Einleitung
Bei der Temperaturmessung an Glas kommt es mit einem Infrarot-Thermometer häufig zu unerwarteten Messwerten. Ebenso lässt sich die tatsächliche Temperatur eines hinter dem Glas befindlichen Objekts meist nicht zuverlässig erfassen. Daraus entsteht häufig die Annahme, dass Glas grundsätzlich nicht mit einem Infrarot-Thermometer gemessen werden könne.
Diese Aussage ist jedoch zu pauschal.
Ein übliches industrielles Infrarot-Thermometer kann unter geeigneten Bedingungen durchaus die Oberflächentemperatur des Glases selbst erfassen. Es kann jedoch gewöhnliches Glas normalerweise nicht wie sichtbares Licht „durchdringen“, um die Temperatur eines dahinterliegenden Objekts zu bestimmen.
Das Messergebnis wird außerdem durch Glasart, Materialdicke, Oberflächenbehandlung, Emissionsgrad, reflektierte Umgebungsstrahlung und den Spektralbereich des Messgeräts beeinflusst.
Entscheidend ist daher zunächst die Frage, welche Strahlung ein Infrarot-Thermometer tatsächlich erfasst.
Das Wichtigste im Überblick
● Ein Infrarot-Thermometer erfasst die Infrarotstrahlung, die aus dem Messfeld auf den Detektor trifft, und misst nicht direkt die Temperatur im Materialinneren.
● Die Transparenz von Glas für sichtbares Licht bedeutet nicht, dass Glas auch im infraroten Spektralbereich transparent ist.
● Viele industrielle Infrarot-Thermometer arbeiten ungefähr im langwelligen Infrarotbereich von 8–14 μm. In diesem Bereich ist gewöhnliches Glas in der Regel nicht als transparent anzusehen.
● Das Messgerät erfasst daher normalerweise überwiegend die Strahlung der Glasoberfläche und nicht die Temperatur eines Objekts hinter der Scheibe.
● Reflexion, Emissionsgradeinstellung, Messwinkel und thermische Umgebung können die Genauigkeit deutlich beeinflussen.
● Für Messungen durch ein Schutzfenster müssen Messgerät und Fenstermaterial gezielt aufeinander abgestimmt sein.
Was misst ein Infrarot-Thermometer tatsächlich?
Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts emittiert elektromagnetische Strahlung. Ein Teil davon liegt im Infrarotbereich.
Ein Infrarot-Thermometer sammelt diese Strahlung über sein optisches System und führt sie einem Infrarotdetektor zu. Aus dem Detektorsignal berechnet das Gerät unter Berücksichtigung von Emissionsgrad, Umgebungsbedingungen und interner Kalibrierung die Oberflächentemperatur.
Die vom Messgerät empfangene Strahlung kann sich aus mehreren Anteilen zusammensetzen:
● Eigenstrahlung der Messoberfläche;
● An der Oberfläche reflektierte Infrarotstrahlung aus der Umgebung;
● Bei infrarotdurchlässigen oder teiltransparenten Materialien zusätzlich durch das Material transmittierte Strahlung.
Die Genauigkeit hängt deshalb wesentlich davon ab, wie groß diese Strahlungsanteile jeweils sind.
Warum kann man durch Glas sehen, mit einem Infrarot-Thermometer aber nicht unbedingt hindurch messen?
Hier liegt einer der häufigsten Denkfehler bei der Infrarotmessung an Glas.
Das menschliche Auge nimmt sichtbares Licht ungefähr im Bereich von 0,4 bis 0,7 μm wahr. Gewöhnliches Glas weist in diesem Bereich eine hohe Transmission auf. Deshalb können Objekte hinter einer Glasscheibe problemlos gesehen werden.
Ein Infrarot-Thermometer arbeitet jedoch in einem anderen Wellenlängenbereich.
Viele industrielle Geräte nutzen einen Spektralbereich von ungefähr 8–14 μm. Im langwelligen Infrarot weist gewöhnliches Glas völlig andere optische Eigenschaften auf als im sichtbaren Spektrum und darf nicht als transparent betrachtet werden.
Wird das Messgerät auf eine Glasscheibe gerichtet, gelangt daher normalerweise nicht die vollständige Infrarotstrahlung des Objekts hinter dem Glas zum Detektor. Stattdessen wird überwiegend die Eigenstrahlung des Glases sowie an seiner Oberfläche reflektierte Infrarotstrahlung erfasst.
Aus diesem Grund lässt sich mit einem üblichen Infrarot-Thermometer beispielsweise die Temperatur einer Maschine oder Rohrleitung hinter einem normalen Sichtfenster nicht zuverlässig bestimmen.
Kann die Oberflächentemperatur von Glas mit einem Infrarot-Thermometer gemessen werden?
Ja, sofern geeignete Messbedingungen eingehalten werden.
Soll die Glasoberfläche selbst gemessen werden, ist eine Infrarotmessung häufig technisch möglich. Allerdings verhält sich Glas nicht wie ein idealer schwarzer Strahler. Deshalb können sowohl Emissionsgrad als auch reflektierte Umgebungsstrahlung das Messergebnis beeinflussen.
Bei einer erwärmten Glasscheibe stammt beispielsweise ein erheblicher Anteil der vom Thermometer empfangenen Strahlung von der Glasoberfläche selbst. Unter kontrollierten Bedingungen kann daher ein sinnvoller Oberflächentemperaturwert ermittelt werden.
Wird dagegen durch die Scheibe hindurch auf einen Motor, Heizkörper oder ein anderes Objekt gezielt, entspricht der angezeigte Wert normalerweise nicht dessen tatsächlicher Oberflächentemperatur.
Entscheidend ist daher die Unterscheidung:
● Die Oberflächentemperatur von Glas kann unter geeigneten Bedingungen gemessen werden;
● Die Temperatur eines Objekts hinter gewöhnlichem Glas kann mit einem Standard-Infrarot-Thermometer normalerweise nicht zuverlässig gemessen werden.
Warum können bei der Messung von Glas trotzdem große Abweichungen auftreten?
Messfehler bei Glas entstehen häufig durch das Zusammenwirken mehrerer Faktoren.
● Falscher Emissionsgrad: Weicht der eingestellte Emissionsgrad deutlich vom tatsächlichen Emissionsgrad der Glasoberfläche ab, kann der berechnete Temperaturwert erheblich verfälscht werden.
● Reflexion an der Oberfläche: Glas reflektiert einen Teil der infraroten Umgebungsstrahlung. Personen, Heizungen, Öfen oder andere warme Objekte in der Nähe können dadurch den Messwert beeinflussen.
● Unterschiedliche Oberflächen: Klarglas, beschichtetes Glas, Low-E-Glas, Spiegelglas, Mattglas und andere behandelte Oberflächen können stark unterschiedliche infrarote Eigenschaften besitzen.
● Zu großer Messwinkel: Bei schräger Messung kann der Einfluss reflektierter Strahlung zunehmen. Daher sollte möglichst annähernd senkrecht zur Oberfläche gemessen werden.
● Zu kleine Messfläche: Ist der Messabstand zu groß, kann der Messfleck größer als die eigentliche Zielfläche werden und zusätzliche Strahlung aus der Umgebung erfassen.
● Große Temperaturunterschiede zwischen den Glasseiten: Die Temperatur einer Glasoberfläche entspricht nicht automatisch der Temperatur im Materialinneren, auf der Rückseite der Scheibe oder eines dahinterliegenden Objekts.
Warum kann man die Temperatur einer Maschine nicht durch Glas messen?
Angenommen, hinter einem Sichtfenster befindet sich eine heiße Maschine.
Da das Bauteil mit dem Auge deutlich sichtbar ist, erscheint es naheliegend, das Infrarot-Thermometer direkt darauf auszurichten.
Im langwelligen Infrarotbereich kann die Wärmestrahlung der Maschine gewöhnliches Glas jedoch nicht in derselben Weise durchdringen wie sichtbares Licht.
Das Messgerät empfängt daher vor allem:
● Wärmestrahlung der Glasscheibe;
● Von der Glasoberfläche reflektierte Umgebungsstrahlung;
● Einen begrenzten transmittierten Anteil, abhängig von Glasart, Dicke und Wellenlänge.
Der angezeigte Wert kann deshalb wesentlich näher an der Oberflächentemperatur des Glases liegen als an der tatsächlichen Temperatur der Maschine.
Warum reflektiert Glas Infrarotstrahlung aus der Umgebung?
Die vom Messgerät erfasste Strahlung stammt nicht zwangsläufig vollständig vom Ziel selbst.
Für ein undurchsichtiges Material lässt sich vereinfacht schreiben:
Emissionsgrad + Reflexionsgrad ≈ 1
Sinkt der Emissionsgrad einer Oberfläche, nimmt der Einfluss reflektierter Umgebungsstrahlung in der Regel zu.
Bei reflektierendem Glas kann daher Strahlung von Wärmequellen in der Umgebung in Richtung des Thermometers zurückgeworfen werden.
Beispiele:
● Befindet sich der Bediener zu dicht an der Messstelle, kann dessen Wärmestrahlung über die Glasscheibe reflektiert werden;
● Ein Ofen oder Heizgerät in der Nähe kann den Messwert beeinflussen;
● Bei einer kalten Glasoberfläche in warmer Umgebung kann reflektierte Wärmestrahlung den angezeigten Wert erhöhen.
Die thermische Umgebung und die Messposition sollten daher bei reflektierenden Oberflächen sorgfältig berücksichtigt werden.
Wie lässt sich die Genauigkeit bei der Messung von Glasoberflächen verbessern?
Wenn die Glasoberfläche selbst gemessen werden soll, helfen folgende Maßnahmen:
● Sicherstellen, dass tatsächlich die Glasoberfläche und nicht ein dahinterliegendes Objekt gemessen werden soll.
● Den Emissionsgrad passend zur Glasart und Oberflächenbehandlung einstellen.
● Möglichst senkrecht zur Glasoberfläche messen, um Reflexionseinflüsse zu reduzieren.
● Messpositionen vermeiden, an denen Personen, Heizkörper, Öfen, Lampen oder andere starke Wärmequellen in die Messrichtung reflektiert werden.
● Den Messabstand so wählen, dass der gesamte Messfleck innerhalb der Zielfläche liegt.
● Für höhere Genauigkeitsanforderungen kann eine Referenzfläche mit bekanntem hohem Emissionsgrad verwendet werden, sofern sie sich im thermischen Gleichgewicht mit der Glasoberfläche befindet.
● Kritische Prozessmessungen sollten mit einem kalibrierten Referenzmessgerät oder einem geeigneten Kontaktfühler überprüft werden.
Liefern beschichtetes Glas und gewöhnliches Glas dieselben Messergebnisse?
Nicht unbedingt.
Moderne Industrie- und Architekturgläser können unterschiedliche Funktionsschichten aufweisen, beispielsweise Low-E-Beschichtungen, metallische Schichten oder andere optische Beschichtungen.
Solche Oberflächenbehandlungen können Emissionsgrad und Reflexionsgrad im Infrarotbereich deutlich verändern.
Low-E-Glas ist beispielsweise darauf ausgelegt, den Strahlungswärmeaustausch in bestimmten Spektralbereichen zu reduzieren. Werden dafür dieselben Einstellungen wie bei unbehandeltem Glas verwendet, können deutliche Messabweichungen entstehen.
Bei beschichtetem Glas sollte der Emissionsgrad deshalb anhand der tatsächlichen Oberfläche, Beschichtung und Messseite bewertet werden.
Kann ein Infrarot-Thermometer durch jedes transparente Material messen?
Nein.
Sichtbare Transparenz und Infrarottransmission sind unterschiedliche optische Eigenschaften.
Die Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung hängt unter anderem ab von:
● Material;
● Materialdicke;
● Wellenlänge;
● Beschichtung;
● Temperaturbereich;
● Aufbau des optischen Systems.
Einige Materialien sind für sichtbares Licht transparent, im langwelligen Infrarot jedoch nahezu undurchlässig. Umgekehrt gibt es spezielle Materialien, die in bestimmten Infrarotbereichen eine hohe Transmission besitzen.
Bei professionellen Anwendungen werden deshalb spezielle Infrarotfenster eingesetzt, deren Transmissionsbereich zum verwendeten Messsystem passt.
Bei welchen Anwendungen ist Glas besonders zu berücksichtigen?
Fehlmessungen durch eine Glasscheibe treten besonders häufig auf bei:
● Messungen an Maschinen durch Sichtfenster;
● Messungen von Außenobjekten durch Gebäudefenster;
● Messungen in Kühl- oder Wärmeschränken durch Glastüren;
● Messungen von Fahrzeugkomponenten durch Fahrzeugscheiben;
● Messungen von Laborgeräten durch Schutzglas;
● Messungen an Low-E-, Spiegel-, Beschichtungs- oder Reflexionsglas.
In diesen Fällen sollte zuerst festgestellt werden, welche Oberfläche tatsächlich die vom Thermometer empfangene Infrarotstrahlung liefert.
Warum bedeutet ein Laserpunkt hinter dem Glas nicht, dass dieses Objekt gemessen wird?
Bei den meisten Hand-Infrarot-Thermometern dient der Laser lediglich als Zielhilfe.
Der sichtbare Laserstrahl ist nicht die Strahlung, aus der das Gerät die Temperatur bestimmt.
Der Laser kann deshalb eine Glasscheibe passieren und auf einem Objekt dahinter sichtbar sein, während die für die Temperaturmessung relevante Infrarotstrahlung im Arbeitsbereich des Sensors nicht durch dieselbe Scheibe übertragen wird.
Daraus folgt:
● Die Position des Laserpunkts kennzeichnet nicht zwangsläufig die tatsächliche Herkunft der gemessenen Infrarotstrahlung;
● Ein Laserstrahl hinter dem Glas beweist nicht, dass das Thermometer durch Glas messen kann;
● Entscheidend sind der Spektralbereich des Thermometers und die Infrarottransmission des Fenstermaterials.
FAQ
Kann ein Infrarot-Thermometer Glas grundsätzlich messen?
Ja. Die Oberflächentemperatur von Glas kann häufig gemessen werden. Emissionsgrad, Reflexion, Oberflächenbehandlung, Messwinkel und thermische Umgebung müssen jedoch berücksichtigt werden.
Kann ein Objekt hinter Glas gemessen werden?
Mit üblichen industriellen Infrarot-Thermometern im Bereich von etwa 8–14 μm ist eine zuverlässige Messung durch gewöhnliches Glas in der Regel nicht möglich.
Warum kann der Laser durch Glas gehen?
Der Ziellaser arbeitet im sichtbaren Spektralbereich. Die Temperaturmessung erfolgt dagegen mit Infrarotstrahlung anderer Wellenlängen. Glas weist in unterschiedlichen Spektralbereichen unterschiedliche Transmissionseigenschaften auf.
Muss beim Messen von Glas der Emissionsgrad eingestellt werden?
Ja. Bei Geräten mit einstellbarem Emissionsgrad sollte dieser an Glasart und Oberflächenzustand angepasst werden.
Warum ändert sich der Messwert mit dem Messwinkel?
Der Messwinkel beeinflusst die Reflexionseigenschaften der Glasoberfläche. Bei großen Winkeln kann der Anteil reflektierter Umgebungsstrahlung zunehmen.
Kann Low-E-Glas wie normales Glas gemessen werden?
Nicht ohne Weiteres. Low-E-Beschichtungen verändern die infraroten Eigenschaften der Oberfläche erheblich.
Wie erkenne ich, ob ich das Glas oder das Objekt dahinter messe?
Bei gewöhnlichem Glas und einem Standardgerät im langwelligen Infrarotbereich sollte grundsätzlich davon ausgegangen werden, dass hauptsächlich die Glasoberfläche gemessen wird. Für Messungen durch Fenster muss die ausreichende Infrarottransmission des Fenstermaterials im Arbeitsbereich des Sensors nachgewiesen sein.
Fazit
Ein verbreiteter Irrtum bei der Infrarot-Temperaturmessung besteht darin, die Transparenz von Glas für sichtbares Licht direkt auf den Infrarotbereich zu übertragen.
Gewöhnliche industrielle Infrarot-Thermometer arbeiten häufig im langwelligen Infrarotbereich. In diesem Spektralbereich ist normales Glas nicht in derselben Weise transparent wie im sichtbaren Licht. Das Messgerät erfasst deshalb vor allem die Wärmestrahlung der Glasoberfläche und reflektierte Umgebungsstrahlung, nicht jedoch zuverlässig die tatsächliche Wärmestrahlung eines Objekts hinter der Scheibe.
Entscheidend ist daher die Unterscheidung zwischen der Messung der Glasoberfläche und einer Messung durch Glas hindurch. Die Oberflächentemperatur kann bei geeigneter Emissionsgradeinstellung, kontrollierter Messgeometrie und reduzierten Reflexionseinflüssen zuverlässig bestimmt werden. Für Messungen durch Schutzfenster werden dagegen speziell geeignete Infrarotfenster und darauf abgestimmte Messsysteme benötigt.
Bei professionellen Anwendungen müssen Spektralbereich, Fenstermaterial, Transmission, Emissionsgrad, Reflexion und optische Geometrie gemeinsam bewertet werden.
