Einleitung

Infrarotthermometer bestimmen die Temperatur anhand der von einer Oberfläche abgegebenen Infrarotstrahlung. Ist der gesamte Messbereich annähernd gleich temperiert, empfängt der Sensor ein relativ einheitliches Strahlungssignal und der angezeigte Wert kann die Oberflächentemperatur zuverlässig repräsentieren.

In der Praxis sind Oberflächentemperaturen jedoch häufig nicht homogen. Erwärmte Metallteile, laufende Motoren, elektronische Bauteile, Rohrleitungen, Heizplatten, Formen und abkühlende Werkstücke können gleichzeitig wärmere und kältere Bereiche aufweisen.

Diese räumliche Temperaturänderung wird als Temperaturgradient bezeichnet. Erfasst ein Messfleck mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen, zeigt das Gerät nicht die Temperatur eines einzelnen Punktes an. Stattdessen wird ein Temperaturwert aus der gesamten innerhalb des Sichtfeldes empfangenen Infrarotstrahlung berechnet.

Daher kann selbst ein hochgenaues Infrarotthermometer einen Wert anzeigen, der von der erwarteten lokalen Temperatur abweicht, wenn der Messbereich ungeeignet gewählt wurde.

Wichtige Punkte

● Ein Infrarotthermometer misst eine Fläche und keinen mathematisch punktförmigen Bereich.
● Erfasst der Messfleck verschiedene Temperaturzonen, tragen alle diese Bereiche zum gemessenen Strahlungssignal bei.
● Je stärker der Temperaturgradient, desto größer ist in der Regel der Einfluss von Messfleckgröße und Messposition.
● Mit zunehmendem Messabstand vergrößert sich üblicherweise der Messfleck, wodurch leichter benachbarte wärmere oder kältere Bereiche erfasst werden.
● Wärmestrahlung verhält sich nicht linear zur Temperatur. Der angezeigte Wert ist daher kein einfacher arithmetischer Mittelwert der Temperaturen im Messfleck.
● Bei stark ausgeprägten Temperaturgradienten sollte der Messbereich möglichst klein und reproduzierbar gehalten werden.

Was ist ein Temperaturgradient?

Ein Temperaturgradient beschreibt, wie stark sich die Temperatur in Abhängigkeit von der räumlichen Position verändert.

Bei einer Metallplatte, die beispielsweise von der Mitte aus erwärmt wird, kann das Zentrum eine Temperatur von 200°C erreichen, während ein Bereich wenige Zentimeter entfernt nur 150°C und der Rand lediglich 80°C aufweist.

Solche Temperaturverteilungen sind in industriellen Anwendungen häufig:

● Die Mitte und der Rand einer Heizplatte weisen unterschiedliche Temperaturen auf.
● Ein Motorlager ist wärmer als das umgebende Motorgehäuse.
● Eine elektrische Verbindung bildet einen lokalen Hotspot, während der benachbarte Leiter kühler bleibt.
● Änderungen der Fluidtemperatur führen zu unterschiedlichen Temperaturen an einer Rohrwand.
● Formen, Ofenwände und Werkstücke bilden während des Erwärmens oder Abkühlens unterschiedliche Temperaturzonen.
● Bewegte Werkstücke verändern ihre Oberflächentemperatur unmittelbar nach dem Verlassen eines Heizbereichs.

Ein Temperaturgradient verhindert die Messung mit einem Infrarotthermometer nicht. Er erhöht jedoch die Abhängigkeit des Messergebnisses von Messfleckposition, Messfleckgröße und Messzeitpunkt.

Warum Temperaturgradienten das Messergebnis verändern

Der Detektor eines Infrarotthermometers besitzt ein definiertes Sichtfeld. Er empfängt daher Infrarotstrahlung aus einer begrenzten Fläche und nicht aus einem einzelnen Punkt.

Liegt der gesamte Messfleck in einem Bereich mit gleichmäßiger Temperatur, stammt der größte Teil der erfassten Strahlung aus dieser Temperaturzone und der Messwert ist in der Regel stabil.

Deckt ein Teil des Messflecks dagegen einen heißen und ein anderer Teil einen kühleren Bereich ab, empfängt der Sensor gleichzeitig unterschiedliche Strahlungsintensitäten.

Das Gerät wandelt das gesamte empfangene Strahlungssignal anschließend in einen entsprechenden Temperaturwert um. Der angezeigte Wert repräsentiert somit das kombinierte radiometrische Signal des vollständigen Messfeldes.

Ein Messfleck kann beispielsweise gleichzeitig erfassen:

● Einen heißen Zentralbereich;
● Einen angrenzenden Bereich mittlerer Temperatur;
● Einen kühleren Randbereich oder Hintergrund.

Soll ein lokaler Hotspot gemessen werden, kann der angezeigte Wert dadurch unterhalb der tatsächlichen Hotspot-Temperatur liegen. Umgekehrt kann ein warmer Bereich innerhalb des Messflecks den Messwert erhöhen, wenn eigentlich eine kühlere Zone gemessen werden soll.

Der Messwert ist kein einfacher Temperaturmittelwert

Eine häufige Fehlannahme besteht darin, dass ein Messfleck, der zur Hälfte 100°C und zur Hälfte 200°C umfasst, automatisch einen Messwert von 150°C ergeben müsste.

Bei der Infrarot-Temperaturmessung ist dies nicht der Fall.

Das Gerät erfasst zunächst die von den verschiedenen Bereichen abgegebene Infrarotstrahlungsleistung und berechnet daraus unter Berücksichtigung seiner spektralen Empfindlichkeit, des eingestellten Emissionsgrades und der internen Kalibrierung einen Temperaturwert.

Wärmestrahlung steht in einem nichtlinearen Verhältnis zur absoluten Temperatur. Ein heißerer Bereich kann daher einen überproportional großen Anteil am Gesamtsignal haben.

Zusätzlich wird das Ergebnis beeinflusst durch:

● Den Flächenanteil der einzelnen Temperaturzonen im Messfleck;
● Die tatsächliche Temperatur der einzelnen Bereiche;
● Den Emissionsgrad der jeweiligen Oberflächen;
● Den spektralen Messbereich des Geräts;
● Die optischen Eigenschaften des Sichtfeldes;
● Reflektierte Wärmestrahlung aus der Umgebung.

Bei deutlich inhomogenen Temperaturverteilungen ist der angezeigte Wert daher besser als äquivalente Strahlungstemperatur des gesamten Messfeldes zu verstehen und nicht als arithmetischer Mittelwert mehrerer lokaler Temperaturen.

Ein größerer Messfleck verstärkt in der Regel den Einfluss von Temperaturgradienten

Infrarotthermometer werden häufig über das D:S-Verhältnis spezifiziert.

D bezeichnet den Messabstand, S die zugehörige Messfleckgröße.

Mit zunehmendem Abstand vergrößert sich normalerweise auch die erfasste Fläche.

Bei einer thermisch homogenen Oberfläche ist ein etwas größerer Messfleck häufig unkritisch. Bei ausgeprägten Temperaturgradienten kann ein größerer Messfleck jedoch mehrere Temperaturzonen gleichzeitig erfassen und lokale Temperaturspitzen abschwächen.

Soll beispielsweise die Temperatur eines kleinen, heißen Lagerbereichs erfasst werden, kann ein zu großer Messabstand dazu führen, dass zusätzlich kühlere Maschinenteile in den Messfleck gelangen. Der angezeigte Wert kann dann unterhalb der tatsächlichen Temperatur des Lagers liegen.

Bei kleinen Zielbereichen mit starken Temperaturgradienten sollte daher nicht nur das Ziel größer als der Messfleck sein; der tatsächlich interessierende Temperaturbereich sollte das Messfeld möglichst vollständig ausfüllen.

Je größer der Temperaturgradient, desto wichtiger ist die Messposition

Ändert sich die Oberflächentemperatur nur langsam, beispielsweise von 50°C auf 55°C, führt eine geringfügige Verschiebung des Messpunkts meist zu keiner großen Abweichung.

Liegt dagegen ein steiler Temperaturgradient vor, etwa ein elektronisches Bauteil mit 100°C direkt neben einer Fläche mit 30°C, kann bereits eine Verschiebung um wenige Millimeter den Anteil der heißen und kalten Bereiche im Messfleck deutlich verändern.

Dadurch kann sich auch die Anzeige merklich verändern.

Bei wiederholten Messungen lokaler Hotspots sollten deshalb möglichst konstant bleiben:

● Messposition;
● Messabstand;
● Messwinkel;
● Betriebszustand des Messobjekts;
● Emissionsgradeinstellung.

Ändern sich diese Bedingungen, kann die Wiederholbarkeit der Messung eingeschränkt sein, auch wenn sich die tatsächliche Zieltemperatur kaum verändert hat.

Schnelle Temperaturänderungen stellen zusätzlich eine zeitliche Herausforderung dar

Neben räumlichen Temperaturgradienten können sich Temperaturen auch sehr schnell mit der Zeit verändern.

Typische Beispiele sind:

● Werkstücke unmittelbar nach dem Verlassen eines Ofens;
● Schnell abkühlende Metalloberflächen;
● Heizelemente unmittelbar nach dem Einschalten;
● Bewegtes Material in einer kontinuierlichen Heizstrecke;
● Maschinen während des Anfahrens oder Abschaltens.

In diesen Fällen kann sich die Zieltemperatur weiter verändern, obwohl das Infrarotthermometer auf dieselbe Position gerichtet bleibt.

Jedes Infrarotthermometer besitzt eine definierte Ansprechzeit. Ändert sich die Zieltemperatur schneller, als das Gerät reagieren kann, kann die Anzeige der tatsächlichen Temperatur zeitlich hinterherlaufen.

Bei dynamischen Messungen sind daher zwei Aspekte zu berücksichtigen:

● Räumlicher Temperaturgradient – befinden sich unterschiedliche Temperaturen innerhalb eines Messflecks?
● Zeitliche Temperaturänderung – verändert sich die Zieltemperatur schneller als die Ansprechzeit des Geräts?

Treten beide Effekte gleichzeitig auf, wird die Interpretation des Messergebnisses anspruchsvoller.

Temperaturgradienten bei bewegten Messobjekten erfordern besondere Aufmerksamkeit

Bei Förderbändern, rotierenden Komponenten und kontinuierlichen Produktionsprozessen können unterschiedliche Bereiche eines bewegten Objekts unterschiedliche Temperaturen besitzen.

Passiert ein kleiner Hotspot schnell das Sichtfeld des Infrarotthermometers, verändert sich das empfangene Strahlungssignal während der Hotspot in den Messfleck eintritt, ihn ausfüllt und wieder verlässt.

Bei hoher Geschwindigkeit, kleinem Hotspot oder großem Messfleck kann das Gerät den maximalen Temperaturwert unter Umständen nicht vollständig erfassen. Die Spitzentemperatur kann dadurch unterschätzt werden.

Entscheidend sind insbesondere:

● Ansprechzeit des Geräts;
● Messfleckgröße;
● Geschwindigkeit des Messobjekts;
● Tatsächliche Größe des Hotspots;
● Reproduzierbarkeit der Messposition.

Für kleine Hotspots auf schnell bewegten Objekten sind daher häufig eine kurze Ansprechzeit und ein geeignetes optisches D:S-Verhältnis erforderlich.

Unterschiedliche Emissionsgrade erhöhen die Komplexität zusätzlich

Unterschiedliche Bereiche eines realen Messobjekts können sich nicht nur hinsichtlich ihrer Temperatur, sondern auch hinsichtlich ihrer Oberflächenbeschaffenheit unterscheiden.

Eine Metalloberfläche kann beispielsweise gleichzeitig folgende Bereiche aufweisen:

● Oxidierte Flächen;
● Polierte Flächen;
● Ölverschmutzte Flächen;
● Beschichtete Flächen;
● Unbeschichtete Metallflächen.

Diese Bereiche können deutlich unterschiedliche Emissionsgrade besitzen.

Dadurch können selbst Flächen mit identischer tatsächlicher Temperatur unterschiedliche effektive Infrarotsignale erzeugen. Liegen solche Flächen innerhalb desselben Messflecks, wird das Ergebnis sowohl durch Temperaturgradienten als auch durch unterschiedliche Emissionsgrade beeinflusst.

Bei Metallen mit niedrigem Emissionsgrad, reflektierenden Oberflächen oder inhomogenen Oberflächenzuständen reicht eine Reduzierung des Messflecks daher nicht immer aus. Auch Emissionsgradeinstellung und reflektierte Hintergrundtemperatur müssen berücksichtigt werden.

Wie sich Messabweichungen durch Temperaturgradienten reduzieren lassen

Bei Messobjekten mit deutlich ungleichmäßiger Oberflächentemperatur können folgende Maßnahmen die Zuverlässigkeit verbessern:

● Messabstand reduzieren. Soweit optische Auslegung und Anwendung dies zulassen, verkleinert ein geringerer Abstand den Messfleck und reduziert den Einfluss benachbarter Bereiche.
● D:S-Verhältnis beachten. Die tatsächliche Messfleckgröße am vorgesehenen Abstand sollte ermittelt werden; der Laserpunkt allein beschreibt den Messbereich nicht.
● Zielbereich möglichst vollständig erfassen. Bei lokalen Hotspots sollte sich der gesamte Messfleck möglichst innerhalb des interessierenden Bereichs befinden.
● Messposition konstant halten. Für Vergleichsmessungen sollten Position, Abstand und Winkel gleich bleiben.
● Temperaturgrenzen vermeiden. Der Messfleck sollte möglichst nicht direkt über einer scharfen Grenze zwischen einem heißen und einem kalten Bereich liegen.
● Ansprechzeit berücksichtigen. Bei schnellen Heiz-, Kühl- oder Bewegungsprozessen muss die Reaktionsgeschwindigkeit des Geräts ausreichend sein.
● Emissionsgradunterschiede prüfen. Unterschiedliche Oberflächenzustände innerhalb des Messfeldes müssen zusätzlich bewertet werden.

Bei Trendmessungen ist die Konstanz der Messbedingungen häufig wichtiger als ein einzelner isolierter Messwert.

Praxisbeispiel

Angenommen, auf einer laufenden Maschine befindet sich ein lokaler Hotspot mit einem Durchmesser von etwa 20 mm und einer Temperatur von 120°C. Das umgebende Gehäuse hat dagegen nur etwa 50°C.

Erzeugt das Infrarotthermometer am gewählten Messabstand einen Messfleck von 10 mm und liegt dieser vollständig innerhalb des Hotspots, kann der Messwert die tatsächliche Hotspot-Temperatur relativ gut repräsentieren.

Wird der Abstand so weit vergrößert, dass der Messfleck einen Durchmesser von 40 mm erreicht, umfasst die Messfläche neben dem 20-mm-Hotspot einen erheblichen Anteil des kühleren Gehäuses.

Der Sensor empfängt nun Strahlung aus beiden Bereichen. Der angezeigte Wert kann dadurch deutlich unterhalb der tatsächlichen Temperatur im Zentrum des Hotspots liegen.

Dies ist kein Gerätefehler. Es bedeutet, dass der Messfleck nicht mehr klein genug ist, um den lokalen Hochtemperaturbereich räumlich getrennt zu erfassen.

FAQ

Führt ein Temperaturgradient dazu, dass ein Infrarotthermometer ungenau misst?
Ein Temperaturgradient kann den Messwert beeinflussen. Genauer gesagt kann die Anzeige von der Temperatur eines bestimmten lokalen Punktes abweichen, wenn der Messfleck mehrere Temperaturzonen umfasst. Das Gerät reagiert auf die kombinierte Strahlung innerhalb seines Sichtfeldes.

Ist ein kürzerer Messabstand immer genauer?
Nicht grundsätzlich. Ein kleinerer Abstand reduziert häufig die Messfleckgröße und ist für kleine Hotspots vorteilhaft. Entscheidend ist jedoch, dass die Messung innerhalb der optischen Spezifikation des Geräts erfolgt und der interessierende Zielbereich den Messfleck ausreichend ausfüllt.

Reicht es aus, den Laser auf den heißesten Punkt zu richten?
Nein. Der Laser dient hauptsächlich als Zielhilfe und stellt nicht die vollständige Größe des Infrarot-Messflecks dar. Selbst wenn der Laser auf dem Hotspot liegt, kann die Anzeige zu niedrig sein, wenn der tatsächliche Messfleck gleichzeitig größere kühlere Bereiche erfasst.

Warum ändert sich der Messwert stark, wenn das Gerät nur geringfügig bewegt wird?
Bei einem steilen Temperaturgradienten verändert bereits eine kleine Verschiebung den Flächenanteil heißer und kalter Zonen im Messfleck. Ein kleinerer Messfleck und eine reproduzierbare Messposition verbessern die Vergleichbarkeit.

Kann ein Infrarotthermometer die höchste Temperatur innerhalb eines Temperaturgradienten finden?
Ein punktmessendes Infrarotthermometer liefert hauptsächlich den Temperaturwert des aktuellen Messfeldes. Soll die gesamte Temperaturverteilung sichtbar gemacht und ein Hotspot lokalisiert werden, ist eine Wärmebildkamera in der Regel besser geeignet. Ist die Position des Hotspots bereits bekannt, kann ein Infrarotthermometer mit geeignetem D:S-Verhältnis und ausreichender Ansprechgeschwindigkeit für die gezielte Messung eingesetzt werden.

Fazit

Temperaturgradienten gehören zu den wichtigen Einflussgrößen bei der berührungslosen Infrarot-Temperaturmessung.

Ein Infrarotthermometer misst keinen unendlich kleinen Punkt, sondern erfasst Infrarotstrahlung aus einem definierten Messfleck. Enthält dieser Messfleck Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen, basiert der angezeigte Wert auf deren kombiniertem Strahlungssignal. Er entspricht weder zwingend der Temperatur eines einzelnen Bereichs noch einem einfachen arithmetischen Mittelwert.

Je stärker der Temperaturgradient, desto größer ist in der Regel der Einfluss von Messfleckgröße, Messabstand, Zielposition, Bewegung des Messobjekts und Ansprechzeit des Geräts.

In der Praxis sollte der Messabstand so gewählt werden, dass der relevante Zielbereich den Messfleck möglichst vollständig ausfüllt. Bei wiederholten Messungen sollten Position, Winkel und Messbedingungen konstant gehalten werden.

Bei lokalen Hotspots ist das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Temperaturgradient und Messfleckgröße eine wesentliche Voraussetzung für zuverlässige Infrarot-Temperaturdaten.