Einleitung
Infrarotthermometer erfassen die von einer Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung. Dadurch können nicht nur feste Materialien, sondern auch viele Flüssigkeiten berührungslos gemessen werden. Entscheidend ist jedoch: Ein Infrarotthermometer misst in der Regel die Oberflächentemperatur einer Flüssigkeit und nicht deren Innen- oder Volumentemperatur.
Bei Wasser, Ölen und bestimmten Industrieflüssigkeiten lässt sich unter geeigneten Messbedingungen schnell die Oberflächentemperatur bestimmen. Wird dagegen die Temperatur im Inneren, die mittlere Flüssigkeitstemperatur oder eine besonders genaue Prozessmessung benötigt, sind Thermoelemente, Widerstandsthermometer oder andere geeignete Kontaktfühler häufig die bessere Wahl.
Das Wichtigste im Überblick
● Infrarotthermometer können viele Flüssigkeiten messen, erfassen jedoch hauptsächlich deren Oberflächentemperatur.
● Wasser und andere Flüssigkeiten mit hohem Emissionsgrad eignen sich meist gut für Infrarotmessungen; Dampf, Schaum und Oberflächenbewegungen können die Messung jedoch beeinflussen.
● Öle, Chemikalien und Schmelzen können unterschiedliche Emissionsgrade aufweisen. Der eingestellte Emissionsgrad sollte daher zum jeweiligen Material passen.
● Die Temperatur tieferer Flüssigkeitsschichten kann mit einem Infrarotthermometer nicht direkt bestimmt werden.
● Beim Erwärmen, Abkühlen oder bei Temperaturschichtungen kann die Oberflächentemperatur deutlich von der Innentemperatur abweichen.
● Die Messfläche sollte den Messfleck vollständig abdecken. Dampf, Behälterränder und starke Reflexionen sollten möglichst vermieden werden.
Kann eine Flüssigkeit direkt mit einem Infrarotthermometer gemessen werden?
Ja. Unter geeigneten Bedingungen kann ein Infrarotthermometer direkt auf eine frei zugängliche Flüssigkeitsoberfläche gerichtet werden.
Das Gerät sendet dabei kein Messsignal in die Flüssigkeit, um deren Innentemperatur zu bestimmen. Stattdessen erfasst es die von der Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung und berechnet daraus unter Berücksichtigung des eingestellten Emissionsgrads die Temperatur.
Das Messprinzip entspricht somit im Wesentlichen dem bei festen Oberflächen: Erfasst werden Strahlungsinformationen der Oberfläche innerhalb des Messfelds.
Typische Anwendungen sind:
● Oberflächentemperatur von Wasser;
● Heiß- oder Kaltwasser;
● Speiseöl oder Industrieöl;
● Kühlflüssigkeit;
● Bestimmte chemische Flüssigkeiten;
● Flüssige Rohstoffe oder Prozessbäder.
Da sich die Infraroteigenschaften verschiedener Flüssigkeiten unterscheiden, kann nicht davon ausgegangen werden, dass mit derselben Geräteeinstellung bei allen Flüssigkeiten die gleiche Messgenauigkeit erzielt wird.
Warum misst ein Infrarotthermometer nur die Oberfläche einer Flüssigkeit?
Ein Infrarotthermometer erfasst die Infrarotstrahlung, die aus Richtung des Messobjekts in das optische System gelangt. Bei üblichen Handgeräten entspricht der Messwert daher hauptsächlich der Temperatur der sichtbaren äußeren Oberfläche.
Wird das Gerät beispielsweise auf eine Tasse mit heißem Wasser gerichtet, zeigt es die Temperatur im Bereich der Wasseroberfläche an und nicht die Temperatur in der Mitte oder am Boden der Tasse.
Ist die Flüssigkeit gut durchmischt und thermisch weitgehend homogen, können Oberflächen- und Innentemperatur ähnlich sein. Beim schnellen Erwärmen oder Abkühlen sowie bei Temperaturschichtungen können jedoch deutliche Unterschiede entstehen.
Beispiele:
● In einem von unten beheizten Behälter kann die Flüssigkeit in Bodennähe wärmer als die Oberfläche sein;
● Ruhende heiße Flüssigkeiten können unterschiedliche Temperaturen in oberen und unteren Schichten aufweisen;
● Beim Abkühlen kann die Oberfläche schneller Wärme verlieren als das Innere;
● Durchmischen führt häufig zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung und einer repräsentativeren Oberflächenmessung.
Der Infrarotmesswert darf daher nicht automatisch mit der Innentemperatur der Flüssigkeit gleichgesetzt werden.
Welche Flüssigkeiten eignen sich für die Infrarot-Temperaturmessung?
Viele Flüssigkeiten mit einem relativ hohen und stabilen Emissionsgrad sind gut für die Messung ihrer Oberflächentemperatur geeignet.
Wasser ist ein typisches Beispiel. Im Spektralbereich vieler Infrarotthermometer weist eine Wasseroberfläche einen hohen Emissionsgrad auf. Bei geeignetem Messabstand, passenden Umgebungsbedingungen und korrekten Geräteeinstellungen lassen sich in der Regel stabile Werte erzielen.
Auch viele Öle und andere Flüssigkeiten können gemessen werden. Ihr Emissionsgrad kann jedoch je nach Flüssigkeit, Oberflächenzustand und Temperatur variieren.
Bei unbekannten Flüssigkeiten sollte insbesondere bei höheren Genauigkeitsanforderungen geprüft werden, welche Infraroteigenschaften vorliegen und welcher Emissionsgrad einzustellen ist.
Wann können bei Flüssigkeitsmessungen größere Fehler auftreten?
Starke Dampfentwicklung
Bei heißem Wasser, kochenden Flüssigkeiten oder Hochtemperatur-Prozessmedien kann sich Dampf zwischen Messgerät und Flüssigkeitsoberfläche befinden. Dieser kann Infrarotstrahlung absorbieren, streuen oder selbst emittieren und dadurch das Messergebnis beeinflussen.
Schaum auf der Oberfläche
Schaum besitzt andere Oberflächeneigenschaften als die darunterliegende Flüssigkeit. Wird auf den Schaum gemessen, entspricht der Wert unter Umständen hauptsächlich der Schaumoberfläche.
Stark bewegte Flüssigkeitsoberfläche
Bei strömenden, gerührten oder vibrierenden Flüssigkeiten verändert sich die erfasste Oberfläche ständig. Dadurch können Messwerte schwanken. Mehrere Messungen und die Beobachtung eines stabilisierten Werts sind sinnvoll.
Falsch eingestellter Emissionsgrad
Unterschiedliche Flüssigkeiten können unterschiedliche Emissionsgrade besitzen. Weicht der tatsächliche Wert deutlich von der Geräteeinstellung ab, kann ein systematischer Messfehler entstehen.
Messfleck größer als die Flüssigkeitsoberfläche
Infrarotthermometer besitzen ein definiertes Verhältnis von Messabstand zu Messfleckgröße (D:S). Mit zunehmendem Abstand wird der Messfleck in der Regel größer. Erfasst er zusätzlich Behälterrand, Tisch oder Hintergrund, kann das Ergebnis verfälscht werden.
Messung des Behälters statt der Flüssigkeit
Befindet sich eine Flüssigkeit in einer geschlossenen Glas- oder Kunststoffflasche, wird beim Messen der Außenwand normalerweise deren Oberflächentemperatur erfasst und nicht direkt die Temperatur der Flüssigkeit im Inneren.
Kann die Flüssigkeitstemperatur durch Glas gemessen werden?
Bei den meisten handgehaltenen Infrarotthermometern sollte gewöhnliches Glas nicht als für die verwendete Infrarotstrahlung transparent betrachtet werden.
Glas ist zwar für sichtbares Licht transparent, im langwelligen Infrarotbereich vieler Handgeräte gilt dies jedoch nicht in gleicher Weise. Beim Anvisieren eines Glasbehälters erfasst das Thermometer daher überwiegend die Strahlung und Reflexionen der Glasoberfläche.
Der angezeigte Wert entspricht somit meist eher der Temperatur des Glases als der Flüssigkeit dahinter.
Bei Flüssigkeiten in Glasflaschen, Bechern oder hinter Sichtfenstern sollte daher möglichst eine frei zugängliche Flüssigkeitsoberfläche gemessen oder ein geeigneter Kontaktfühler eingesetzt werden.
Wie misst man Flüssigkeiten korrekt mit einem Infrarotthermometer?
Für möglichst zuverlässige Messergebnisse:
● Möglichst direkt auf die frei zugängliche Flüssigkeitsoberfläche messen und nicht durch gewöhnliches Glas oder transparenten Kunststoff;
● Den Emissionsgrad entsprechend der Flüssigkeit einstellen, insbesondere bei Geräten mit einstellbarem Emissionsgrad;
● Einen geeigneten Messabstand wählen, sodass die Flüssigkeitsfläche den Messfleck vollständig abdeckt;
● Behälterränder vermeiden, damit diese nicht in das Messfeld gelangen;
● Bei heißen Flüssigkeiten den Einfluss von Dampf oder Dunst im optischen Pfad möglichst reduzieren;
● Bei Schaumbildung klären, ob die Schaumoberfläche oder die eigentliche Flüssigkeitsoberfläche erfasst werden soll;
● Bei schnellem Erwärmen oder Abkühlen berücksichtigen, dass die Oberflächentemperatur nicht unbedingt der Innentemperatur entspricht;
● Die Flüssigkeit, sofern sicher und zulässig, vor der Messung durchmischen, um eine gleichmäßigere Temperatur zu erhalten;
● Bei Bedarf mehrere Stellen messen, um die Temperaturverteilung der Oberfläche zu beurteilen.
Kann ein Infrarotthermometer kochendes Wasser messen?
Ja, die Oberflächentemperatur von kochendem Wasser kann gemessen werden. Die Messbedingungen sind jedoch anspruchsvoller.
Beim Erreichen des Siedepunkts treten starke Oberflächenbewegungen und Dampf auf. Dadurch kann der optische Messweg beeinflusst werden. Außerdem können sich verschiedene Bereiche der Oberfläche sowie der Wasserdampf darüber geringfügig in ihrer Temperatur unterscheiden, sodass der Messwert schwankt.
Für eine schnelle Beurteilung der Wasseroberfläche ist die Infrarotmessung geeignet. Wird jedoch eine genaue Innentemperatur benötigt, beispielsweise im Labor, bei Kalibrierungen oder in der Prozessüberwachung, ist ein geeigneter Kontaktfühler meist zweckmäßiger.
Zu beachten ist außerdem, dass Wasser nicht unter allen Bedingungen exakt bei 100 °C siedet. Der Siedepunkt hängt unter anderem vom Luftdruck und von der Höhenlage ab.
Kann ein Infrarotthermometer Öltemperaturen messen?
In vielen Anwendungen ja, sofern die Messbedingungen geeignet sind.
Verschiedene Ölsorten können unterschiedliche Emissionsgrade besitzen. Zusätzlich können Strömungszustand, Oberflächenbeschaffenheit, Temperatur sowie Rauch oder Dämpfe das Messergebnis beeinflussen.
Bei industriellen Inspektionen eignen sich Infrarotthermometer gut zur schnellen berührungslosen Kontrolle der Oberflächentemperatur von Schmieröl, Hydrauliköl, Wärmeträgeröl und anderen Flüssigkeiten.
Soll dagegen die Temperatur im Inneren eines Tanks, einer Rohrleitung oder eines Behälters präzise überwacht werden, sollte ein entsprechend positionierter Temperatursensor eingesetzt werden.
Entspricht die Oberflächentemperatur der Innentemperatur?
Nicht grundsätzlich.
Die Oberflächentemperatur ist vor allem dann repräsentativ, wenn die Flüssigkeit thermisch homogen ist und zwischen Oberfläche und Innerem weitgehend stabile Wärmeübertragungsbedingungen bestehen.
Deutliche Unterschiede können auftreten, wenn:
● Die Flüssigkeit schnell erwärmt wird;
● Die Flüssigkeit schnell abkühlt;
● Sich eine lokale Wärmequelle am Boden oder an der Behälterwand befindet;
● Die Flüssigkeit nicht ausreichend durchmischt ist;
● Eine Temperaturschichtung besteht;
● Starke Verdunstung auftritt;
● Die Umgebungstemperatur deutlich von der Flüssigkeitstemperatur abweicht.
Wenn die Temperatur in der Mitte, am Boden, in einer bestimmten Tiefe oder als mittlere Volumentemperatur benötigt wird, sollte ein eintauchbarer Kontaktfühler verwendet werden.
Wann sollte ein Kontaktthermometer verwendet werden?
Infrarot- und Kontaktmessung sind keine vollständig austauschbaren Verfahren. Beide eignen sich für unterschiedliche Messaufgaben.
Infrarotthermometer sind besonders praktisch für schnelle, sichere und berührungslose Kontrollen der Flüssigkeitsoberfläche, etwa bei Wartung, Inspektion, bewegten Flüssigkeiten oder schwer zugänglichen Messstellen.
Ein Kontaktthermometer ist in der Regel besser geeignet, wenn:
● Die Temperatur im Inneren der Flüssigkeit benötigt wird;
● Temperaturen in unterschiedlichen Tiefen gemessen werden müssen;
● Eine kontinuierliche Langzeitüberwachung erforderlich ist;
● Deutliche Unterschiede zwischen Oberfläche und Innenbereich bestehen;
● Höhere Messgenauigkeit gefordert ist;
● Der Emissionsgrad unbekannt ist oder stark variiert;
● Dampf, Rauch oder andere Infrarotstörungen vorliegen.
In anspruchsvollen Industrie- oder Laboranwendungen kann die Infrarotmessung außerdem zur schnellen Vorprüfung dienen und bei Bedarf durch eine Kontaktmessung verifiziert werden.
FAQ
Kann ein Infrarotthermometer die Wassertemperatur messen?
Ja, allerdings wird normalerweise die Oberflächentemperatur des Wassers gemessen. Bei homogener Temperaturverteilung kann diese nahe an der Innentemperatur liegen. Beim Erwärmen, Abkühlen oder bei Temperaturschichtung können größere Unterschiede auftreten.
Kann die Temperatur von heißem Wasser in einer Tasse gemessen werden?
Ja, wenn direkt auf die frei zugängliche Wasseroberfläche gezielt wird. Bei einer Messung an der Tassenwand wird hauptsächlich deren Oberflächentemperatur erfasst.
Kann durch eine Glasflasche hindurch gemessen werden?
In der Regel nicht. Gewöhnliches Glas ist für viele der von Hand-Infrarotthermometern verwendeten Infrarotwellenlängen nicht transparent. Gemessen wird daher meist die Glasoberfläche.
Kann ein Infrarotthermometer Speiseöl messen?
Die Oberflächentemperatur kann in der Regel gemessen werden. Emissionsgrad und Oberflächenzustand unterscheiden sich jedoch zwischen verschiedenen Ölen. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen sollte der Emissionsgrad passend eingestellt und die Messung gegebenenfalls mit einem Kontaktfühler überprüft werden.
Kann ein Infrarotthermometer kochende Flüssigkeiten messen?
Ja. Dampf, Blasen und Oberflächenbewegungen können jedoch zu schwankenden Messwerten führen. Für die genaue Innentemperatur empfiehlt sich ein Kontaktfühler.
Warum unterscheidet sich der Infrarotmesswert von dem eines Temperaturfühlers?
Der häufigste Grund ist die unterschiedliche Messstelle. Das Infrarotthermometer misst hauptsächlich die Oberfläche, während ein eingetauchter Fühler die Temperatur im Inneren erfasst. Auch Emissionsgrad, Dampf, Messabstand und Temperaturschichtung können Abweichungen verursachen.
Fazit
Ein Infrarotthermometer kann Flüssigkeitstemperaturen messen, erfasst jedoch hauptsächlich die Oberflächentemperatur. Bei Wasser, Öl und vielen Industrieflüssigkeiten ermöglicht die Infrarotmessung eine schnelle und komfortable berührungslose Temperaturkontrolle, sofern Emissionsgrad, Messfleck und Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden.
Die Oberflächentemperatur entspricht jedoch nicht zwangsläufig der Temperatur im Inneren. Erwärmung, Abkühlung, Temperaturschichtung, Emissionsgrad, Dampf, Schaum, Messabstand und der Behälter können das Ergebnis beeinflussen.
Für schnelle Oberflächenkontrollen ist ein Infrarotthermometer sehr gut geeignet. Werden dagegen die Innentemperatur, eine bestimmte Messtiefe oder die mittlere Flüssigkeitstemperatur benötigt, sollte ein geeigneter Kontakt-Temperaturfühler verwendet werden.
