Einleitung

Ein Infrarot-Thermometer misst die Temperatur nicht direkt. Es erfasst die vom Messobjekt in Richtung des Geräts gelangende Infrarotstrahlung und berechnet daraus die Oberflächentemperatur.

In der Praxis kann die empfangene Strahlung aus zwei Anteilen bestehen: aus der vom Messobjekt selbst emittierten Strahlung und aus Umgebungsstrahlung, die von der Oberfläche reflektiert wird.

Der zweite Anteil steht im Zusammenhang mit der reflektierten Hintergrundtemperatur.

Bei Oberflächen mit hohem Emissionsgrad ist dieser Einfluss meist gering. Bei blanken Metallen und anderen Materialien mit niedrigem Emissionsgrad können jedoch Heizöfen, heiße Rohrleitungen, Leuchten, Personen oder kalte Umgebungen das Messergebnis deutlich beeinflussen.

Das Wichtigste im Überblick

● Das Infrarot-Thermometer empfängt nicht zwangsläufig ausschließlich Strahlung vom Messobjekt.
● Je niedriger der Emissionsgrad einer Oberfläche ist, desto stärker kann reflektierte Umgebungsstrahlung das Ergebnis beeinflussen.
● Ein heißer Hintergrund kann zu zu hohen, ein kalter Hintergrund zu zu niedrigen Messwerten führen.
● Besonders empfindlich sind blanke Metalle und andere Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad.
● Eine korrekte Emissionsgradeinstellung und geeignete Messbedingungen können Reflexionsfehler deutlich reduzieren.

Was ist die reflektierte Hintergrundtemperatur?

Die reflektierte Hintergrundtemperatur bezeichnet die äquivalente Strahlungstemperatur der Umgebung, deren Infrarotstrahlung von der Messoberfläche in Richtung des Infrarot-Thermometers reflektiert wird.

Sie ist nicht zwangsläufig identisch mit der Umgebungslufttemperatur.

In einer Werkhalle kann die Luft beispielsweise 25°C betragen, während sich unmittelbar neben dem Messobjekt ein heißer Ofen befindet. Eine blanke Metalloberfläche kann einen erheblichen Teil dieser Wärmestrahlung reflektieren. Die für die Messung wirksame Hintergrundstrahlung kann daher deutlich höher liegen als es die Lufttemperatur vermuten lässt.

Das Gleiche gilt in umgekehrter Richtung, wenn die Oberfläche auf eine kalte Wand, eine Kühlanlage oder einen anderen kalten Hintergrund ausgerichtet ist.

Entscheidend ist somit die Strahlungsumgebung, die von der Messoberfläche erfasst beziehungsweise reflektiert werden kann, nicht allein die Lufttemperatur.

Warum beeinflusst die Hintergrundreflexion die Messung?

Reale Oberflächen können Infrarotstrahlung sowohl emittieren als auch reflektieren.

Vereinfacht lässt sich die vom Messgerät empfangene Strahlung wie folgt darstellen:

Empfangene Strahlung ≈ Eigenstrahlung des Messobjekts + reflektierte Umgebungsstrahlung

Weiter vereinfacht:

Empfangene Strahlung ≈ ε × Objektstrahlung + (1 − ε) × reflektierte Hintergrundstrahlung

Dabei steht ε für den Emissionsgrad der Oberfläche.

Liegt der Emissionsgrad nahe 1, dominiert die Eigenstrahlung des Objekts und der Einfluss des Hintergrunds bleibt gering.

Bei niedrigem Emissionsgrad nimmt der Anteil der Eigenstrahlung ab, während die Bedeutung der reflektierten Umgebungsstrahlung zunimmt.

Aus diesem Grund lassen sich lackierte Flächen, Gummi, Kunststoffe und viele andere hoch emittierende Materialien meist stabiler messen als poliertes Aluminium, Edelstahl, Kupfer oder vergleichbare Metalloberflächen.

Warum kann ein heißer Hintergrund zu einem zu hohen Messwert führen?

Angenommen, eine relativ kühle blanke Metallplatte befindet sich in der Nähe eines Ofens, einer heißen Rohrleitung oder einer anderen Wärmequelle.

Die Wärmequelle gibt intensive Infrarotstrahlung ab. Ein Teil davon trifft auf die Metalloberfläche, wird reflektiert und gelangt anschließend in das Infrarot-Thermometer.

Das Messgerät kann dabei nicht einfach unterscheiden:

● Welche Strahlung vom Metall selbst stammt;
● Welche Strahlung aus der Umgebung stammt und lediglich reflektiert wird.

Ist der reflektierte Anteil hoch und wird er nicht ausreichend kompensiert, kann das Gerät die zusätzliche Strahlungsenergie teilweise dem Messobjekt zuordnen.

Die angezeigte Temperatur kann dadurch über der tatsächlichen Oberflächentemperatur liegen.

Je niedriger der Emissionsgrad, desto größer kann dieser Effekt werden.

Kann auch ein kalter Hintergrund die Messung beeinflussen?

Ja.

Die reflektierte Hintergrundtemperatur kann Messwerte sowohl nach oben als auch nach unten verschieben.

Befindet sich beispielsweise eine warme Metalloberfläche mit niedrigem Emissionsgrad vor einem deutlich kälteren Hintergrund, wird von dort entsprechend weniger Infrarotstrahlung reflektiert.

Werden Emissionsgrad und reflektierte Temperatur nicht korrekt berücksichtigt, kann die berechnete Temperatur unter der tatsächlichen Oberflächentemperatur liegen.

Grundsätzlich gilt:

● Ein deutlich heißerer Hintergrund kann den Messwert erhöhen;
● Ein deutlich kälterer Hintergrund kann den Messwert verringern;
● Je niedriger der Emissionsgrad, desto stärker kann der Hintergrund wirken.

Warum sind blanke Metalle besonders kritisch?

Blanke Metalle besitzen häufig einen niedrigen Infrarot-Emissionsgrad und reflektieren einen relativ hohen Anteil der auftreffenden Wärmestrahlung.

Für ein Infrarot-Thermometer kann eine polierte Metalloberfläche daher in gewisser Weise wie ein „Infrarotspiegel“ wirken.

Bei der Messung einer blanken Edelstahlleitung können beispielsweise folgende Einflüsse eine Rolle spielen:

● Die tatsächliche Temperatur der Leitung;
● Heiße Maschinen in der Umgebung;
● Öfen oder heiße Rohrleitungen;
● Wärmestrahlung des Bedieners;
● Wände, Decken und andere Anlagen;
● Durch Sonneneinstrahlung aufgeheizte Flächen.

Bereits kleine Änderungen von Messposition oder Winkel können deshalb zu veränderten Anzeigen führen.

Dies deutet nicht zwangsläufig auf einen Gerätefehler hin. Häufig haben sich lediglich die Strahlungsbedingungen geändert.

Wie hängen Emissionsgrad und reflektierte Hintergrundtemperatur zusammen?

Der Emissionsgrad gehört zu den wichtigsten Einflussgrößen bei der Bewertung reflektierter Hintergrundstrahlung.

Bei einem undurchsichtigen Körper gilt vereinfacht: Je stärker eine Oberfläche Infrarotstrahlung emittiert, desto geringer ist in der Regel ihr Reflexionsanteil. Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad reflektieren entsprechend mehr Umgebungsstrahlung.

Praktisch bedeutet dies:

● Hoher Emissionsgrad: Die Eigenstrahlung dominiert, Hintergrundreflexionen sind meist weniger kritisch;
● Niedriger Emissionsgrad: Die Eigenstrahlung trägt weniger zum Gesamtsignal bei, sodass Hintergrundreflexionen wichtiger werden.

Eine korrekte Emissionsgradeinstellung allein beseitigt deshalb nicht zwangsläufig sämtliche Messfehler.

Bei sehr niedrigem Emissionsgrad und stark abweichenden Umgebungstemperaturen kann die reflektierte Hintergrundstrahlung weiterhin eine wesentliche Unsicherheitsquelle darstellen.

Warum kann auch der Messwinkel den Reflexionsfehler verändern?

Bei stark reflektierenden Oberflächen beeinflusst die Position beziehungsweise der Messwinkel, welche Umgebungsstrahlung in Richtung des Messgeräts reflektiert wird.

Bei einer blanken Metallplatte kann beispielsweise aus einem bestimmten Winkel die Strahlung einer heißen Anlage direkt zum Messgerät reflektiert werden. Wird der Messwinkel verändert, kann dieser Anteil deutlich abnehmen.

Reflexionseinflüsse sollten insbesondere geprüft werden, wenn:

● Sich der Messwert beim Ändern des Winkels deutlich verändert;
● Sich der Messwert verändert, wenn der Bediener seine Position ändert;
● Das Ein- oder Ausschalten benachbarter Anlagen den Messwert beeinflusst;
● Messungen aus verschiedenen Richtungen deutlich voneinander abweichen.

Solche Abweichungen müssen nicht zwangsläufig auf eine tatsächliche Temperaturänderung des Messobjekts zurückzuführen sein.

Wie lassen sich Fehler durch die reflektierte Hintergrundtemperatur reduzieren?

Zunächst sollten Material und Oberflächenzustand des Messobjekts bekannt sein, damit ein geeigneter Emissionsgrad gewählt werden kann.

● Emissionsgrad korrekt einstellen. Verfügt das Infrarot-Thermometer über einen einstellbaren Emissionsgrad, sollte dieser an das tatsächliche Material und die Oberflächenbeschaffenheit angepasst werden.
● Starke heiße oder kalte Hintergründe vermeiden. Die Messposition sollte nach Möglichkeit so gewählt werden, dass Öfen, heiße Rohrleitungen, Heizgeräte, Kühlanlagen oder andere starke Strahlungsquellen nicht über die Oberfläche in das Messgerät reflektiert werden.
● Messbedingungen konstant halten. Bei Vergleichs- und Trendmessungen sollten Abstand, Winkel, Position und Umgebungsbedingungen möglichst gleich bleiben.
● Messbedingungen auf niedrig emittierenden Oberflächen verbessern. Falls zulässig, kann ein Hoch-Emissionsgrad-Klebeband, eine geeignete Beschichtung oder eine andere Referenzfläche mit bekanntem Emissionsgrad verwendet werden. Vor der Messung sollte thermisches Gleichgewicht erreicht sein.
● Reflektierte Temperatur kompensieren. Professionelle Infrarot-Messgeräte ermöglichen teilweise die Eingabe einer reflektierten Temperatur. Diese sollte die tatsächliche Strahlungsumgebung berücksichtigen und nicht automatisch mit der Lufttemperatur gleichgesetzt werden.
● Den Bediener als Reflexionsquelle berücksichtigen. Auch die Wärmestrahlung des menschlichen Körpers kann von blanken Oberflächen reflektiert werden.

Bei sehr niedrigem Emissionsgrad und nicht kontrollierbarer Strahlungsumgebung kann ein einfaches Infrarot-Thermometer für hochgenaue Absolutmessungen ungeeignet sein.

Wie lässt sich ein starker Reflexionseinfluss in der Praxis erkennen?

Eine einfache Wiederholungsmessung kann erste Hinweise liefern.

Bleibt das Messobjekt unverändert, kann die Position oder der Winkel des Messgeräts leicht variiert werden. Ändert sich der Messwert deutlich, obwohl eine entsprechende reale Temperaturänderung in dieser kurzen Zeit nicht plausibel ist, sollten Reflexionen überprüft werden.

Zusätzlich sollte kontrolliert werden:

● Ob die Oberfläche blank oder stark reflektierend ist;
● Ob sich Öfen, Heizgeräte, heiße Rohrleitungen oder andere Wärmequellen in der Nähe befinden;
● Ob der Bediener von der Oberfläche reflektiert werden könnte;
● Ob sich der Messwert beim Ändern der Messrichtung deutlich verändert;
● Ob eine Hoch-Emissionsgrad-Referenzfläche stabilere Ergebnisse liefert.

Diese Beobachtungen helfen dabei, einen möglichen Einfluss der reflektierten Hintergrundstrahlung zu erkennen.

FAQ

Ist die reflektierte Hintergrundtemperatur identisch mit der Umgebungstemperatur?
Nein. Die Umgebungsluft kann beispielsweise 25°C betragen, während eine Messoberfläche gleichzeitig intensive Wärmestrahlung eines mehrere hundert Grad heißen Ofens reflektiert. Die reflektierte Hintergrundtemperatur beschreibt die Strahlungsumgebung und nicht ausschließlich die Lufttemperatur.

Warum sind schwarze Oberflächen häufig weniger empfindlich gegenüber Reflexionen?
Viele schwarze, raue oder nichtmetallische Oberflächen besitzen einen hohen Infrarot-Emissionsgrad. Dadurch ist der Anteil ihrer Eigenstrahlung am Gesamtsignal größer. Der sichtbare Farbton allein ist jedoch kein zuverlässiges Maß für den Emissionsgrad.

Reicht es bei poliertem Edelstahl aus, den Emissionsgrad niedriger einzustellen?
Nicht unbedingt. Die korrekte Einstellung ist wichtig, dennoch reflektieren niedrig emittierende Oberflächen einen hohen Anteil der Umgebungsstrahlung. Bei großen Temperaturunterschieden zwischen Hintergrund und Messobjekt können weiterhin erhebliche Fehler auftreten.

Kann der Bediener die Infrarotmessung beeinflussen?
Ja. Besonders bei hoch reflektierenden Oberflächen kann die vom menschlichen Körper abgegebene Infrarotstrahlung über die Messoberfläche zum Gerät reflektiert werden.

Kann Hoch-Emissionsgrad-Klebeband die Messung verbessern?
Ja. Sofern Material und Prozess dies zulassen, kann eine Referenzfläche mit bekanntem Emissionsgrad die Reflexionseinflüsse deutlich reduzieren. Vor der Messung sollte das Klebeband die Temperatur des Messobjekts angenommen haben.

Fazit

Die reflektierte Hintergrundtemperatur beeinflusst Infrarotmessungen, weil die vom Messgerät empfangene Strahlung nicht zwangsläufig ausschließlich vom Messobjekt selbst stammt.

Bei niedrigem Emissionsgrad wird ein größerer Anteil der Umgebungsstrahlung von der Oberfläche reflektiert. Ein heißer Hintergrund kann den Messwert erhöhen, ein kalter Hintergrund kann ihn verringern.

Für zuverlässige Infrarot-Temperaturmessungen müssen daher neben Messbereich, Genauigkeit und Messabstand auch Emissionsgrad, reflektierte Hintergrundtemperatur, Messwinkel und Strahlungsumgebung berücksichtigt werden.

Dies gilt insbesondere für polierte Metalle und andere Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad, bei denen geeignete Messbedingungen häufig wichtiger sind als eine reine Anpassung der Geräteeinstellungen.