Einleitung

Zeigt ein Infrarotthermometer 120,0 °C an, bedeutet dies nicht, dass die tatsächliche Oberflächentemperatur exakt 120,0 °C beträgt.

Jede reale Messung ist mit einer gewissen Unsicherheit verbunden. Bei der Infrarotthermometrie hängt diese nicht nur von der Leistungsfähigkeit des Messgeräts ab, sondern auch vom Emissionsgrad der Oberfläche, der reflektierten Hintergrundtemperatur, dem Messabstand, der Größe des Messobjekts, dem Messwinkel und den Umgebungsbedingungen.

Bei anspruchsvollen Temperaturmessungen genügt es daher nicht, nur den angezeigten Messwert zu kennen. Entscheidend ist auch, wie verlässlich dieser Wert unter den gegebenen Bedingungen ist.

Genau diese Frage behandelt die Messunsicherheit.

Das Wichtigste im Überblick

● Die Messunsicherheit beschreibt quantitativ die Verlässlichkeit eines Messergebnisses.
● Sie ist weder mit einem Messfehler noch mit der spezifizierten Gerätegenauigkeit gleichzusetzen.
● Bei der Infrarotmessung kann sie durch Gerät, Messobjekt, Umgebung und Messverfahren beeinflusst werden.
● Emissionsgrad und reflektierte Hintergrundtemperatur gehören häufig zu den wichtigsten Unsicherheitsbeiträgen.
● Ein zu großer Messabstand, ein zu kleines Messobjekt oder ein ungünstiger Messwinkel können die Unsicherheit erhöhen.
● In professionellen Anwendungen werden die einzelnen Beiträge häufig in einem Unsicherheitsbudget zusammengefasst.

Was ist Messunsicherheit?

Messunsicherheit ist eine quantitative Beschreibung des Wertebereichs, der einer Messgröße unter den angegebenen Messbedingungen vernünftigerweise zugeordnet werden kann.

Ein Infrarotthermometer kann beispielsweise anzeigen:

120,0 °C

Werden Gerät, Emissionsgrad, Umgebungsbedingungen, Wiederholbarkeit und weitere Einflussgrößen bewertet, kann das Ergebnis beispielsweise angegeben werden als:

120,0 °C ± 2,0 °C

Handelt es sich bei ±2,0 °C um eine nach einem festgelegten Verfahren bestimmte erweiterte Messunsicherheit, beschreibt dieser Wert einen quantifizierten Bereich zum Messergebnis.

Dies bedeutet nicht, dass die tatsächliche Temperatur garantiert zwischen 118 °C und 122 °C liegt. Ebenso wenig bedeutet es, dass das Gerät einen Fehler von 2 °C verursacht hat. Eine fachgerechte Unsicherheitsangabe enthält gegebenenfalls zusätzlich Informationen zum verwendeten Verfahren, zum Erweiterungsfaktor oder zur Überdeckungswahrscheinlichkeit.

Für industrielle Anwendungen lässt sich vereinfacht sagen: Je kleiner die Messunsicherheit, desto höher ist in der Regel das Vertrauen in das Messergebnis.

Was ist der Unterschied zwischen Messunsicherheit und Messabweichung?

Diese Begriffe werden häufig verwechselt.

Eine Messabweichung beschreibt vereinfacht die Differenz zwischen:

Messwert − Referenzwert beziehungsweise wahrer Wert

Beträgt eine bekannte Referenztemperatur beispielsweise 100,0 °C und das Gerät zeigt 101,2 °C an, liegt gegenüber dem Referenzwert eine Abweichung von etwa +1,2 °C vor.

Bei realen Messungen ist der exakte wahre Wert jedoch normalerweise nicht vollständig bekannt. Die tatsächliche Messabweichung lässt sich daher in vielen Anwendungen nicht exakt bestimmen.

Die Messunsicherheit beantwortet eine andere Frage:

Wie zuverlässig ist das Messergebnis?

Daraus folgt:

● Die Messabweichung beschreibt die Differenz zwischen Messwert und Referenzwert.
● Die Messunsicherheit beschreibt die quantifizierte Unsicherheit des Messergebnisses.
● Bekannte systematische Abweichungen können unter bestimmten Bedingungen korrigiert werden.
● Auch nach einer Korrektur bleibt eine Messunsicherheit bestehen.

Messabweichung und Messunsicherheit dürfen daher nicht gleichgesetzt werden.

Was ist der Unterschied zwischen Messunsicherheit und Gerätegenauigkeit?

In den technischen Daten eines Infrarotthermometers wird häufig eine Genauigkeit angegeben, beispielsweise:

±1,5 °C

oder:

±1,5 % vom Messwert

Diese Angabe ist ein wichtiger Geräteparameter, entspricht jedoch nicht automatisch der gesamten Unsicherheit einer konkreten Messung.

Das Ergebnis kann zusätzlich beeinflusst werden durch:

● Emissionsgradeinstellung;
● Oberflächenreflexionen;
● Messabstand;
● Messfleckgröße;
● Umgebungstemperatur;
● Messwinkel;
● atmosphärische Absorption;
● Temperaturverteilung auf dem Messobjekt;
● Wiederholbarkeit.

Daher gilt:

Die Gerätegenauigkeit ist ein wichtiger Beitrag zur Messunsicherheit, aber nicht deren einzige Komponente.

Auch ein sehr genau spezifiziertes Infrarotthermometer kann unter ungünstigen Messbedingungen ein Ergebnis mit hoher Unsicherheit liefern.

Woher stammt die Messunsicherheit bei der Infrarotthermometrie?

Im Gegensatz zu einer Kontaktmessung berührt ein Infrarotthermometer das Messobjekt nicht. Es bestimmt die Temperatur anhand der vom Objekt empfangenen Infrarotstrahlung.

Jede Einflussgröße, die die empfangene Strahlung oder deren Umrechnung in einen Temperaturwert verändert, kann deshalb zur Messunsicherheit beitragen.

Die wesentlichen Einflussgrößen lassen sich in vier Gruppen einteilen.

● Gerätebezogene Faktoren: spezifizierte Genauigkeit, Auflösung, Wiederholbarkeit, Langzeitstabilität, Detektoreigenschaften und Kalibrierzustand.
● Messobjektbezogene Faktoren: Emissionsgrad, Oberflächenrauheit, Oxidation, Beschichtung, Oberflächenzustand, Objektgröße und Temperaturhomogenität.
● Umgebungsfaktoren: Umgebungstemperatur, reflektierte Wärmestrahlung benachbarter heißer Objekte, Wasserdampf, Rauch, Staub und Temperaturänderungen des Messgeräts.
● Messverfahrensbezogene Faktoren: Messabstand, D:S-Verhältnis, Messwinkel, vollständige Abdeckung des Messflecks und Bedienverfahren.

Welche Einflussgröße dominiert, hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

Warum ist der Emissionsgrad eine wichtige Unsicherheitsquelle?

Der Emissionsgrad gehört zu den wichtigsten Parametern der Infrarotthermometrie.

Ein Infrarotthermometer berechnet die Temperatur aus der von einer Oberfläche abgegebenen Wärmestrahlung. Unterschiedliche Materialien besitzen jedoch unterschiedliche Emissionsgrade.

Beträgt der tatsächliche Emissionsgrad 0,80, während am Gerät 0,95 eingestellt ist, wird die Beziehung zwischen empfangener Strahlung und Temperatur falsch bewertet.

Besondere Aufmerksamkeit ist beispielsweise erforderlich bei:

● polierten Metallen;
● blankem Aluminium;
● Edelstahl;
● Kupfer;
● beschichteten Metalloberflächen;
● Oberflächen mit veränderlichem Zustand.

Lackierte Oberflächen, Gummi, Kunststoffe, Papier und viele andere nichtmetallische Materialien besitzen dagegen häufig einen relativ hohen Emissionsgrad und lassen sich meist stabiler messen.

Bei Materialien mit niedrigem Emissionsgrad kann die Unsicherheit des Emissionsgrades selbst einen wesentlichen Anteil an der Gesamtunsicherheit ausmachen.

Warum beeinflusst die reflektierte Hintergrundtemperatur die Messunsicherheit?

Die vom Infrarotthermometer empfangene Strahlung stammt nicht immer ausschließlich vom Messobjekt.

Bei einer undurchlässigen Oberfläche kann vereinfacht von folgender Zusammensetzung ausgegangen werden:

Eigenstrahlung des Messobjekts + von der Oberfläche reflektierte Umgebungsstrahlung

Metallische Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad und hoher Reflexion können besonders stark Strahlung reflektieren, beispielsweise von:

● Öfen;
● heißen Rohrleitungen;
● Heizelementen;
● Personen;
● Decken;
● Wänden;
● anderen heißen Anlagen.

Gelangt diese reflektierte Strahlung in das Sichtfeld des Infrarotthermometers, kann sie die Temperaturanzeige beeinflussen.

Ändert sich die thermische Umgebung zusätzlich während der Messung, wird der Einfluss schwerer quantifizierbar und die Messunsicherheit nimmt zu.

Bei präzisen Infrarotmessungen müssen deshalb sowohl der Emissionsgrad als auch die reflektierte Hintergrundtemperatur berücksichtigt werden.

Warum beeinflusst der Messabstand die Messunsicherheit?

Ein Infrarotthermometer besitzt ein definiertes optisches Sichtfeld. Mit zunehmendem Abstand vergrößert sich bei den meisten Geräten der erfasste Messbereich.

Diese Eigenschaft wird häufig mit dem D:S-Verhältnis beschrieben.

Bei einem D:S-Verhältnis von 12:1 entspricht beispielsweise ein Messabstand von etwa 1200 mm theoretisch einem Messfleckdurchmesser von etwa 100 mm.

Ist das Messobjekt nur 50 mm groß, während der Messfleck bereits 100 mm beträgt, kann das Gerät Strahlung empfangen von:

● dem eigentlichen Messobjekt;
● dem Hintergrund;
● benachbarten Strukturen.

Die angezeigte Temperatur repräsentiert dann nicht mehr ausschließlich das Messobjekt.

Zur Verringerung dieses Unsicherheitsbeitrags sollte das Messobjekt deutlich größer als der Messfleck sein und diesen nicht nur knapp abdecken.

Warum kann der Messwinkel die Unsicherheit erhöhen?

Idealerweise wird möglichst senkrecht zur Oberfläche gemessen.

Mit zunehmender Abweichung von der Oberflächennormalen:

● wird der Messfleck länglicher;
● vergrößert sich die tatsächlich erfasste Fläche;
● kann sich der effektive Emissionsgrad bestimmter Materialien ändern;
● kann sich die Richtung reflektierter Wärmestrahlung verändern.

Bei rauen, hoch emittierenden nichtmetallischen Oberflächen kann ein moderater Winkel häufig nur einen begrenzten Einfluss haben.

Bei glatten Metallen, niedrigen Emissionsgraden und anspruchsvollen Präzisionsmessungen können Winkeleffekte dagegen einen erheblichen Unsicherheitsbeitrag darstellen.

Wie beeinflusst die Umgebungstemperatur die Messunsicherheit?

Auch Infrarotthermometer besitzen einen spezifizierten Betriebstemperaturbereich.

Wird ein Gerät beispielsweise schnell aus einer kalten Umgebung in einen heißen Produktionsbereich gebracht, benötigen Optik, Detektor und Elektronik gegebenenfalls Zeit, um ein neues thermisches Gleichgewicht zu erreichen.

Messungen vor Erreichen dieses Zustands können eine erhöhte Unsicherheit aufweisen.

Die Umgebung kann außerdem Einfluss nehmen durch:

● Veränderung der Gerätetemperatur;
● Veränderung der reflektierten Hintergrundstrahlung;
● Veränderung der Temperatur des Messobjekts;
● Luftströmungen und Temperaturgradienten;
● Kondensation oder Verschmutzung der Optik.

Bei hochgenauen Messungen sollte das Gerät deshalb vor der Messung ausreichend an die Umgebungsbedingungen angepasst sein.

Warum sind Wiederholungsmessungen sinnvoll?

Mehrere Messungen eines stabilen Messobjekts können leicht unterschiedliche Werte ergeben, beispielsweise:

120,1 °C
120,3 °C
120,2 °C
120,4 °C
120,2 °C

Die Streuung dieser Ergebnisse lässt sich zur Bewertung der Wiederholbarkeit verwenden.

Unsicherheitsanteile, die statistisch aus wiederholten Beobachtungen bestimmt werden, werden üblicherweise einer Typ-A-Auswertung zugeordnet.

Angaben aus Kalibrierscheinen, Herstellerspezifikationen, Emissionsgradtabellen oder anderen nicht statistisch bestimmten Informationen werden dagegen in der Regel im Rahmen einer Typ-B-Auswertung berücksichtigt.

Die einzelnen Standardunsicherheiten können anschließend zur kombinierten Standardunsicherheit zusammengeführt werden.

Was ist ein Unsicherheitsbudget?

In der professionellen Messtechnik und im Labor reicht es gewöhnlich nicht aus, eine Messabweichung lediglich als „etwa ±2 °C“ zu schätzen. Stattdessen wird ein Unsicherheitsbudget erstellt.

Bei einer Infrarot-Temperaturmessung können beispielsweise berücksichtigt werden:

● Unsicherheit der Gerätekalibrierung;
● Geräteauflösung;
● Wiederholbarkeit;
● Emissionsgradeinstellung;
● reflektierte Hintergrundtemperatur;
● Messabstand und Messfleckgröße;
● Schwankungen der Umgebungstemperatur;
● inhomogene Temperaturverteilung auf dem Messobjekt.

Die einzelnen Beiträge werden als Standardunsicherheiten bewertet und anschließend nach einem geeigneten mathematischen Verfahren kombiniert.

Die erweiterte Messunsicherheit kann dargestellt werden als:

U = k × u₍c₎

Dabei gilt:

● U = erweiterte Messunsicherheit;
● u₍c₎ = kombinierte Standardunsicherheit;
● k = Erweiterungsfaktor.

In vielen Anwendungen wird ein Faktor von ungefähr k = 2 verwendet, der häufig einer Überdeckungswahrscheinlichkeit von etwa 95 % entspricht. Die genaue Interpretation hängt jedoch vom Messmodell und den zugrunde liegenden Wahrscheinlichkeitsverteilungen ab.

Ein einfaches Beispiel für die Messunsicherheit

Ein Infrarotthermometer zeigt bei der Messung einer Anlagenoberfläche:

150,0 °C

Als wesentliche Unsicherheitsbeiträge werden unter anderem Kalibrierung, Wiederholbarkeit, Emissionsgrad und reflektierte Hintergrundtemperatur berücksichtigt.

Nach der kombinierten Bewertung ergibt sich beispielsweise:

U = 2,5 °C, k = 2

Das Messergebnis kann dann angegeben werden als:

150,0 °C ± 2,5 °C (k = 2)

Diese Angabe ist aussagekräftiger als ein alleiniger Messwert von 150,0 °C.

Sie beschreibt sowohl den Messwert als auch die quantifizierte Verlässlichkeit des Ergebnisses unter den jeweiligen Messbedingungen.

Die ±2,5 °C stellen dabei nicht die Gerätegenauigkeit dar, sondern das Ergebnis mehrerer kombinierter Unsicherheitsbeiträge.

Wie lässt sich die Messunsicherheit reduzieren?

In der Praxis kann die Unsicherheit häufig durch bessere Messbedingungen und ein standardisiertes Vorgehen reduziert werden.

● Emissionsgrad passend zum Messobjekt einstellen und nicht für alle Materialien denselben Wert verwenden.
● Bei Metallen mit niedrigem Emissionsgrad reflektierte Wärmestrahlung besonders berücksichtigen.
● Unnötig große Messabstände vermeiden und eine vollständige Abdeckung des Messflecks sicherstellen.
● Möglichst senkrecht zur Oberfläche messen.
● Nicht durch normales Glas, Kunststofffenster oder Materialien mit unbekannter IR-Transmission messen.
● Einflüsse durch Dampf, Rauch und Staub möglichst reduzieren.
● Das Gerät nach starken Temperaturwechseln zunächst thermisch stabilisieren lassen.
● Kritische Messstellen mehrfach messen und nicht ausschließlich einen Einzelwert verwenden.
● Bei hochgenauen Anwendungen das Gerät regelmäßig mit rückführbarer Referenzmesstechnik oder einem Schwarzkörperstrahler kalibrieren beziehungsweise überprüfen.
● Messabstand, Winkel, Emissionsgrad und Messstelle bei wichtigen Messungen standardisieren.

Warum reicht die spezifizierte Gerätegenauigkeit allein nicht aus?

Angenommen, zwei Infrarotthermometer besitzen folgende Genauigkeit:

Gerät A: ±1,0 °C
Gerät B: ±1,5 °C

Auf Basis der technischen Daten erscheint Gerät A genauer.

Werden bei Gerät A jedoch:

● ein falscher Emissionsgrad verwendet;
● ein zu großer Messabstand gewählt;
● der Messfleck nicht vollständig durch das Messobjekt ausgefüllt;
● starke reflektierte Wärmestrahlung zugelassen;

während Gerät B unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt wird, kann das Ergebnis von Gerät B tatsächlich zuverlässiger sein.

Die Qualität einer Infrarotmessung lässt sich deshalb nicht allein anhand der Genauigkeitsangabe im Datenblatt beurteilen.

Die Geräteleistung bestimmt die grundsätzliche Messfähigkeit. Ob diese in der Praxis erreicht wird, hängt wesentlich von den Messbedingungen ab.

Bei welchen Anwendungen ist die Messunsicherheit besonders wichtig?

Bei einfachen Wartungsarbeiten kann es genügen festzustellen, ob eine Oberfläche beispielsweise etwa 40 °C oder 100 °C erreicht. Ein vollständiges Unsicherheitsbudget ist in solchen Fällen meist nicht erforderlich.

Besonders relevant wird die Messunsicherheit bei:

● Temperaturmessungen im Labor;
● Forschung und Produktentwicklung;
● Temperaturkalibrierung;
● Verifikation von Prozesstemperaturen;
● industriellen Hochtemperaturprozessen;
● Qualitätskontrolle;
● Vergleich mehrerer Messgeräte;
● Vergleichsmessungen zwischen Laboren;
● Prüfaufgaben mit definierten Messtoleranzen.

Je höher die Anforderungen an das Messergebnis, desto wichtiger ist neben dem Messwert selbst auch die Bewertung seiner Verlässlichkeit.

FAQ

Entspricht bei einer Anzeige von 100 °C die tatsächliche Temperatur exakt 100 °C?

Nicht unbedingt. Der angezeigte Wert wird aus der empfangenen Infrarotstrahlung und den eingestellten Parametern berechnet. Geräteparameter, Emissionsgrad, reflektierte Hintergrundtemperatur, Messabstand und Umgebungsbedingungen können das Ergebnis beeinflussen.

Ist eine kleinere Messunsicherheit immer besser?

Unter vergleichbaren Bedingungen bedeutet eine kleinere Messunsicherheit normalerweise eine höhere Verlässlichkeit des Ergebnisses. Eine Reduzierung der Unsicherheit kann jedoch bessere Messtechnik, strengere Umgebungsbedingungen, Kalibrierung und standardisierte Verfahren erfordern.

Bedeutet eine Gerätegenauigkeit von ±1,5 °C automatisch eine Messunsicherheit von ±1,5 °C?

Nein. ±1,5 °C ist üblicherweise eine Geräteangabe. Zur tatsächlichen Messunsicherheit können zusätzlich Kalibrierung, Wiederholbarkeit, Emissionsgrad, Reflexionen, Messabstand und Umgebungsbedingungen beitragen.

Muss die Messunsicherheit bei jeder Infrarotmessung berechnet werden?

Nein. Bei routinemäßiger Wartung und Fehlersuche ist normalerweise keine vollständige Unsicherheitsrechnung erforderlich. Sie wird insbesondere bei Labor-, Kalibrier-, Qualitäts- und Toleranzmessungen relevant.

Was beeinflusst die Messunsicherheit stärker: Emissionsgrad oder Gerätegenauigkeit?

Das hängt von der Anwendung ab. Bei stabilen Oberflächen mit hohem Emissionsgrad kann die Geräteleistung ein wesentlicher Faktor sein. Bei polierten Metallen und anderen Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad können Emissionsgrad und reflektierte Hintergrundtemperatur deutlich stärker wirken.

Fazit

Die Messunsicherheit bei der Infrarotthermometrie beschreibt nicht einfach, um wie viel ein Gerät „falsch messen“ könnte. Sie ist eine messtechnische Größe zur quantitativen Bewertung der Verlässlichkeit eines Messergebnisses.

Zu den möglichen Unsicherheitsbeiträgen gehören Gerätegenauigkeit und Kalibrierung, Wiederholbarkeit, Emissionsgrad, reflektierte Hintergrundtemperatur, Zielgröße, Messabstand, Messwinkel und Umgebungsbedingungen.

Ein wesentlicher Unterschied zur Kontaktmessung besteht darin, dass die Infrarotmessung stark von den Strahlungseigenschaften der Oberfläche abhängt. Selbst bei einem hochgenauen Infrarotthermometer können falsche Emissionsgradeinstellungen, unzureichende Messfleckabdeckung oder unkontrollierte Reflexionen zu einer erheblichen Messunsicherheit führen.

Bei typischen Feldmessungen verbessern eine korrekte Emissionsgradeinstellung, geeigneter Messabstand und Messwinkel, ausreichende Zielabdeckung sowie stabile Umgebungsbedingungen die Zuverlässigkeit erheblich.

Für Laboranwendungen, Kalibrierungen, Qualitätskontrolle und andere präzise Messaufgaben sollte dagegen ein vollständiges Unsicherheitsbudget erstellt werden, in dem die relevanten Einflussgrößen systematisch und quantitativ bewertet werden.