Einleitung

Ein Infrarot-Thermometer kann die Oberflächentemperatur eines Messobjekts schnell und ohne direkten Kontakt bestimmen. Entscheidend dafür ist nicht der Laser, sondern der Infrarotdetektor im Inneren des Geräts.

Bei vielen handgeführten Infrarot-Thermometern handelt es sich dabei um einen Thermopile-Sensor. Er nimmt die von der Oberfläche des Messobjekts abgegebene Infrarotstrahlung auf und wandelt die absorbierte Strahlungsenergie in eine sehr kleine elektrische Spannung um. Anschließend verarbeitet das Messgerät dieses Signal mithilfe von Temperaturkompensation, Verstärkung, Analog-Digital-Wandlung und Temperaturberechnungsalgorithmen.

Wer die Funktionsweise eines Thermopiles versteht, kann auch besser nachvollziehen, warum Emissionsgrad, Messabstand, Messfleckgröße, reflektierte Hintergrundstrahlung und Umgebungstemperatur das Messergebnis beeinflussen.

Die wichtigsten Punkte

● Ein Thermopile misst die Temperatur nicht direkt, sondern erfasst zunächst die vom Messobjekt abgegebene Infrarotstrahlung.
● Das optische System bündelt die Infrarotstrahlung auf den empfindlichen Bereich des Thermopile-Sensors.
● Über den thermoelektrischen Effekt wird die Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Referenzstellen in eine kleine elektrische Spannung umgewandelt.
● Da das Ausgangssignal auch von der Sensortemperatur abhängt, ist eine Kompensation der Umgebungs- beziehungsweise Referenztemperatur erforderlich.
● Die Zieltemperatur wird aus Thermopile-Signal, Sensortemperatur, Emissionsgrad, Kalibrierdaten und internen Berechnungsalgorithmen bestimmt.
● Verschmutzte Optik, zu kleine Messobjekte, niedriger Emissionsgrad und starke reflektierte Hintergrundstrahlung können das am Sensor ankommende Infrarotsignal verändern.

Was ist ein Thermopile-Sensor?

Ein Thermopile ist ein Infrarotdetektor, der Wärmestrahlung in ein elektrisches Signal umwandelt. Er besteht typischerweise aus mehreren in Reihe geschalteten Miniatur-Thermoelementen. Jedes Thermoelement wird aus zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften aufgebaut.

Nimmt der empfindliche Bereich Infrarotstrahlung auf, steigt seine Temperatur geringfügig an. Zwischen den Messstellen und den Referenzstellen entsteht dadurch eine Temperaturdifferenz, die eine thermoelektrische Spannung erzeugt.

Die Ausgangsspannung eines einzelnen Thermoelements ist sehr klein. Deshalb werden viele Thermoelemente in Reihe geschaltet, sodass sich ihre Spannungen addieren und ein besser messbares Signal entsteht.

Vereinfacht übernimmt ein Thermopile folgende Aufgaben:

● Aufnahme von Infrarotstrahlung;
● Umwandlung der Strahlungsenergie in eine geringe Temperaturerhöhung;
● Umwandlung der Temperaturdifferenz in eine elektrische Spannung;
● Weiterleitung des Signals an die Elektronik des Messgeräts.

Damit stellt der Thermopile die grundlegende Umwandlung von Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal bereit.

Warum kann ein Thermopile ein Messobjekt erfassen?

Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts sendet elektromagnetische Strahlung aus. Ein Teil dieser Energie liegt im Infrarotbereich.

Ändert sich die Temperatur eines Körpers, verändern sich auch Intensität und spektrale Verteilung seiner Infrarotstrahlung. Infrarot-Thermometer nutzen diesen Zusammenhang für die berührungslose Temperaturmessung.

Wird das Messgerät auf eine Oberfläche gerichtet, gelangt ein Teil der vom Messbereich abgegebenen Infrarotstrahlung in das optische System und wird auf den Thermopile-Sensor geführt.

Ein direkter Kontakt ist nicht erforderlich. Ebenso muss das Messobjekt kein aktives Signal aussenden. Der Sensor erfasst ausschließlich die natürlich vorhandene Wärmestrahlung.

Dadurch kann ein Infrarot-Thermometer Oberflächentemperaturen schnell aus einiger Entfernung messen.

Wie gelangt die Infrarotstrahlung zum Thermopile?

Nur ein Teil der vom Ziel ausgesandten Infrarotstrahlung erreicht den Detektor. Das Infrarot-Thermometer verwendet deshalb ein speziell ausgelegtes optisches System, das Strahlung aus einem definierten Sichtfeld sammelt und auf den empfindlichen Bereich des Thermopiles fokussiert.

Typische Bestandteile sind:

● Infrarotlinse oder optisches Fenster;
● Blende und interner Strahlengang;
● Empfindlicher Bereich des Thermopile-Sensors.

Das optische System bestimmt, welche Fläche bei einem bestimmten Messabstand erfasst wird. Es steht damit unmittelbar im Zusammenhang mit dem D:S-Verhältnis (Distance-to-Spot Ratio).

Mit zunehmendem Messabstand vergrößert sich in der Regel der Messfleck. Ist das Messobjekt kleiner als dieser Messfleck, kann der Sensor zusätzlich Infrarotstrahlung aus der Umgebung erfassen.

Der angezeigte Wert kann dann eine Mischung aus der Strahlung des eigentlichen Messobjekts und der Hintergrundfläche darstellen und nicht ausschließlich die tatsächliche Oberflächentemperatur des gewünschten Ziels.

Wie wandelt ein Thermopile Infrarotstrahlung in Spannung um?

Das Funktionsprinzip beruht auf dem thermoelektrischen Effekt.

Der Sensor besitzt im Wesentlichen zwei thermisch unterschiedliche Bereiche:

● Messstellen, die Infrarotstrahlung absorbieren und sich geringfügig erwärmen;
● Referenzstellen, die thermisch mit dem Sensorsubstrat oder der internen Struktur verbunden sind.

Trifft Infrarotstrahlung auf den absorbierenden Bereich, erhöht sich die Temperatur der Messstellen leicht, während die Referenzstellen vergleichsweise stabil bleiben.

Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz.

Da ein Thermoelement aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen bei einer Temperaturdifferenz eine thermoelektrische Spannung erzeugt, liefert jedes einzelne Thermoelement eine sehr kleine Spannung.

Durch die Reihenschaltung vieler Thermoelemente addieren sich diese Spannungen zum Ausgangssignal des Thermopiles.

Ändert sich die Infrarotstrahlung des Messobjekts, verändert sich auch die Temperaturdifferenz im Sensor und damit die Ausgangsspannung.

Unter definierten Betriebsbedingungen steht das Thermopile-Signal somit in direktem Zusammenhang mit der vom Sensor aufgenommenen Infrarotstrahlung.

Warum reicht das Thermopile-Signal allein nicht zur Bestimmung der Zieltemperatur aus?

Der Thermopile erfasst eine durch Strahlung verursachte Temperaturdifferenz. Sein Ausgangssignal entspricht nicht direkt einem Temperaturwert wie 50°C oder 200°C.

Darüber hinaus hängt das Ausgangssignal auch von der Temperatur des Sensors selbst ab.

Bleibt beispielsweise das Messobjekt unverändert, während sich die Innentemperatur des Infrarot-Thermometers von 20°C auf 40°C erhöht, ändern sich auch die thermischen Bedingungen an Mess- und Referenzstellen. Würde das Gerät ausschließlich die Thermopile-Spannung auswerten, könnten deutliche Messfehler entstehen.

Deshalb befindet sich in der Regel ein zusätzlicher Temperatursensor in der Nähe des Thermopiles, der die Sensor- beziehungsweise interne Referenztemperatur erfasst.

Je nach Konstruktion wird diese Temperatur unter anderem bezeichnet als:

● Umgebungstemperatur;
● Sensortemperatur;
● Referenzstellentemperatur;
● Vergleichsstellen- beziehungsweise Kaltstellentemperatur.

Die Bezeichnung kann je nach Sensoraufbau variieren. Die Funktion bleibt jedoch gleich: Das Thermopile-Signal muss hinsichtlich der eigenen Betriebstemperatur kompensiert werden.

Wie berechnet ein Infrarot-Thermometer aus dem Thermopile-Signal die Temperatur?

Vom Eintreffen der Infrarotstrahlung bis zur Anzeige des Temperaturwerts läuft der Messprozess typischerweise wie folgt ab:

● Das Messobjekt sendet Infrarotstrahlung aus;
● Das optische System erfasst Strahlung aus dem definierten Sichtfeld;
● Die Strahlung erreicht den absorbierenden Bereich des Thermopiles;
● Die Messstellen erwärmen sich geringfügig;
● Zwischen Mess- und Referenzstellen entsteht eine Temperaturdifferenz;
● Der Thermopile erzeugt ein kleines Spannungssignal;
● Die analoge Eingangsstufe verstärkt und filtert das Signal;
● Ein Analog-Digital-Wandler digitalisiert das Signal;
● Gleichzeitig wird die Sensor- beziehungsweise interne Referenztemperatur gemessen;
● Der Mikroprozessor verarbeitet Thermopile-Signal, Sensortemperatur, Emissionsgrad und Kalibrierparameter;
● Die berechnete Oberflächentemperatur wird auf dem Display angezeigt.

Der angezeigte Temperaturwert ist daher nicht die direkte Ausgabe des Thermopile-Sensors, sondern das Ergebnis des gesamten optischen, sensorischen, elektronischen und rechnerischen Messsystems.

Warum benötigt ein Thermopile eine Temperaturkompensation?

Ein Thermopile reagiert grundsätzlich auf eine Temperaturdifferenz.

Ändert sich die Temperatur des Messgeräts, kann sich auch die Temperatur der Referenzstellen verändern, obwohl die Temperatur des Messobjekts konstant bleibt. Dadurch verändert sich das Ausgangssignal.

Aus diesem Grund kann ein Infrarot-Thermometer nach einem schnellen Wechsel von einer kalten Außenumgebung in einen warmen Innenraum oder umgekehrt eine gewisse Zeit zur thermischen Stabilisierung benötigen.

Bestehen im Inneren des Geräts noch deutliche Temperaturgradienten, können Thermopile, Referenztemperatursensor, Optik und Elektronik noch nicht im thermischen Gleichgewicht sein. In dieser Phase sind Messwertdriften möglich.

Moderne Infrarot-Thermometer reduzieren diesen Einfluss durch Temperaturkompensation. Nach starken Umgebungstemperaturänderungen ist eine ausreichende Stabilisierungszeit dennoch wichtig.

Warum beeinflusst der Emissionsgrad die Thermopile-Messung?

Der Thermopile erfasst lediglich die Infrarotstrahlung, die tatsächlich am Sensor ankommt. Er kann nicht automatisch unterscheiden, welcher Anteil vom Messobjekt selbst emittiert und welcher Anteil aus der Umgebung reflektiert wurde.

Die Fähigkeit einer Oberfläche, Infrarotstrahlung auszusenden, wird durch den Emissionsgrad ε beschrieben.

Viele Beschichtungen, Kunststoffe, Gummimaterialien und nichtmetallische Oberflächen besitzen einen relativ hohen Emissionsgrad. Poliertes Aluminium, Kupfer, Edelstahl und andere glänzende Metalloberflächen können dagegen einen deutlich niedrigeren Emissionsgrad aufweisen.

Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad geben weniger eigene Infrarotstrahlung ab und reflektieren gleichzeitig einen größeren Anteil der thermischen Umgebungsstrahlung.

Das vom Thermopile empfangene Signal kann deshalb enthalten:

● Vom Messobjekt selbst emittierte Infrarotstrahlung;
● Von Wärmequellen in der Umgebung stammende und an der Zieloberfläche reflektierte Infrarotstrahlung.

Stimmt die eingestellte Emissivität nicht mit der tatsächlichen Zieloberfläche überein, können deutliche Temperaturabweichungen entstehen.

Der Emissionsgrad ist somit keine Eigenschaft des Thermopiles, sondern ein wichtiger Parameter der Zieloberfläche, den der Messalgorithmus zur korrekten Interpretation des Sensorsignals benötigt.

Wovon hängt die Ansprechzeit eines Thermopiles ab?

Der Thermopile muss Strahlung absorbieren, sich geringfügig erwärmen, eine Temperaturdifferenz ausbilden und daraus ein elektrisches Signal erzeugen. Seine Ansprechgeschwindigkeit hängt daher stark von Wärmekapazität und thermischem Aufbau des Sensorelements ab.

Eine kleine, massearme Sensorstruktur mit geringer Wärmekapazität reagiert schneller auf Änderungen der Infrarotstrahlung.

Moderne mikromechanisch gefertigte Thermopiles verwenden entsprechend kleine Detektorstrukturen, um kurze Ansprechzeiten zu erreichen.

Die Ansprechzeit eines vollständigen Infrarot-Thermometers wird jedoch nicht allein vom Thermopile bestimmt. Weitere Einflussgrößen sind:

● Auslegung des optischen Systems;
● Signalverstärkung und Filterung;
● Geschwindigkeit der Analog-Digital-Wandlung;
● Digitale Filteralgorithmen;
● Aktualisierungsrate des Displays.

Die in den technischen Daten angegebene Ansprechzeit beschreibt daher in der Regel das dynamische Verhalten des gesamten Messsystems und nicht ausschließlich das des Thermopile-Sensors.

Welche Faktoren beeinflussen das Infrarotsignal am Thermopile?

Auch bei einwandfrei funktionierendem Sensor beeinflusst jede Veränderung der am Thermopile ankommenden Strahlung das Messergebnis.

Typische Einflussgrößen sind:

● Zu kleines Messobjekt. Ist das Ziel kleiner als der Messfleck, fließt Hintergrundstrahlung in das Messergebnis ein.
● Zu großer Messabstand. Mit zunehmender Entfernung wird der Messfleck größer und umfasst leichter benachbarte Flächen.
● Niedriger Emissionsgrad. Glänzende Metalle und andere niedrig emittierende Oberflächen reagieren besonders empfindlich auf reflektierte Wärmestrahlung.
● Heiße Objekte in der Umgebung. Öfen, Heizkörper, direkte Sonneneinstrahlung oder andere Wärmequellen können sich über Reflexionen auf das Messergebnis auswirken.
● Verschmutztes optisches Fenster. Staub, Öl, Feuchtigkeit oder Kondensat können die Infrarotstrahlung abschwächen oder verändern.
● Dampf, Rauch oder Partikel im Messweg. Teile der Strahlung können absorbiert oder gestreut werden.
● Schnelle Änderung der Gerätetemperatur. Vor Erreichen des thermischen Gleichgewichts können Messwertdriften auftreten.
● Ungünstiger Messwinkel. Bei bestimmten Oberflächen können große Betrachtungswinkel die Emissions- und Reflexionsbedingungen verändern.

Eine zuverlässige Infrarot-Temperaturmessung hängt somit vom gesamten Strahlungsweg zwischen Messobjekt und Sensor ab.

Welche Beziehung besteht zwischen Thermopile und Laser eines Infrarot-Thermometers?

Beide gehören grundsätzlich zu unterschiedlichen Funktionssystemen.

Der Laser dient in erster Linie als Zielhilfe. Er zeigt die ungefähre Messrichtung an, ist jedoch normalerweise nicht an der eigentlichen Temperaturmessung beteiligt.

Die Messung erfolgt durch:

● Das Infrarot-Optiksystem;
● Den Thermopile-Sensor;
● Die Temperaturkompensation;
● Die Signalverarbeitung und Temperaturberechnung.

Ein kleiner Laserpunkt bedeutet daher nicht, dass das Infrarot-Thermometer nur diesen kleinen Bereich misst.

Die tatsächliche Messfläche wird durch das optische Sichtfeld und das D:S-Verhältnis bestimmt.

Auch die Position des Laserpunkts bildet nicht zwangsläufig das gesamte optische Messfeld ab. Die Größe des Messobjekts sollte deshalb anhand des angegebenen D:S-Verhältnisses und des Messabstands beurteilt werden, nicht allein anhand des Laserpunktes.

Was ist der Unterschied zwischen Thermopile und Thermoelement?

Obwohl ein Thermopile aus mehreren Thermoelementen aufgebaut ist, unterscheidet sich seine Anwendung im Infrarot-Thermometer deutlich von einem herkömmlichen Kontakt-Thermoelement.

Ein Kontakt-Thermoelement muss das Messobjekt direkt berühren. Durch Wärmeübertragung nähert sich die Messstelle der Objekttemperatur an. Aus der thermoelektrischen Spannung wird anschließend die Kontakttemperatur bestimmt.

Ein Thermopile benötigt dagegen keinen Kontakt mit dem Messobjekt.

Seine Miniatur-Thermoelemente erfassen die kleine Temperaturdifferenz, die durch die Absorption der Infrarotstrahlung entsteht. Daraus kann das Messgerät indirekt auf die Oberflächentemperatur des Ziels schließen.

Vereinfacht gilt:

● Ein Kontakt-Thermoelement misst die Temperatur, die der Fühler durch Wärmeübertragung vom Messobjekt annimmt;
● Ein Infrarot-Thermopile erfasst die thermische Wirkung der vom Messobjekt ausgesandten Infrarotstrahlung.

Beide nutzen thermoelektrische Effekte, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich Aufbau, Messprinzip und Anwendung.

Warum eignen sich Thermopiles für handgeführte Infrarot-Thermometer?

Thermopile-Sensoren bieten mehrere praktische Vorteile:

● Direkte Reaktion auf Infrarotstrahlung ohne aktive Messstrahlung zum Ziel;
● Vollständig berührungslose Temperaturmessung;
● Kompakte Bauform für handgeführte Messgeräte;
● Breiter nutzbarer Temperaturbereich in Verbindung mit geeigneter Optik und Signalverarbeitung;
● Relativ geringer Energieverbrauch für batteriebetriebene Geräte;
● Gute Integration mit Referenztemperatursensoren, Mikroprozessoren und digitalen Kompensationsalgorithmen.

Aus diesen Gründen werden Thermopiles häufig in handgeführten Infrarot-Thermometern und anderen berührungslos arbeitenden Infrarot-Temperaturmessgeräten eingesetzt.

FAQ

Misst ein Thermopile-Sensor die Temperatur direkt?
Nein. Zunächst wird die thermische Wirkung der eintreffenden Infrarotstrahlung erfasst und in eine Spannung umgewandelt. Die Zieltemperatur wird anschließend aus Sensortemperatur, Emissionsgrad, Kalibrierdaten und weiteren Kompensationsgrößen berechnet.

Muss ein Thermopile das Messobjekt berühren?
Nein. Die Messung erfolgt über die vom Messobjekt abgegebene Infrarotstrahlung und ist vollständig berührungslos.

Wird der Laser eines Infrarot-Thermometers vom Thermopile erzeugt?
Nein. Der Laser ist normalerweise ein unabhängiges Zielsystem. Die Infrarotstrahlung gelangt über die Optik zum Thermopile. Der Laser selbst ist in der Regel nicht Bestandteil der Temperaturmessung.

Warum muss ein Infrarot-Thermometer auch seine interne Temperatur messen?
Weil das Thermopile-Signal von der Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Referenzstellen abhängt. Die Sensor- beziehungsweise Referenztemperatur muss bekannt sein, damit die Zieltemperatur korrekt berechnet werden kann.

Kann ein Thermopile jedes Material genau messen?
Der Sensor kann Infrarotstrahlung unterschiedlicher Materialien erfassen. Die Messgenauigkeit hängt jedoch zusätzlich von Emissionsgrad, Reflexionseigenschaften, Messabstand, Zielgröße und thermischer Umgebung ab. Bei glänzenden, niedrig emittierenden Metallen ist besondere Sorgfalt erforderlich.

Kann ein verschmutztes Objektiv die Thermopile-Messung beeinflussen?
Ja. Die Verschmutzung muss den Sensor nicht direkt beschädigen, kann aber die eintreffende Infrarotstrahlung abschwächen, absorbieren oder verändern und dadurch das Messergebnis beeinflussen.

Zusammenfassung

Der Thermopile-Sensor ist eine Schlüsselkomponente vieler Infrarot-Thermometer. Er absorbiert die vom Messobjekt abgegebene Infrarotstrahlung, erzeugt dadurch eine geringe Temperaturerhöhung an den Messstellen und wandelt die entstehende Temperaturdifferenz über mehrere in Reihe geschaltete Thermoelemente in eine messbare Spannung um.

Der Thermopile liefert jedoch nicht direkt die Zieltemperatur. Für eine vollständige Infrarotmessung werden zusätzlich ein optisches System zur Definition des Messfelds, ein Referenztemperatursensor zur Kompensation sowie elektronische Schaltungen und Algorithmen benötigt, die unter anderem Emissionsgrad und Kalibrierdaten berücksichtigen.

Die Messgenauigkeit eines Infrarot-Thermometers hängt daher nicht nur vom Thermopile selbst ab, sondern auch von Emissionsgrad, Messabstand, Zielgröße, reflektierter Hintergrundstrahlung, Zustand der Optik und thermischer Stabilität des Messgeräts.

Das Verständnis der Umwandlung von Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal bildet eine wichtige Grundlage für den sachgerechten Einsatz berührungsloser Infrarot-Temperaturmessgeräte.