Einleitung

Ein Infrarot-Thermometer misst die Oberflächentemperatur berührungslos, indem es die vom Messobjekt abgegebene Infrarotstrahlung erfasst. Daher liegt die Annahme nahe, dass eine zuverlässige Messung möglich ist, solange eine freie Sicht auf das Messobjekt besteht.

In der Praxis muss die Infrarotstrahlung jedoch den Raum zwischen Messobjekt und Detektor durchqueren. Befinden sich dort größere Mengen an Dampf, Rauch, Staub, Nebel oder anderen Schwebstoffen, kann ein Teil der Strahlung absorbiert oder gestreut werden. Gleichzeitig können diese Medien selbst Wärmestrahlung emittieren.

Daher gilt: Saubere Luft beeinflusst kurze Infrarot-Messstrecken in der Regel nur geringfügig, während dichter Dampf, Rauch, Staub und lange atmosphärische Messwege die Messgenauigkeit deutlich beeinträchtigen können.

Das Wichtigste auf einen Blick

● Saubere Umgebungsluft hat bei kurzen Messentfernungen normalerweise nur einen geringen Einfluss.
● Dichter Dampf kann Infrarotstrahlung absorbieren und streuen und dadurch Messabweichungen verursachen.
● Rauch, Ruß und Staub können die Infrarotübertragung reduzieren und gleichzeitig eigene Wärmestrahlung beitragen.
● Mit zunehmender Messentfernung gewinnen Luftfeuchte, Gasabsorption und Schwebstoffe an Bedeutung.
● Gemessen wird die Infrarotstrahlung innerhalb des Sichtfeldes; der Laser dient lediglich zur Zielausrichtung.
● In belasteten Umgebungen sollte die Messstrecke möglichst kurz und optisch möglichst frei gehalten werden.

Warum kann Luft eine Infrarotmessung beeinflussen?

Der Messablauf lässt sich vereinfacht so darstellen:

Messobjekt emittiert Infrarotstrahlung → Strahlung durchquert die Atmosphäre → Optik erfasst die Strahlung → Detektor empfängt die Energie → Gerät berechnet die Temperatur.

Damit ist auch das Medium zwischen Messobjekt und Messgerät Bestandteil der Messkette.

Die Atmosphäre enthält unter anderem Wasserdampf, Kohlendioxid und Aerosole. Diese Stoffe absorbieren Infrarotstrahlung je nach Wellenlängenbereich unterschiedlich stark.

Viele industrielle Infrarot-Thermometer arbeiten deshalb in sogenannten atmosphärischen Fenstern, häufig im langwelligen Infrarotbereich, in denen normale Luft eine vergleichsweise hohe Transmission aufweist.

Bei typischen kurzen Messentfernungen ist der atmosphärische Einfluss daher meist gering. Mit zunehmender Weglänge oder steigender Konzentration von Wasserdampf, Rauch und Staub kann er jedoch relevant werden.

Wie stark beeinflusst normale Luft die Messung?

Bei den meisten Anwendungen mit handgeführten Infrarot-Thermometern verursacht saubere Luft über Entfernungen von wenigen Zentimetern bis zu einigen Metern normalerweise keine wesentliche Messabweichung.

Typische Anwendungen sind:

● Motorgehäuse;
● Komponenten in Schaltschränken;
● Heizungs-, Lüftungs- und Klimaleitungen;
● Maschinenoberflächen;
● Verpackungsoberflächen;
● Wände und Böden.

In diesen Fällen sind Emissionsgrad, Messfleckgröße, D:S-Verhältnis, reflektierte Hintergrundstrahlung und Gerätegenauigkeit meist wichtiger als der Einfluss sauberer Luft.

Bei Messungen über viele Meter kann sich die Absorption und Streuung durch Wasserdampf, Kohlendioxid und Aerosole jedoch summieren. Bei Langstreckenmessungen muss die atmosphärische Transmission daher stärker berücksichtigt werden.

Warum beeinflusst Dampf die Infrarot-Temperaturmessung?

Dampf tritt häufig in Kesselanlagen, der Lebensmittelverarbeitung, Rohrleitungssystemen, Wärmebehandlungsprozessen und chemischen Anlagen auf.

Wassermoleküle absorbieren Infrarotstrahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen. Befindet sich eine hohe Konzentration an Wasserdampf zwischen Messobjekt und Gerät, kann ein Teil der vom Objekt emittierten Strahlung vor dem Erreichen des Detektors abgeschwächt werden.

Darüber hinaus besitzt der Dampf selbst eine Temperatur und emittiert eigene Wärmestrahlung.

Der Detektor kann deshalb gleichzeitig abgeschwächte Zielstrahlung und vom Dampf emittierte Strahlung empfangen.

Je nach Situation kann der angezeigte Wert über oder unter der tatsächlichen Oberflächentemperatur liegen.

● Ein heißes Messobjekt hinter kühlerem Dampf kann zu einer zu niedrigen Anzeige führen.
● Heißer Dampf oder heiße Gase können die empfangene Strahlungsleistung erhöhen.
● Schwankende Dampfdichte kann zu instabilen Messwerten führen.

Ist das Messobjekt vollständig von dichtem Dampf verdeckt, eignet sich ein übliches handgeführtes Infrarot-Thermometer in der Regel nicht für eine präzise Bestimmung der tatsächlichen Oberflächentemperatur.

Was ist der Unterschied zwischen Wasserdampf und sichtbarem Nebel?

Reiner Wasserdampf ist normalerweise unsichtbar. Die sichtbare weiße Wolke, die im Alltag als „Dampf“ bezeichnet wird, enthält meist feinste kondensierte Wassertröpfchen.

Diese Tröpfchen können Infrarotstrahlung zusätzlich streuen und abschirmen.

Dichter sichtbarer Dampf, Nebel oder Kondensationswolken können die Infrarotmessung daher deutlich stärker beeinflussen als lediglich feuchte Luft.

Ist das Messobjekt durch Nebel visuell kaum erkennbar, sollte auch der Infrarot-Messwert mit entsprechender Vorsicht bewertet werden.

Wie beeinflusst Rauch die Infrarotmessung?

Rauch besteht typischerweise aus Gasen sowie schwebenden festen oder flüssigen Partikeln wie Ruß, Verbrennungsrückständen, Öltröpfchen oder Staub.

Beim Durchgang durch Rauch kann Infrarotstrahlung:

● von Partikeln absorbiert werden;
● gestreut werden;
● durch Eigenstrahlung heißer Rauchgase überlagert werden;
● durch dichten Rauch teilweise oder vollständig abgeschirmt werden.

Mit steigender Rauchkonzentration und längerer Messstrecke nimmt der Einfluss in der Regel zu.

Bei Messungen an Öfen, Abgasleitungen oder Verbrennungsanlagen kann der Detektor daher ein Mischsignal aus Messobjekt, Rauchgasen und Partikeln erfassen.

Ein Messwert durch dichten Rauch sollte deshalb nicht ohne Weiteres als tatsächliche Oberflächentemperatur interpretiert werden.

Kann Staub die Infrarotmessung beeinflussen?

Ja.

In Zementwerken, Bergbau, Holzverarbeitung, Metallbearbeitung und anderen staubintensiven Bereichen können schwebende Partikel Infrarotstrahlung absorbieren oder streuen.

Geringe Staubkonzentrationen sind häufig unkritisch. Eine dichte Staubwolke zwischen Gerät und Messobjekt kann die Messunsicherheit jedoch erhöhen.

Zusätzlich kann sich Staub auf dem Infrarot-Optikfenster bzw. der Linse ablagern.

Staub, Öl, Feuchtigkeit oder Kondensat auf der Optik reduzieren die durchgelassene Infrarotenergie und können auch nach Verlassen der staubigen Umgebung weiterhin Messabweichungen verursachen.

Die Optik sollte daher regelmäßig gemäß den Herstellerangaben kontrolliert und gereinigt werden.

Beeinflusst die Lufttemperatur den Messwert?

Hier sind zwei Effekte zu unterscheiden.

Zum einen kann die Temperatur des Mediums zwischen Messobjekt und Gerät relevant sein. Bei kurzen Messstrecken ist dieser Einfluss meist gering. Heiße Gase, lange Messwege oder stark absorbierende Gase können jedoch die vom Detektor erfasste Strahlung beeinflussen.

Zum anderen spielt die Umgebungstemperatur des Messgerätes selbst eine Rolle.

Wird ein Infrarot-Thermometer schnell von einer kalten in eine warme Umgebung oder umgekehrt gebracht, benötigen Optik und Elektronik Zeit, um ein neues thermisches Gleichgewicht zu erreichen. Vor der Stabilisierung können vorübergehende Messabweichungen auftreten.

Das Gerät sollte daher innerhalb der spezifizierten Umgebungsbedingungen betrieben und nach größeren Temperaturänderungen ausreichend akklimatisiert werden.

Warum verstärkt eine größere Messentfernung den Einfluss der Atmosphäre?

Der atmosphärische Einfluss hängt wesentlich von der Länge des optischen Messwegs ab.

Bei einem Abstand von beispielsweise 20 cm durchquert die Infrarotstrahlung nur eine sehr kurze Luftstrecke.

Bei 5 m, 20 m oder mehr steigt dagegen die Wahrscheinlichkeit für Absorption, Streuung und zusätzliche Wärmestrahlung aus dem Zwischenmedium.

Vereinfacht gilt:

Kurze Messstrecke → geringer atmosphärischer Einfluss;
lange Messstrecke → atmosphärische Transmission wird wichtiger.

Mit zunehmender Entfernung vergrößert sich außerdem der Messfleck.

Das D:S-Verhältnis eines Infrarot-Thermometers beschreibt das Verhältnis zwischen Messentfernung und Messfleckdurchmesser. Ist das Messobjekt kleiner als der Messfleck, fließt auch die Hintergrundstrahlung in das Messergebnis ein.

Fehler bei Langstreckenmessungen entstehen daher nicht ausschließlich durch die Atmosphäre.

Zeigt der Laser, ob Rauch die Messung beeinflusst?

Nein.

Der Laser dient ausschließlich als Zielhilfe. Er ist nicht Teil der eigentlichen Temperaturerfassung.

Auch wenn der sichtbare Laser durch Rauch hindurch das Messobjekt erreicht, kann die für die Temperaturmessung relevante Infrarotstrahlung dennoch absorbiert oder gestreut werden.

Sichtbares Laserlicht und thermische Infrarotstrahlung besitzen unterschiedliche Übertragungseigenschaften.

Ein sichtbarer Laserpunkt ist daher kein Nachweis für eine unverfälschte Infrarotmessung.

Wie lassen sich Messfehler durch Dampf und Rauch reduzieren?

● Messentfernung möglichst kurz halten und gleichzeitig das D:S-Verhältnis beachten.
● Messpositionen mit möglichst geringer Dampf-, Rauch- oder Staubkonzentration wählen.
● Bei intermittierendem Dampf oder Rauch in einer möglichst freien Phase messen.
● Sicherstellen, dass das Messobjekt den gesamten Messfleck ausfüllt.
● Emissionsgrad korrekt einstellen.
● Optik regelmäßig auf Staub, Öl, Feuchtigkeit und Kondensat prüfen.
● Nach größeren Umgebungstemperaturänderungen ausreichend Stabilisierungszeit einplanen.
● Kritische Prozessmessungen bei Bedarf mit Thermoelement, Kontaktthermometer oder einer anderen geeigneten Methode verifizieren.

Ist das Messobjekt dauerhaft von dichtem Dampf oder Rauch verdeckt, kann ein konventionelles handgeführtes Infrarot-Thermometer die tatsächliche Oberflächentemperatur möglicherweise nicht ausreichend zuverlässig bestimmen.

Welche Anwendungen erfordern besondere Aufmerksamkeit?

● Kessel- und Dampfleitungen: Dampf kann sich direkt im Messweg befinden.
● Lebensmittelverarbeitung: Kochen, Sterilisieren und Erhitzen erzeugen hohe Feuchte, Dampf und Nebel.
● Industrieöfen und Verbrennungsanlagen: Rauchgase und heiße Partikel können das Signal beeinflussen.
● Schweiß- und Metallbearbeitung: Rauch und Schwebstoffe können in den Messweg gelangen.
● Zement-, Bergbau- und Holzbearbeitung: Hohe Staubkonzentrationen beeinflussen Transmission und Optik.
● Langstreckenmessungen im Außenbereich: Luftfeuchte, Nebel und Aerosole können die Messunsicherheit erhöhen.

In solchen Anwendungen sollte nicht nur die spezifizierte Gerätegenauigkeit betrachtet werden. Auch die tatsächlichen Umgebungsbedingungen sind Bestandteil der gesamten Messunsicherheit.

FAQ

Kann normale Luft ein Infrarot-Thermometer ungenau machen?
Bei kurzen Messentfernungen in sauberer Luft ist der Einfluss normalerweise sehr gering. Bei langen Messwegen, hoher Luftfeuchte oder starker Partikelbelastung kann er zunehmen.

Kann man durch Dampf hindurch messen?
Geringe Dampfmengen können einen begrenzten Einfluss haben. Dichter Dampf oder Nebel kann jedoch deutliche Messfehler verursachen.

Führt Rauch zu zu hohen oder zu niedrigen Messwerten?
Beides ist möglich. Entscheidend sind Zieltemperatur, Rauchtemperatur, Partikelkonzentration, Wellenlänge und Messstrecke.

Warum ist der Laserpunkt sichtbar, obwohl der Messwert falsch sein kann?
Der Laser dient nur zur Ausrichtung. Die eigentliche Temperaturmessung erfolgt über Infrarotstrahlung, deren Transmission sich von sichtbarem Licht unterscheidet.

Beeinflusst hohe Luftfeuchtigkeit die Messung?
Bei kurzen Messstrecken meist nur gering. Bei sehr hoher Feuchte, langen Messwegen oder sichtbarem Nebel kann der Einfluss deutlich größer werden.

Kann ein Infrarot-Thermometer direkt die Temperatur von Luft oder Dampf messen?
Ein übliches Infrarot-Thermometer ist primär für Oberflächenmessungen ausgelegt. Für Gasmessungen werden spezielle Systeme benötigt, die auf bestimmte Absorptionsbereiche abgestimmt sind.

Beeinflusst Kondenswasser auf der Linse die Messung?
Ja. Feuchtigkeit, Staub oder Öl auf der Optik reduzieren die Infrarottransmission und können Messfehler verursachen.

Fazit

Luft, Dampf und Rauch können Infrarot-Temperaturmessungen beeinflussen, jedoch in sehr unterschiedlichem Ausmaß.

Saubere Luft ist bei kurzen Messentfernungen normalerweise unkritisch. Dichter Dampf, Nebel, Rauch, Ruß und Staub können Infrarotstrahlung absorbieren, streuen oder durch eigene Wärmestrahlung überlagern.

Mit zunehmender Messstrecke und steigender Konzentration störender Medien wächst deren Bedeutung.

Für zuverlässige Messungen sollten der optische Messweg möglichst frei, die Messentfernung möglichst kurz, der Emissionsgrad korrekt eingestellt und die Optik sauber gehalten werden. Kritische Temperaturmessungen sollten bei Bedarf durch ein geeignetes Kontaktmessverfahren überprüft werden.