Einleitung

Bei der Verwendung eines Infrarot-Thermometers werden meist Messabstand, D:S-Verhältnis und Emissionsgrad berücksichtigt. Der Winkel zwischen Gerät und Messoberfläche wird dagegen häufig unterschätzt.

Ein Infrarot-Thermometer misst nicht die Temperatur des Laserpunktes. Es erfasst vielmehr die Infrarotstrahlung aus einem definierten Bereich innerhalb seines optischen Sichtfeldes.

Wird das Gerät stark schräg zur Oberfläche ausgerichtet, vergrößert und verlängert sich die effektive Messfläche. Dadurch können benachbarte Flächen leichter in das Sichtfeld gelangen. Bei stark reflektierenden Materialien kann sich zusätzlich der Anteil der aus der Umgebung reflektierten Infrarotstrahlung verändern.

Soweit möglich, sollte das Infrarot-Thermometer deshalb annähernd senkrecht zur Messoberfläche ausgerichtet werden.

Das Wichtigste im Überblick

● Das Gerät sollte möglichst nahe an der Senkrechten zur Messoberfläche ausgerichtet werden.
● Mit zunehmendem schrägen Messwinkel wird die effektive Messfläche größer und stärker elliptisch.
● Deckt das Messobjekt den gesamten Messfleck nicht ab, kann die Umgebung den Messwert beeinflussen.
● Bei stark reflektierenden Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad kann sich mit dem Winkel auch der Anteil reflektierter Wärmestrahlung ändern.
● Messwinkel, Messabstand, D:S-Verhältnis und Zielgröße müssen gemeinsam betrachtet werden.
● Der Laser dient hauptsächlich zur Zielerfassung und entspricht nicht der gesamten Infrarot-Messfläche.

Was bedeutet der Messwinkel bei einem Infrarot-Thermometer?

Der Messwinkel beschreibt die Ausrichtung der optischen Achse des Infrarot-Thermometers relativ zur Oberfläche des Messobjekts.

Als bevorzugte Messrichtung kann eine Ausrichtung betrachtet werden, bei der die optische Achse möglichst nahe an der Oberflächennormale liegt.

Bei einer ebenen Metallfläche gilt beispielsweise:

● Bei nahezu senkrechter Ausrichtung bleibt die Messfläche vergleichsweise kompakt.
● Bei schräger Ausrichtung wird dasselbe Sichtfeld auf eine größere Fläche projiziert.
● Bei sehr großen Winkeln kann die Messfläche Bereiche außerhalb des eigentlichen Ziels erfassen.

Der Messwinkel bestimmt somit nicht nur die Zielrichtung, sondern auch die tatsächlich erfasste Oberfläche.

Warum beeinflusst der Messwinkel das Messergebnis?

Das optische System eines Infrarot-Thermometers sammelt Infrarotstrahlung aus einem definierten Sichtfeld und führt diese dem Detektor zu.

Bei annähernd senkrechter Messung wird dieses Sichtfeld relativ kompakt auf die Oberfläche projiziert. Mit zunehmender Schrägstellung wird die Projektion in Richtung der Neigung verlängert.

In einem vereinfachten geometrischen Modell nimmt die projizierte Länge ungefähr proportional zu 1/cosθ zu, wenn θ den Winkel zwischen optischer Achse und Oberflächennormale beschreibt.

Bei kleinen Winkeln ist der Effekt oft gering. Bei größeren Winkeln wird die Vergrößerung jedoch zunehmend relevant.

Für praktische Anwendungen sind stets die vom Hersteller angegebenen Werte für D:S-Verhältnis und Sichtfeld maßgeblich.

Aus dem Messfleck wird eine elliptische Messfläche

Bei nahezu senkrechter Messung einer ebenen Fläche kann der Messfleck vereinfacht als annähernd rund betrachtet werden.

Bei schräger Messung wird die projizierte Fläche in einer Richtung gestreckt und zunehmend elliptisch.

Das ist insbesondere bei kleinen Messobjekten relevant, zum Beispiel:

● Dünnen Rohren;
● Lagern;
● Elektrischen Anschlussstellen;
● Bauteilen auf Leiterplatten;
● Kleinen Heizelementen.

Auch wenn der Laserpunkt weiterhin auf der Mitte des Messobjekts liegt, kann ein Teil der tatsächlichen Infrarot-Messfläche bereits außerhalb des Ziels liegen.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Messwinkel und D:S-Verhältnis?

D:S steht für Distance-to-Spot Ratio, also das Verhältnis zwischen Messabstand und Messfleckdurchmesser.

Bei einem Infrarot-Thermometer mit einem D:S-Verhältnis von 12:1 entspricht ein Abstand von etwa 1200 mm unter idealisierten Bedingungen einem Messfleck von ungefähr 100 mm Durchmesser.

Wird das Gerät stark schräg ausgerichtet:

● Bleibt der eigentliche Messabstand möglicherweise unverändert;
● Bleibt das optische Sichtfeld des Geräts unverändert;
● Vergrößert sich jedoch die auf die Oberfläche projizierte Messfläche.

Deshalb reicht eine reine Betrachtung des D:S-Verhältnisses bei kleinen Zielen nicht aus. Der Messwinkel muss zusätzlich berücksichtigt werden.

Das Messobjekt muss größer als die effektive Messfläche sein

Eine Grundregel der Infrarot-Thermometrie lautet: Das Messobjekt sollte das gesamte Sichtfeld des Geräts abdecken.

Ist das Ziel kleiner als die Messfläche, empfängt der Detektor Strahlung sowohl vom Ziel als auch vom Hintergrund.

Beispielsweise kann ein Rohr eine tatsächliche Oberflächentemperatur von 120 °C haben, während die dahinterliegende Wand nur 25 °C warm ist. Erfasst das Sichtfeld beide Flächen, kann der angezeigte Wert deutlich unter der tatsächlichen Rohrtemperatur liegen.

Für zuverlässige Messungen sollte das Ziel deshalb deutlich größer als der theoretische Messfleck sein.

Der Messwinkel kann auch das Emissionsverhalten beeinflussen

Ideale diffus abstrahlende Oberflächen zeigen über verschiedene Betrachtungsrichtungen hinweg ein relativ gleichmäßiges Strahlungsverhalten.

Reale Werkstoffe weichen davon ab. Mit zunehmender Abweichung von der Oberflächennormale können sich richtungsabhängige Emissions- und Reflexionseigenschaften verändern.

Besonders relevant ist dies bei:

● Poliertem Metall;
● Edelstahl;
● Aluminium;
● Kupfer;
● Verchromten Oberflächen;
● Glattem Glas;
● Glänzenden Kunststoffen;
● Anderen niedrig emittierenden oder stark reflektierenden Materialien.

Daher kann sich der Messwert mit dem Betrachtungswinkel ändern, obwohl die Emissionsgradeinstellung unverändert bleibt.

Warum reagieren Metalloberflächen besonders empfindlich auf den Messwinkel?

Blankes Metall weist häufig einen niedrigen Emissionsgrad und eine hohe Infrarot-Reflexion auf.

Der Detektor kann daher nicht nur Eigenstrahlung des Messobjekts, sondern auch reflektierte Wärmestrahlung aus der Umgebung erfassen.

Typische Quellen sind:

● Heizgeräte;
● Öfen;
● Heiße Rohrleitungen;
● Personen;
● Sonnenbeschienene Flächen;
● Andere deutlich wärmere oder kältere Objekte.

Wird der Betrachtungswinkel verändert, kann sich auch die Richtung ändern, aus der Umgebungsstrahlung zum Detektor reflektiert wird.

Unterschiedliche Messergebnisse bei verschiedenen Winkeln müssen deshalb nicht auf einen Gerätefehler hinweisen.

Führt ein größerer Messwinkel immer zu einem größeren Fehler?

Nicht zwangsläufig.

Ist das Messobjekt:

● Deutlich größer als die Messfläche;
● Hoch emittierend;
● Annähernd diffus abstrahlend;
● Temperaturmäßig homogen;
● Frei von starken Reflexionen aus der Umgebung;

können moderate Winkeländerungen nur geringe Auswirkungen haben.

Schwarzer Gummi, lackierte Oberflächen, Papier oder Holz sind im Allgemeinen weniger empfindlich als poliertes Metall.

Mit zunehmender Schrägstellung steigt jedoch typischerweise die Messunsicherheit.

Muss immer exakt im 90°-Winkel gemessen werden?

Nein. Eine exakt geometrische 90°-Ausrichtung ist nicht in jeder Anwendung erforderlich.

In industriellen Anlagen können Konstruktion, Rohrführungen oder Sicherheitsabstände eine vollständig senkrechte Messung verhindern.

Dann gilt:

● Übermäßig große Messwinkel vermeiden;
● Sicherstellen, dass das Ziel die gesamte Messfläche abdeckt;
● Hintergrundflächen aus dem Sichtfeld ausschließen;
● Bei Vergleichsmessungen Position und Winkel konstant halten;
● Bei niedrigem Emissionsgrad besonders auf Reflexionen achten.

Herstellerspezifische Vorgaben haben stets Vorrang.

Zeigt der Laser, ob der Messwinkel korrekt ist?

Nicht vollständig.

Der Laser dient lediglich als Zielhilfe.

Wichtig ist:

● Der Laser misst keine Temperatur;
● Der Detektor erfasst Infrarotstrahlung aus einer Fläche;
● Die tatsächliche Messfläche ist deutlich größer als der Laserpunkt;
● Bei schräger Messung kann die Messfläche das Ziel überschreiten, obwohl der Laser noch mittig darauf liegt.

Laserposition, D:S-Verhältnis, Messabstand, Zielgröße und Winkel müssen gemeinsam bewertet werden.

Wie lässt sich der Messwinkel richtig kontrollieren?

Zur Verringerung winkelbedingter Messfehler:

● Möglichst direkt ausrichten. Die optische Achse sollte möglichst nahe an der Oberflächennormale liegen.
● Starke Schrägstellung vermeiden. Bei größeren Winkeln prüfen, ob das gesamte Sichtfeld innerhalb des Ziels bleibt.
● Messabstand reduzieren. Bei kleinen Zielen verringert ein kürzerer Abstand den nominalen Messfleck.
● D:S-Verhältnis berücksichtigen. Unterschiedliche Geräte besitzen unterschiedliche optische Eigenschaften.
● Ausreichend große Ziele verwenden. Das Ziel sollte deutlich größer als der nominale Messfleck sein.
● Reflexionen minimieren. Besonders bei blankem Metall sind reflektierte Wärmequellen zu beachten.
● Messbedingungen konstant halten. Position, Abstand und Winkel sollten bei Wiederholungsmessungen möglichst gleich bleiben.

Warum ist ein konstanter Messwinkel für Trendmessungen wichtig?

In der industriellen Instandhaltung werden Infrarotmessungen häufig genutzt, um Temperaturänderungen über längere Zeit zu erkennen.

Typische Messstellen sind:

● Motorgehäuse;
● Lager;
● Elektrische Anlagen;
● Anschlussstellen;
● HVAC-Leitungen;
● Heizsysteme.

Wird eine Messung nahezu senkrecht und die nächste aus einem deutlich anderen Winkel durchgeführt, können die unterschiedlichen Werte sowohl auf eine tatsächliche Temperaturänderung als auch auf veränderte Messbedingungen zurückzuführen sein.

Für Trendanalysen sollten Position, Abstand und Messrichtung deshalb möglichst standardisiert werden.

Wann ist der Messwinkel besonders kritisch?

Besondere Aufmerksamkeit ist erforderlich, wenn:

● Das Messobjekt klein ist;
● Der Messabstand groß ist;
● Das Gerät ein relativ kleines D:S-Verhältnis besitzt;
● Glänzendes Metall gemessen wird;
● Der Emissionsgrad niedrig ist;
● Heiße Anlagen in der Nähe stehen;
● Zwischen Ziel und Hintergrund große Temperaturunterschiede bestehen;
● Wiederholungsmessungen durchgeführt werden;
● Temperaturtrends verglichen werden;
● Lokale Hotspots untersucht werden.

In diesen Fällen sollten Winkel, Abstand, Zielgröße, Emissionsgrad und Umgebungsreflexion gemeinsam beurteilt werden.

FAQ

Ist eine schräge Messung mit einem Infrarot-Thermometer immer ungenau?

Nein. Bei ausreichend großem Ziel, hohem Emissionsgrad und gleichmäßiger Temperatur können kleinere Winkeländerungen nur geringen Einfluss haben. Mit zunehmendem Winkel steigt jedoch das Risiko zusätzlicher Messabweichungen.

Welche Messrichtung ist am besten?

Die optische Achse sollte möglichst nahe an der Senkrechten zur Messoberfläche liegen.

Warum zeigt dieselbe Stelle aus verschiedenen Winkeln unterschiedliche Temperaturen?

Mögliche Ursachen sind eine veränderte Messfläche, Hintergrundanteile im Sichtfeld, richtungsabhängiger Emissionsgrad oder reflektierte Wärmestrahlung.

Warum kann der Wert falsch sein, obwohl der Laser genau auf dem Ziel liegt?

Weil der Laser nur zur Zielausrichtung dient. Tatsächlich misst das Gerät die Infrarotstrahlung aus einer deutlich größeren Fläche.

Was ist wichtiger: Messwinkel oder Messabstand?

Beide Faktoren sind relevant. Der Abstand beeinflusst den nominalen Messfleck, der Winkel dessen Projektion auf der Oberfläche.

Warum sollte der Winkel bei Metalloberflächen möglichst konstant bleiben?

Glänzende Metalle besitzen häufig einen niedrigen Emissionsgrad und eine hohe Infrarot-Reflexion. Der Messwinkel kann daher den Anteil der reflektierten Umgebungsstrahlung verändern.

Zusammenfassung

Der Messwinkel ist ein wichtiger Einflussfaktor bei berührungslosen Infrarot-Temperaturmessungen.

Bei schräger Ausrichtung wird die effektive Messfläche größer und elliptischer. Dadurch können umliegende Flächen leichter in das Sichtfeld gelangen. Bei stark reflektierenden Materialien kann sich zusätzlich der Anteil reflektierter Wärmestrahlung verändern.

Für zuverlässige Messungen sollten Messwinkel, Messabstand, D:S-Verhältnis, Zielgröße, Emissionsgrad und Umgebungsreflexion gemeinsam berücksichtigt werden.

Eine möglichst direkte Ausrichtung sowie konstante Position, Abstand und Winkel verbessern Wiederholbarkeit, Vergleichbarkeit und Zuverlässigkeit der Messwerte.