Einleitung

Dass Infrarot-Thermometer Infrarotstrahlung zur Temperaturmessung nutzen, hängt unmittelbar mit der Wärmestrahlung eines Körpers zusammen. Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts gibt elektromagnetische Strahlung ab. In den für Industrie, Wartung, Elektrotechnik, HVAC und viele weitere Anwendungen typischen Temperaturbereichen liegt ein wesentlicher Anteil dieser Strahlung im Infrarotbereich.

Das optische System des Infrarot-Thermometers erfasst die von der Zieloberfläche abgegebene Infrarotstrahlung. Ein Infrarotdetektor wandelt sie in ein elektrisches Signal um. Unter Berücksichtigung von Emissionsgrad, Umgebungseinflüssen und internen Kalibrierdaten berechnet das Gerät daraus die Oberflächentemperatur.

Infrarot-Thermometrie ist somit im Wesentlichen ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung der Oberflächentemperatur anhand der vom Objekt selbst abgegebenen Wärmestrahlung.

Der Laser vieler Handgeräte ist davon zu unterscheiden. Er dient in der Regel lediglich als Zielhilfe und ist nicht für die eigentliche Temperaturmessung verantwortlich.

Das Wichtigste im Überblick

● Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts sendet Wärmestrahlung aus; im üblichen Temperaturbereich liegt ein wichtiger Anteil davon im Infrarotspektrum.
● Infrarot-Thermometer erfassen hauptsächlich die vom Ziel selbst emittierte Infrarotstrahlung und messen die Temperatur nicht durch das Aussenden von Infrarotlicht.
● Die Intensität und spektrale Verteilung der Wärmestrahlung verändern sich mit der Temperatur und ermöglichen deshalb eine berührungslose Messung.
● Infrarot-Thermometrie ermöglicht schnelle Oberflächentemperaturmessungen an heißen, bewegten, spannungsführenden oder schwer erreichbaren Objekten.
● Emissionsgrad, Messabstand, Zielgröße, Oberflächenzustand und Umgebungsbedingungen können das Messergebnis beeinflussen.
● Infrarot-Thermometer erfassen normalerweise die Oberflächentemperatur, nicht die Innentemperatur eines Objekts.

Warum geben Objekte Infrarotstrahlung ab?

Aus physikalischer Sicht besitzen alle Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts thermische Energie. Die Teilchen im Material befinden sich in thermischer Bewegung, wodurch kontinuierlich Energie in Form elektromagnetischer Strahlung abgegeben wird. Dieses Phänomen wird als Wärmestrahlung bezeichnet.

Die Strahlung tritt nicht nur bei einer einzigen Wellenlänge auf, sondern verteilt sich über einen bestimmten Spektralbereich. Mit zunehmender oder abnehmender Temperatur ändern sich sowohl die Strahlungsintensität als auch die spektrale Verteilung.

Bei Raumtemperatur, an Maschinen, elektrischen Komponenten und vielen industriellen Messobjekten liegt ein erheblicher Anteil der Wärmestrahlung im Infrarotbereich.

Ändert sich die Temperatur des Ziels, verändert sich auch dessen Infrarotstrahlung. Genau diesen Zusammenhang nutzt ein Infrarot-Thermometer zur Berechnung der Oberflächentemperatur.

Warum Infrarotstrahlung statt sichtbarem Licht?

Sichtbares Licht stellt nur einen kleinen Bereich des elektromagnetischen Spektrums dar. Bei Raumtemperatur und in den meisten industriellen Temperaturbereichen senden Objekte in der Regel nicht genügend sichtbare Wärmestrahlung aus, um ihre Temperatur anhand der Helligkeit beurteilen zu können.

Ein Maschinengehäuse mit einer Temperatur von beispielsweise einigen zehn Grad Celsius erscheint dem Auge unverändert, gibt jedoch kontinuierlich Infrarot-Wärmestrahlung ab.

Erst bei deutlich höheren Temperaturen verschiebt sich ein Teil der Wärmestrahlung in den sichtbaren Bereich. Stark erhitztes Metall kann beispielsweise zunächst dunkelrot und bei weiter steigender Temperatur zunehmend heller glühen.

Für die meisten praktischen Temperaturmessungen ist sichtbares Licht daher ungeeignet. Infrarotstrahlung ist dagegen bereits in wesentlich niedrigeren und technisch relevanten Temperaturbereichen vorhanden und eignet sich deshalb besonders für berührungslose Temperaturmessungen.

Was misst ein Infrarot-Thermometer tatsächlich?

Ein Infrarot-Thermometer erfasst nicht unmittelbar „Temperatur“, sondern zunächst die von der Zieloberfläche ausgesandte Infrarotstrahlung.

Der grundlegende Messablauf ist:

● Die Oberfläche des Messobjekts gibt Infrarot-Wärmestrahlung ab.
● Das optische System des Thermometers sammelt die Strahlung innerhalb eines definierten Sichtfelds.
● Der Infrarotdetektor wandelt die Strahlungsenergie in ein elektrisches Signal um.
● Das Gerät verarbeitet das Signal unter Berücksichtigung von Emissionsgrad, Gerätetemperatur und weiteren Korrekturparametern.
● Der Mikroprozessor berechnet daraus die Oberflächentemperatur.
● Das Messergebnis wird auf dem Display angezeigt.

Der Vorgang lässt sich vereinfacht darstellen als:

Infrarotstrahlung → elektrisches Signal → Temperaturwert

Warum eignet sich Infrarotstrahlung für berührungslose Messungen?

Bei klassischen Kontaktthermometern muss der Sensor das Messobjekt berühren. Durch Wärmeleitung findet ein Temperaturausgleich zwischen Oberfläche und Sensor statt, bevor ein repräsentativer Messwert ermittelt werden kann.

Bei der Infrarotmessung ist dieser direkte Kontakt nicht erforderlich. Solange die vom Ziel abgegebene Infrarotstrahlung den Detektor erreicht, kann die Oberflächentemperatur bestimmt werden.

Daraus ergeben sich wichtige Vorteile:

● Keine Berührung des Messobjekts erforderlich. Geeignet für empfindliche, schwer zugängliche oder nicht zu berührende Oberflächen.
● Schnelle Reaktion. Ein thermischer Ausgleich zwischen Sensor und Ziel ist nicht erforderlich.
● Geeignet für hohe Oberflächentemperaturen. Heiße Anlagen und Bauteile können aus größerem Abstand kontrolliert werden.
● Geeignet für bewegte Objekte. Beispielsweise rotierende Maschinenteile oder Produkte auf Förderanlagen.
● Praktisch bei bestimmten Prüfungen elektrischer Anlagen. Unter Einhaltung der geltenden Sicherheitsanforderungen ist eine Temperaturkontrolle ohne direkten Messkontakt möglich.

Aus diesen Gründen werden Infrarot-Thermometer häufig in der industriellen Instandhaltung, Elektroprüfung, HVAC-Technik, Maschinenwartung und Prozessüberwachung eingesetzt.

Warum reagieren Infrarot-Thermometer so schnell?

Kontaktfühler benötigen Zeit für den Wärmeübergang zwischen Messobjekt und Sensor. Die Reaktionszeit hängt unter anderem von Bauform, thermischer Masse, Kontaktqualität und Werkstoff ab.

Ein Infrarot-Thermometer erfasst dagegen Wärmestrahlung, die bereits vom Ziel ausgesendet wird. Der Sensor muss nicht erst die Temperatur des Objekts annehmen. Dadurch kann das Messergebnis normalerweise wesentlich schneller ermittelt werden.

Dies ist besonders vorteilhaft bei Prüfungen vieler Messpunkte, etwa an elektrischen Anlagen, Lagern, HVAC-Komponenten, Produktionslinien oder zur schnellen Suche nach thermischen Auffälligkeiten.

Eine kurze Ansprechzeit bedeutet jedoch nicht automatisch, dass jeder Messwert unter allen Bedingungen sofort exakt ist. Messabstand, Zielgröße, starke Umgebungstemperaturwechsel und die thermische Stabilisierung des Geräts können weiterhin eine Rolle spielen.

Warum misst Infrarot-Thermometrie überwiegend Oberflächentemperaturen?

Infrarot-Thermometer erfassen vor allem die Strahlung, die von der Oberfläche eines Objekts abgegeben wird. Der angezeigte Wert entspricht daher normalerweise der Oberflächentemperatur.

Gewöhnliche Hand-Infrarot-Thermometer sind nicht dafür ausgelegt, direkt die Temperatur im Inneren eines Materials zu bestimmen.

Beispiele:

● Bei einem Rohr wird normalerweise die Temperatur der Außenwand gemessen, nicht direkt die Temperatur des Mediums im Inneren.
● Bei Lebensmittelbehältern wird die Temperatur der Oberfläche des Behälters oder des sichtbaren Lebensmittels erfasst.
● Bei einem Motor wird die Temperatur des anvisierten Gehäuse- oder Bauteilbereichs gemessen.
● Bei Glas müssen zusätzlich dessen Transmissions-, Reflexions- und Emissionseigenschaften im relevanten Infrarotbereich berücksichtigt werden.

Für Innentemperaturen sind häufig Thermoelemente, Widerstandstemperaturfühler, Einstichfühler oder andere geeignete Kontaktverfahren erforderlich.

Warum beeinflusst der Emissionsgrad die Messung?

Unterschiedliche Materialien geben bei gleicher Temperatur unterschiedlich viel Infrarotstrahlung ab. Diese Eigenschaft wird durch den Emissionsgrad beschrieben.

Viele nichtmetallische, lackierte, beschichtete oder oxidierte Oberflächen besitzen einen vergleichsweise hohen Emissionsgrad und lassen sich mit Infrarot-Thermometern meist gut messen.

Polierte oder glänzende Metalle weisen dagegen häufig einen niedrigen Emissionsgrad und eine hohe Reflexion auf. In diesem Fall kann das Messgerät zusätzlich zur Eigenstrahlung des Ziels auch reflektierte Infrarotstrahlung aus der Umgebung erfassen.

Dadurch können erhebliche Messabweichungen entstehen.

Eine Infrarotmessung ist daher nicht bei jedem Material automatisch gleich genau. Eine korrekte Einstellung des Emissionsgrads und geeignete Messbedingungen sind entscheidend.

Warum spielt der Messabstand eine Rolle?

Ein Infrarot-Thermometer misst nicht ausschließlich den kleinen Punkt, den der Laser markiert. Es erfasst die mittlere Infrarotstrahlung einer durch die Optik definierten Messfläche.

Mit zunehmendem Abstand wird diese Messfläche normalerweise größer. Das Verhältnis wird häufig als D:S-Verhältnis bzw. Distance-to-Spot Ratio angegeben.

Ist das Messobjekt kleiner als die tatsächliche Messfläche, kann auch Strahlung aus der Umgebung in das Messergebnis einfließen.

Für zuverlässige Messungen gilt daher:

● Das Ziel sollte die Messfläche vollständig ausfüllen.
● Der Messabstand sollte entsprechend dem D:S-Verhältnis gewählt werden.
● Der Durchmesser des Laserpunkts darf nicht mit der tatsächlichen Infrarot-Messfläche gleichgesetzt werden.

Ein größerer Messabstand ist daher nicht grundsätzlich vorteilhafter.

Misst der Laser die Temperatur?

Nein.

Der sichtbare rote Laser vieler Infrarot-Thermometer dient hauptsächlich als Zielhilfe.

Die eigentliche Temperaturbestimmung erfolgt über das Infrarot-Optiksystem und den Detektor, die die vom Messobjekt abgegebene Wärmestrahlung erfassen.

Ein Gerät kann daher auch ohne Laser messen, sofern sein Infrarot-Messsystem ordnungsgemäß funktioniert.

Der Laserpunkt sollte außerdem nicht als exakte Darstellung der vollständigen Messfläche verstanden werden. Die tatsächliche Größe ergibt sich aus der Optik und dem D:S-Verhältnis des Geräts.

Welche Vorteile bietet die Infrarot-Thermometrie?

Das Messprinzip bietet mehrere praktische Vorteile:

● Berührungslose Messung an heißen, bewegten, schwer zugänglichen oder nicht direkt zu berührenden Oberflächen.
● Kurze Reaktionszeit bei Wartung und schneller Kontrolle vieler Messpunkte.
● Kein dauerhaft am Ziel installierter Temperatursensor erforderlich.
● Geringe Beeinflussung der thermischen Eigenschaften des Messobjekts.
● Messung an Stellen, die mit Kontaktfühlern nur schwer erreichbar sind.
● Vergleich mehrerer Oberflächenbereiche zur Erkennung ungewöhnlicher Erwärmungen oder Temperaturunterschiede.

Die Infrarot-Thermometrie ersetzt Kontaktmessungen jedoch nicht vollständig. Beide Verfahren eignen sich für unterschiedliche Aufgaben und sollten entsprechend Material, Temperaturbereich, Genauigkeitsanforderung und gewünschter Messgröße ausgewählt werden.

Welche Faktoren beeinflussen das Messergebnis?

Die Infrarotmessung ist schnell und komfortabel, hängt jedoch stark von den Strahlungseigenschaften des Ziels und den Umgebungsbedingungen ab.

Typische Einflussfaktoren sind:

● Emissionsgrad: Eine falsche Einstellung kann deutliche Messfehler verursachen.
● Oberflächenzustand: Polierte, oxidierte, lackierte, beschichtete oder raue Oberflächen können unterschiedliche Strahlungseigenschaften besitzen.
● Messabstand: Zu große Abstände können dazu führen, dass die Messfläche über das Ziel hinausreicht.
● Zielgröße: Das Messobjekt sollte das Sichtfeld vollständig ausfüllen.
● Reflektierte Strahlung: Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad können Wärmestrahlung benachbarter Objekte reflektieren.
● Optischer Weg: Staub, Rauch, Dampf und bestimmte transparente Materialien können Infrarotstrahlung abschwächen oder verändern.
● Änderung der Umgebungstemperatur: Nach einem Wechsel zwischen stark unterschiedlichen Temperaturen kann eine Stabilisierungszeit erforderlich sein.

Werden diese Faktoren berücksichtigt, kann die Infrarot-Thermometrie ihre Vorteile bei schnellen, flexiblen und berührungslosen Messungen zuverlässig ausspielen.

FAQ

Sendet ein Infrarot-Thermometer Infrarotstrahlung aus, um die Temperatur zu messen?
In der Regel nein. Handgeräte erfassen überwiegend die vom Ziel selbst abgegebene Infrarot-Wärmestrahlung. Der sichtbare Laser dient normalerweise nur zum Anvisieren.

Warum senden alle Objekte Infrarotstrahlung aus?
Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts besitzt thermische Energie und gibt elektromagnetische Strahlung ab. Im üblichen Temperaturbereich liegt ein wesentlicher Teil davon im Infrarotbereich.

Kann ein Infrarot-Thermometer die Innentemperatur messen?
Normalerweise nicht. Standardgeräte messen hauptsächlich die Oberflächentemperatur. Für Innentemperaturen ist meist ein geeigneter Kontaktfühler erforderlich.

Wozu dient der rote Laser?
Er dient hauptsächlich zum Ausrichten des Geräts auf den gewünschten Messbereich und führt die eigentliche Temperaturmessung nicht durch.

Warum sind glänzende Metalle schwieriger zu messen?
Sie besitzen häufig einen niedrigen Emissionsgrad und reflektieren einen großen Anteil der Infrarotstrahlung aus der Umgebung, wodurch das Ergebnis verfälscht werden kann.

Ist Infrarotmessung genauer als Kontaktmessung?
Nicht grundsätzlich. Die Infrarotmessung ist schnell und berührungslos, reagiert jedoch empfindlich auf Emissionsgrad und Oberflächenzustand. Kontaktmessungen sind häufig besser geeignet, wenn eine Innen- oder definierte Kontaktpunkttemperatur benötigt wird.

Fazit

Infrarot-Thermometer nutzen Infrarotstrahlung, weil zwischen der Temperatur eines Objekts und seiner Wärmestrahlung ein messbarer physikalischer Zusammenhang besteht. Im üblichen Temperaturbereich senden Objekte kontinuierlich Infrarotenergie aus, die von geeigneten Detektoren schnell und ohne Berührung erfasst werden kann.

Gegenüber Kontaktverfahren bietet die Infrarot-Thermometrie insbesondere Vorteile bei schnellen Messungen sowie bei heißen, bewegten, schwer zugänglichen oder spannungsführenden Objekten.

Zu beachten ist jedoch, dass hauptsächlich Oberflächentemperaturen gemessen werden und Faktoren wie Emissionsgrad, Zielgröße, Messabstand, Oberflächenzustand, Reflexionen und Umgebungsbedingungen das Ergebnis beeinflussen können. Das Verständnis, dass ein Infrarot-Thermometer die vom Ziel abgegebene Wärmestrahlung erfasst, bildet die Grundlage für eine korrekte Auswahl und Anwendung.