Einleitung

Bei Kunststoffen, Gummi, Beschichtungen und vielen anderen nichtmetallischen Oberflächen liefert ein Infrarotthermometer meist relativ stabile Messwerte. Bei Edelstahl, insbesondere bei blanken oder polierten Oberflächen, können dagegen deutliche Schwankungen auftreten. Wiederholungsmessungen an derselben Stelle können unterschiedliche Werte ergeben oder deutlich von der tatsächlichen Oberflächentemperatur abweichen.

Dies bedeutet nicht zwangsläufig, dass das Infrarotthermometer fehlerhaft arbeitet. Das Gerät bestimmt die Temperatur anhand der von der Zieloberfläche empfangenen Infrarotstrahlung. Bei Edelstahl sind Emissionsgrad, Reflexionsverhalten und Oberflächenzustand vergleichsweise komplex. Niedrig emittierende und stark reflektierende Oberflächen reagieren deshalb besonders empfindlich auf Umgebungsbedingungen und Messgeometrie.

Die wichtigsten Punkte

● Blanke und polierte Edelstahloberflächen besitzen in der Regel einen relativ niedrigen Emissionsgrad.
● Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad reflektieren einen größeren Anteil der Infrarotstrahlung aus der Umgebung.
● Das Infrarotthermometer kann sowohl die Eigenstrahlung des Edelstahls als auch reflektierte Hintergrundstrahlung erfassen.
● Poliergrad, Oxidation, Rauheit, Öl, Verunreinigungen und Beschichtungen können den tatsächlichen Emissionsgrad verändern.
● Ein ungeeigneter Messwinkel, eine zu große Messentfernung oder eine zu kleine Zielfläche können den Messfehler zusätzlich erhöhen.
● Für anspruchsvollere Messungen können hoch emittierendes Klebeband, geeignete Beschichtungen oder Kontaktfühler zur Überprüfung eingesetzt werden.

Warum sind Infrarotmessungen auf Edelstahl häufig instabil?

Ein Infrarotthermometer misst nicht direkt die Temperatur im Inneren eines Objekts. Es erfasst die von der Oberfläche in einem bestimmten Spektralbereich abgegebene Infrarotstrahlung und berechnet daraus unter Berücksichtigung des eingestellten Emissionsgrads die Oberflächentemperatur.

Materialien unterscheiden sich jedoch deutlich darin, wie effizient sie Infrarotstrahlung emittieren.

Edelstahl, insbesondere mit blanker oder hochglanzpolierter Oberfläche, besitzt häufig einen niedrigen Emissionsgrad und eine hohe Reflexion. Seine eigene Infrarotstrahlung kann vergleichsweise schwach sein, während Strahlung von Wänden, Maschinen, Heizgeräten, Personen oder anderen warmen Objekten an der Edelstahloberfläche reflektiert und zum Messgerät gelangen kann.

Das vom Gerät empfangene Signal stammt daher nicht unbedingt ausschließlich vom Edelstahl selbst.

Verändern sich die Position des Messgeräts, des Bedieners oder einer Wärmequelle in der Umgebung, kann sich auch die reflektierte Hintergrundstrahlung ändern. Der angezeigte Temperaturwert kann dadurch schwanken, obwohl die tatsächliche Oberflächentemperatur nahezu konstant bleibt.

Warum gehört der Emissionsgrad zu den wichtigsten Einflussgrößen?

Der Emissionsgrad beschreibt, wie effizient eine Oberfläche Infrarotstrahlung abgibt. Er wird üblicherweise mit einem Wert zwischen 0 und 1 angegeben.

Viele nichtmetallische Werkstoffe besitzen einen relativ hohen Emissionsgrad und lassen sich daher vergleichsweise einfach berührungslos messen. Metallische Oberflächen, insbesondere saubere, blanke und polierte Metalle, weisen dagegen häufig deutlich niedrigere Werte auf.

Stimmt der am Infrarotthermometer eingestellte Emissionsgrad nicht ausreichend mit dem tatsächlichen Emissionsgrad der Edelstahloberfläche überein, kann die daraus berechnete Temperatur deutlich vom tatsächlichen Wert abweichen.

Wird beispielsweise eine blanke Edelstahloberfläche mit einer Einstellung gemessen, die für hoch emittierende Materialien vorgesehen ist, muss das Ergebnis nicht der tatsächlichen Oberflächentemperatur entsprechen.

Außerdem gibt es für Edelstahl keinen universell gültigen Emissionsgrad.

Der tatsächliche Wert hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

● Spiegelpolierte, blanke oder gebürstete Oberfläche;
● Oxidationszustand;
● Oberflächenrauheit;
● Öl, Staub oder andere Verunreinigungen;
● Beschichtungen oder weitere Oberflächenbehandlungen;
● Spektralbereich des Messgeräts und tatsächlicher Temperaturbereich.

Ein einzelner Tabellenwert allein aufgrund der Materialbezeichnung „Edelstahl“ kann deshalb keine zuverlässige Messung für jede Anwendung gewährleisten.

Warum beeinflusst die Umgebung die Messung von Edelstahl?

Bei Oberflächen mit hohem Emissionsgrad stammt der überwiegende Teil des erfassten Signals aus der Eigenstrahlung des Messobjekts. Reflektierte Hintergrundstrahlung hat dort meist einen geringeren Einfluss.

Bei blankem Edelstahl ist die Situation anders.

Aufgrund des relativ niedrigen Emissionsgrads ist die Reflexion häufig entsprechend hoch. Infrarotstrahlung aus der Umgebung kann deshalb an der Oberfläche reflektiert und vom Infrarotthermometer erfasst werden.

Bei der Messung derselben Edelstahlplatte kann beispielsweise Folgendes auftreten:

● Ein benachbartes heißes Aggregat kann das Ergebnis durch reflektierte Wärmestrahlung nach oben beeinflussen;
● Verändert der Bediener seine Position, kann sich der Einfluss der vom menschlichen Körper abgegebenen Infrarotstrahlung ändern;
● Bei einer Änderung des Messwinkels wird möglicherweise ein anderer Bereich der Umgebung in Richtung des Sensors reflektiert;
● Eine kalte Wand oder Kühleinrichtung in der Nähe kann den angezeigten Wert nach unten beeinflussen.

Messfehler bei niedrig emittierenden Metallen können daher sowohl nach oben als auch nach unten auftreten.

Warum kann sich der Messwert bei verändertem Messwinkel ändern?

Der Messwinkel ist bei Edelstahl ein wichtiger, häufig unterschätzter Einflussfaktor.

Blanke Metalloberflächen reflektieren stark. Wird das Infrarotthermometer aus unterschiedlichen Richtungen auf die Oberfläche gerichtet, können jeweils andere Bereiche der Umgebung in Richtung des Detektors reflektiert werden. Dadurch kann sich auch die angezeigte Temperatur verändern.

Bei großen Schrägwinkeln werden sowohl die wirksamen Strahlungseigenschaften als auch die Reflexionsbedingungen zusätzlich komplexer.

Das Infrarotthermometer sollte deshalb möglichst annähernd senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet werden. Der Messwinkel sollte bei wiederholten Messungen konstant bleiben.

Für Vergleichsmessungen oder Trendüberwachung sind ein fester Messpunkt, eine konstante Entfernung und ein gleichbleibender Messwinkel wesentlich besser geeignet als wechselnde Messpositionen.

Warum können unterschiedliche Oberflächenzustände unterschiedliche Temperaturen anzeigen?

Selbst auf demselben Edelstahlbauteil kann sich der Oberflächenzustand lokal deutlich unterscheiden.

Ein Bereich kann poliert, ein anderer gebürstet sein. Eine Stelle kann blank bleiben, während eine andere bereits oxidiert ist. Ölfilme, Schmutz oder andere Ablagerungen können ebenfalls vorhanden sein. Solche Unterschiede verändern das Absorptions-, Emissions- und Reflexionsverhalten der Oberfläche.

Ein Infrarotthermometer kann deshalb an verschiedenen Stellen unterschiedliche Werte anzeigen, obwohl die tatsächliche Temperatur gleich ist.

Ein Unterschied in der angezeigten Infrarottemperatur ist daher nicht automatisch ein Nachweis für einen realen Temperaturunterschied.

Bei Metalloberflächen muss zunächst unterschieden werden, ob:

● Tatsächlich ein Temperaturunterschied vorliegt;
● Oder unterschiedliche Emissionsgrade und Oberflächenzustände lediglich einen scheinbaren Temperaturunterschied verursachen.

Können Messentfernung und Messfleckgröße zu schwankenden Werten führen?

Ja.

Infrarotthermometer besitzen ein bestimmtes Distanz-Messfleck-Verhältnis, üblicherweise als D:S angegeben.

Mit zunehmender Messentfernung wird der erfasste Messfleck größer. Füllt die Edelstahlfläche den Messfleck nicht vollständig aus, kann das Gerät zusätzlich Infrarotstrahlung von Objekten neben oder hinter dem eigentlichen Ziel erfassen.

Wird beispielsweise ein dünnes Edelstahlrohr aus zu großer Entfernung gemessen, kann der Messfleck größer als der Rohrdurchmesser sein. Dann können eine Wand, eine Maschine oder andere Objekte im Hintergrund das Messergebnis beeinflussen.

Zur Reduzierung dieses Effekts:

● Die wirksame Zielfläche sollte deutlich größer als der Messfleck sein;
● Die Messentfernung sollte entsprechend dem D:S-Verhältnis des Geräts gewählt werden;
● Der sichtbare Laserpunkt darf nicht mit der tatsächlichen Messfläche gleichgesetzt werden.

Der Laser dient in erster Linie als Zielhilfe. Der tatsächliche Infrarot-Messfleck ist in der Regel deutlich größer.

Wie lässt sich die Messstabilität auf Edelstahl verbessern?

Zunächst sollte geprüft werden, ob der Emissionsgrad am Infrarotthermometer einstellbar ist. Falls ja, sollte die Einstellung möglichst an den tatsächlichen Oberflächenzustand angepasst werden, anstatt für alle Werkstoffe denselben Wert zu verwenden.

Zusätzlich helfen folgende Maßnahmen:

● Wenn möglich, oxidierte, rauere oder definiert behandelte Bereiche messen und hochglanzpolierte Flächen vermeiden;
● Möglichst senkrecht zur Oberfläche messen und den Winkel konstant halten;
● Starke Reflexionen von heißen Maschinen, Personen oder anderen Wärmequellen reduzieren;
● Eine konstante Messentfernung einhalten und sicherstellen, dass die Zielfläche den Messfleck vollständig abdeckt;
● Bei Wiederholungsmessungen Position, Abstand, Winkel und Umgebungsbedingungen möglichst konstant halten;
● Nicht ausschließlich einen einzelnen Momentanwert bewerten, sondern die Stabilität und den Verlauf der Anzeige beobachten.

Bei Qualitätskontrollen, Laborprüfungen oder Anwendungen mit höheren Genauigkeitsanforderungen sollte der Emissionsgrad beziehungsweise die tatsächliche Oberflächentemperatur zusätzlich mit einer geeigneten Referenzmethode überprüft werden.

Warum kann schwarzes Klebeband die Messung auf Edelstahl verbessern?

Wenn Oberfläche und Temperaturbedingungen dies zulassen, kann auf dem Edelstahl ein kleines Stück Klebeband mit bekanntem oder relativ hohem Emissionsgrad angebracht werden. Nachdem Klebeband und Metalloberfläche ein ausreichendes thermisches Gleichgewicht erreicht haben, wird die Temperatur auf der beklebten Stelle gemessen.

Der entscheidende Punkt ist nicht, dass „schwarz grundsätzlich genauer“ wäre. Ziel ist vielmehr, eine Oberfläche mit höherem, stabilerem und besser bekanntem Emissionsgrad zu schaffen.

Hoch emittierendes Klebeband wird im Vergleich zu blankem Edelstahl normalerweise weniger stark durch reflektierte Hintergrundstrahlung beeinflusst. Die Messung ist deshalb häufig stabiler.

Dabei ist Folgendes zu beachten:

● Das Klebeband muss für die tatsächliche Oberflächentemperatur geeignet sein;
● Klebeband und Edelstahl müssen ausreichend Zeit haben, ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen;
● Der gesamte Messfleck muss innerhalb der beklebten Fläche liegen;
● Der Emissionsgrad des Messgeräts muss passend zum verwendeten Klebeband eingestellt werden.

Bei Temperaturen, bei denen das Klebeband schmelzen, sich ablösen oder den Produktionsprozess beeinträchtigen könnte, sollte diese Methode nicht verwendet werden.

Wann sollte man sich nicht ausschließlich auf ein Infrarotthermometer verlassen?

Die berührungslose Temperaturmessung ist schnell und eignet sich besonders für bewegte, heiße oder schwer zugängliche Messobjekte. Bei niedrig emittierenden und stark reflektierenden Edelstahloberflächen ist sie jedoch nicht in jeder Situation als alleinige Methode zur Bestimmung der absoluten Temperatur geeignet.

Besondere Vorsicht ist erforderlich bei:

● Stark poliertem oder nahezu spiegelndem Edelstahl;
● Hohen Anforderungen an die absolute Temperaturgenauigkeit;
● Deutlich heißen oder kalten Hintergrundflächen;
● Unbekanntem beziehungsweise nicht zuverlässig bestimmbaren Emissionsgrad;
● Sehr kleinen Messflächen, die den Messfleck nicht vollständig ausfüllen;
● Metrologischen Anwendungen, Kalibrierungen oder hochgenauen experimentellen Prüfungen.

In solchen Fällen kann zur Gegenprüfung ein Thermoelement, Widerstandstemperaturfühler oder ein anderer Kontaktfühler verwendet werden. Auf dieser Basis lassen sich anschließend geeignete Infrarot-Messparameter für die konkrete Edelstahloberfläche festlegen.

FAQ

● Kann Edelstahl mit einem Infrarotthermometer gemessen werden?
Ja. Insbesondere blanker Edelstahl gehört jedoch zu den anspruchsvolleren Oberflächen für die Infrarotmessung. Emissionsgrad und reflektierte Hintergrundstrahlung müssen berücksichtigt werden.

● Warum ändert sich der Messwert bei wiederholter Messung derselben Stelle?
Neben tatsächlichen Temperaturänderungen können reflektierte Hintergrundstrahlung, Veränderungen des Messwinkels, die Position des Bedieners und eine veränderte Messfleckabdeckung zu Schwankungen führen.

● Welchen Emissionsgrad sollte man für Edelstahl einstellen?
Es gibt keinen universellen Wert für alle Edelstahloberflächen. Der Emissionsgrad hängt unter anderem von Poliergrad, Oxidation, Rauheit, Verschmutzung, Oberflächenbehandlung und Messbedingungen ab. Für genaue Messungen sollte er für die konkrete Oberfläche bestimmt werden.

● Warum ist polierter Edelstahl schwieriger zu messen als gebürsteter Edelstahl?
Hochglanzpolierte Oberflächen reflektieren Infrarotstrahlung in der Regel stärker und reagieren deshalb empfindlicher auf die thermische Umgebung. Bereits kleine Änderungen der Messbedingungen können den angezeigten Wert deutlich verändern.

● Kann der Emissionsgrad einfach auf 0,95 eingestellt werden?
Ein pauschaler Wert ohne Kenntnis des tatsächlichen Oberflächenzustands ist nicht empfehlenswert. Ein Emissionsgrad von 0,95 eignet sich für viele hoch emittierende Materialien, aber nicht automatisch für blanken Edelstahl. Eine große Abweichung vom tatsächlichen Wert kann deutliche Messfehler verursachen.

● Liefert schwarzes Klebeband immer die tatsächliche Temperatur?
Hoch emittierendes Klebeband kann die Messbedingungen bei vielen niedrig emittierenden Metallen deutlich verbessern. Es muss jedoch temperaturbeständig sein, ein thermisches Gleichgewicht mit der Oberfläche erreichen und mit der passenden Emissionsgradeinstellung gemessen werden. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollte zusätzlich eine Kontaktmessung zur Überprüfung verwendet werden.

Fazit

Schwankende Messwerte eines Infrarotthermometers auf Edelstahl bedeuten nicht zwangsläufig, dass das Gerät instabil arbeitet. Häufiger liegen die Ursachen im niedrigen Emissionsgrad und im ausgeprägten Reflexionsverhalten der Edelstahloberfläche.

Bei blankem oder poliertem Edelstahl kann das vom Messgerät empfangene Infrarotsignal sowohl die Eigenstrahlung des Messobjekts als auch reflektierte Umgebungsstrahlung enthalten. Oberflächenzustand, Messwinkel, Hintergrundtemperatur, Messentfernung und Messfleckgröße haben deshalb einen erheblichen Einfluss.

In der Praxis sollte der Emissionsgrad an die konkrete Oberfläche angepasst, Abstand und Winkel möglichst konstant gehalten, störende Reflexionen reduziert und eine vollständige Abdeckung des Messflecks gewährleistet werden. Bei höheren Anforderungen können hoch emittierendes Klebeband, eine geeignete Beschichtung oder Kontaktfühler zur Unterstützung und Überprüfung eingesetzt werden.

Bei Edelstahl und anderen niedrig emittierenden Metallen ist ein gutes Verständnis der Oberflächeneigenschaften und kontrollierter Messbedingungen häufig wichtiger als lediglich eine höhere spezifizierte Gerätegenauigkeit.