegen den messbaren Temperaturbereich, beispielsweise:
● -50°C bis 550°C
Der Spektralbereich ist eine Kenngröße der Optik und des Detektors. Der Temperaturmessbereich beschreibt die messtechnische Temperaturspanne des Geräts.
Beide Parameter stehen im Zusammenhang mit dem Gesamtdesign des Instruments, lassen sich jedoch nicht direkt ineinander umrechnen. Zwei Geräte mit vergleichbarem Spektralbereich können unterschiedliche Temperaturbereiche und Genauigkeitsspezifikationen besitzen.
Was ist der Unterschied zwischen Spektralbereich und Laserwellenlänge?
Der Laser eines Infrarotthermometers dient in erster Linie als Zielhilfe. Er arbeitet normalerweise im sichtbaren Bereich und übernimmt nicht die eigentliche Temperaturmessung.
Ein Infrarotthermometer kann beispielsweise folgende Angaben besitzen:
● Infrarot-Spektralbereich: 8–14 μm;
● Laserwellenlänge: etwa 630–670 nm.
Dabei handelt es sich um zwei voneinander getrennte optische Systeme. Der sichtbare rote Laserpunkt auf dem Messobjekt entspricht weder der detektierten Wärmestrahlung noch der eigentlichen Messwellenlänge.
Auch bei deaktiviertem Ziellaser kann das Infrarotthermometer weiterhin messen, sofern das Infrarot-Messsystem aktiv ist.
Wie hängen Spektralbereich und Emissionsgrad zusammen?
Der Emissionsgrad ist wellenlängenabhängig. Ein und dasselbe Material kann bei verschiedenen Infrarot-Wellenlängen unterschiedliche Strahlungseigenschaften besitzen.
Daher kann sich auch der für eine Messung relevante effektive Emissionsgrad unterscheiden, wenn zwei Infrarotthermometer in verschiedenen Spektralbereichen arbeiten.
Bei üblichen industriellen Messaufgaben reicht die Einstellung eines einzelnen Emissionsgradwertes in der Regel aus. Bei Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad, Hochtemperaturmetallen, Glas, dünnen Folien oder hochgenauen Prozessmessungen gewinnt die spektrale Abhängigkeit jedoch an Bedeutung.
In solchen Anwendungen reicht es unter Umständen nicht aus, lediglich einen allgemein angegebenen Emissionsgrad einzustellen. Auch der Spektralbereich des Messgeräts und die spektralen Eigenschaften des Messobjekts müssen berücksichtigt werden.
Kann die Umgebung Infrarotstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen beeinflussen?
Ja.
Die Infrarotstrahlung muss zwischen Messobjekt und Detektor die Atmosphäre durchlaufen. Befinden sich im Messweg größere Mengen Wasserdampf, Dampf, Rauch, Staub oder bestimmte Prozessgase, kann ein Teil der Strahlung absorbiert, gestreut oder durch Eigenstrahlung dieser Medien überlagert werden.
Diese Effekte sind wellenlängenabhängig. Der gewählte Spektralbereich ist daher auch ein wichtiger Bestandteil der Auslegung eines Infrarotthermometers.
Bei typischen handgehaltenen Messungen über kurze Entfernungen in normaler Umgebungsluft ist der Einfluss meist begrenzt. Bei großen Messdistanzen sowie bei starkem Dampf, Rauch, hoher Luftfeuchtigkeit oder Prozessgasen sollte der Einfluss des Strahlengangs genauer bewertet werden.
Sollte der Spektralbereich bei der Geräteauswahl besonders beachtet werden?
Für allgemeine industrielle Instandhaltung und typische Oberflächentemperaturmessungen muss der Spektralbereich bei einem bewährten Universal-Infrarotthermometer meist nicht isoliert betrachtet werden. Der Bereich 8–14 μm ist für zahlreiche Standardanwendungen geeignet.
Besondere Aufmerksamkeit ist jedoch sinnvoll bei:
● Hochtemperatur- und Extremtemperaturmessungen an Metallen;
● Glänzenden, polierten oder emissionsarmen Metalloberflächen;
● Glasoberflächen und Glasverarbeitung;
● Herstellung und Verarbeitung von Kunststofffolien;
● Flammen, Verbrennungsprozessen oder heißen Gasen;
● Großen Messentfernungen;
● Industriellen Prozessen mit hohen Anforderungen an die Messunsicherheit.
Hier sollte der Spektralbereich gemeinsam mit Temperaturbereich, Emissionsgrad, Distanzfaktor D:S, Ansprechzeit, Genauigkeit und Materialeigenschaften betrachtet werden.
FAQ
Was bedeutet ein Spektralbereich von 8–14 μm?
Das Infrarotthermometer erfasst hauptsächlich Wärmestrahlung mit Wellenlängen zwischen etwa 8 μm und 14 μm und verwendet diese Strahlung zur Berechnung der Oberflächentemperatur.
Kann ein Infrarotthermometer mit 8–14 μm alle Materialien messen?
Nein. Der Bereich eignet sich für viele nichtmetallische Materialien und allgemeine industrielle Oberflächen. Für blanke Metalle, Glas oder transparente beziehungsweise teiltransparente Folien können spezielle Messmethoden oder andere Spektralbereiche erforderlich sein.
Ist ein breiterer Spektralbereich besser?
Nicht grundsätzlich. Entscheidend ist die Anpassung des Spektralbereichs an Material, Temperatur und Messumgebung.
Bestimmt der Spektralbereich die maximal messbare Temperatur?
Nicht allein. Auch Detektor, Optik, Signalverarbeitung und Kalibrierung bestimmen den verfügbaren Temperaturbereich.
Gehört der rote Ziellaser zum Infrarotbereich 8–14 μm?
Nein. Der rote Laser arbeitet im sichtbaren Spektralbereich und dient ausschließlich zur Zielausrichtung. Die eigentliche Temperaturmessung erfolgt mit unsichtbarer Infrarotstrahlung.
Fazit
Der spektrale Ansprechbereich definiert die Infrarot-Wellenlängen, die ein Infrarotthermometer erfassen und zur Temperaturberechnung verwenden kann. Er ist eine wichtige Kenngröße zum Verständnis der berührungslosen Temperaturmessung.
Universelle handgehaltene Infrarotthermometer arbeiten häufig im Bereich von 8–14 μm, der für zahlreiche allgemeine Oberflächentemperaturmessungen geeignet ist. Werkstoffe, Temperaturbereiche und Messumgebungen können jedoch unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen. Hochtemperaturmetalle, Glas oder Kunststofffolien können deshalb spezielle Wellenlängenbereiche erfordern.
Der Spektralbereich sollte daher nicht isoliert bewertet werden. Für eine geeignete Geräteauswahl sind Messobjekt, Temperaturbereich, Emissionsgrad, D:S-Verhältnis und Messumgebung gemeinsam zu berücksichtigen.
