Einleitung

Ein Infrarot-Thermometer ist ein berührungsloses Temperaturmessgerät. Es misst nicht direkt die Innentemperatur eines Objekts, sondern erfasst die von dessen Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung und berechnet daraus über Sensor, Signalverarbeitung und interne Algorithmen einen Temperaturwert.

Im Laufe der Nutzung können sich die Eigenschaften des Infrarotsensors, der Optik und der elektronischen Komponenten verändern. Auch verschmutzte Linsen, wechselnde Umgebungsbedingungen oder mechanische Belastungen können die Messleistung beeinflussen. Bei Anwendungen mit definierten Genauigkeitsanforderungen ist deshalb eine regelmäßige Kalibrierung sinnvoll.

Das Grundprinzip besteht nicht darin, lediglich „ein Objekt mit bekannter Temperatur“ zu messen. Vielmehr wird die Anzeige unter festgelegten Bedingungen mit einer rückführbaren Referenzstrahlungsquelle verglichen, deren Temperatur und Strahlungseigenschaften bekannt sind.

Das Wichtigste auf einen Blick

● Bei der Kalibrierung wird der Messwert des Infrarot-Thermometers mit einem bekannten Referenzwert verglichen.
● Als Referenz wird häufig ein stabiler Schwarzkörperstrahler mit definierten Strahlungseigenschaften verwendet.
● Das Ergebnis hängt unter anderem von Emissionsgrad, Messabstand, Messwinkel, Umgebungstemperatur und Messfleckgröße ab.
● Abhängig von Messbereich und Anwendung werden üblicherweise mehrere Temperaturpunkte geprüft.
● Kalibrierung und Justierung sind nicht identisch: Die Kalibrierung ermittelt den Messfehler, die Justierung dient dessen Reduzierung.
● Bei einer vollständigen Bewertung müssen auch Referenzmittel, Wiederholbarkeit, Umgebungsbedingungen und Messunsicherheit berücksichtigt werden.

Warum muss ein Infrarot-Thermometer kalibriert werden?

Infrarot-Thermometer werden während der Herstellung normalerweise geprüft und kalibriert. Dennoch kann nicht davon ausgegangen werden, dass ihre messtechnischen Eigenschaften über die gesamte Lebensdauer unverändert bleiben.

● Die Empfindlichkeit des Infrarotsensors kann sich langfristig verändern.
● Staub, Öl oder Beschädigungen auf der Linse können die eingehende Strahlung beeinflussen.
● Verstärker, analoge Schaltungen und A/D-Wandler können einer Drift unterliegen.
● Extreme Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit oder starke Temperaturwechsel können die Messleistung beeinflussen.
● Stöße oder unsachgemäße Lagerung können Optik und interne Baugruppen beeinträchtigen.

Durch die Kalibrierung lässt sich feststellen, ob der aktuelle Messfehler noch innerhalb der zulässigen Grenzen liegt.

Grundprinzip der Kalibrierung

Ein Infrarot-Thermometer ermittelt die Temperatur aus der thermischen Strahlung einer Oberfläche. Grundsätzlich nimmt die abgestrahlte Energie mit steigender Temperatur zu. Bei realen Oberflächen hängt die Strahlungsintensität zusätzlich vom Emissionsgrad ab.

Für die Kalibrierung wird eine stabile Referenzstrahlungsquelle mit bekannten Eigenschaften verwendet. Nachdem sich die Quelle auf dem vorgegebenen Temperaturwert stabilisiert hat, wird das Infrarot-Thermometer in definiertem Abstand und Winkel auf die wirksame Strahlungsfläche ausgerichtet.

Beispiel:

● Referenztemperatur: 100,0 °C
● Anzeige des Infrarot-Thermometers: 101,2 °C
● Anzeigefehler: +1,2 °C

Vereinfacht gilt:

Anzeigefehler = Messwert des Infrarot-Thermometers − Referenztemperatur

Liegt die Anzeige über dem Referenzwert, ist der Fehler positiv; liegt sie darunter, ist er negativ.

Warum wird häufig ein Schwarzkörperstrahler verwendet?

Gewöhnliche Oberflächen können zwar eine bekannte Temperatur haben, ihre Emissions- und Reflexionseigenschaften sowie die Temperaturverteilung sind jedoch häufig nicht ausreichend definiert.

Deshalb kommen bei professionellen IR-Kalibrierungen üblicherweise Schwarzkörperstrahler oder entsprechend ausgelegte Referenzstrahlungsquellen zum Einsatz.

Ein idealer Schwarzkörper absorbiert sämtliche auftreffende Strahlung und sendet thermische Strahlung entsprechend seiner Temperatur aus. Reale Kalibrierquellen nähern sich diesem Verhalten durch geeignete Kavitäten und hoch emittierende Oberflächen an.

Vorteile:

● Stabile Strahlungseigenschaften.
● Definierter effektiver Emissionsgrad.
● Präzise Temperaturregelung.
● Gute Temperaturhomogenität.
● Möglichkeit der messtechnischen Rückführung.

Im Vergleich zu Wasser, Metallplatten oder einfachen Heizflächen werden dadurch Fehler aufgrund unbekannter Oberflächeneigenschaften deutlich reduziert.

Wie wird die Referenztemperatur bestimmt?

Bei einer fachgerechten Kalibrierung ist die Referenztemperatur nicht zwangsläufig identisch mit dem Displaywert des Schwarzkörper-Kalibrators.

Die Referenz wird mithilfe kalibrierter Referenzthermometer oder Temperatursensoren sowie unter Berücksichtigung von Stabilität, Homogenität und Strahlungseigenschaften der Quelle festgelegt.

Eine typische Rückführungskette umfasst:

● Übergeordnetes Temperatur-Normal;
● Kalibriertes Referenzthermometer oder Referenzsensor;
● Schwarzkörperstrahler;
● Zu kalibrierendes Infrarot-Thermometer.

Diese dokumentierte Verknüpfung mit anerkannten Referenzen wird als messtechnische Rückführbarkeit bezeichnet.

Wie läuft eine typische Kalibrierung ab?

Der genaue Ablauf hängt von Gerätetyp, Temperaturbereich und Genauigkeitsanforderung ab. Typische Schritte sind:

● Gerät, Optik und Funktionszustand prüfen.
● Das Infrarot-Thermometer ausreichend an die Kalibrierumgebung akklimatisieren.
● Schwarzkörperstrahler auf den gewünschten Temperaturpunkt einstellen und stabilisieren lassen.
● Gegebenenfalls den richtigen Emissionsgrad am Messgerät einstellen.
● Gerät im festgelegten Abstand und Winkel auf die wirksame Strahlungsfläche ausrichten.
● Stabilen Messwert ablesen und dokumentieren.
● Messwert mit dem Referenzwert vergleichen und den Anzeigefehler bestimmen.
● Messung an weiteren Temperaturpunkten wiederholen.
● Ergebnisse mit den festgelegten Akzeptanzkriterien vergleichen.

Zur Verbesserung der Aussagekraft werden an jedem Temperaturpunkt häufig mehrere Messungen durchgeführt.

Warum werden mehrere Kalibrierpunkte benötigt?

Der Messfehler eines Infrarot-Thermometers ist über den gesamten Temperaturbereich nicht zwangsläufig konstant.

Ein Gerät kann bei Raumtemperatur nur geringe Abweichungen zeigen und bei höheren Temperaturen deutlich stärker abweichen. Eine Einpunktprüfung liefert deshalb nur begrenzte Informationen.

Die Auswahl der Kalibrierpunkte richtet sich typischerweise nach:

● Nennmessbereich;
● Häufig genutztem Arbeitsbereich;
● Angegebener Messgenauigkeit;
● Anforderungen der Anwendung.

Wird ein Gerät beispielsweise überwiegend im Bereich von 100 bis 300 °C eingesetzt, sind mehrere repräsentative Punkte innerhalb dieses Bereichs besonders sinnvoll.

Warum beeinflusst der Emissionsgrad die Kalibrierung?

Der Emissionsgrad beschreibt, wie stark eine reale Oberfläche im Vergleich zu einem idealen Schwarzkörper thermische Strahlung emittiert.

Stimmt die Emissionsgradeinstellung des Infrarot-Thermometers nicht mit den Kalibrierbedingungen überein, kann der berechnete Temperaturwert abweichen.

Vor der Kalibrierung sollte geprüft werden:

● Eingestellter Emissionsgrad des Geräts;
● Vorgabe des Kalibrierverfahrens;
● Einstellbarkeit des Emissionsgrades;
● Erforderliche Kalibrierparameter.

Bei Geräten mit einstellbarem Emissionsgrad muss der für das Verfahren vorgesehene Wert verwendet werden.

Warum ist der Messabstand wichtig?

Der optische Erfassungsbereich eines Infrarot-Thermometers wird üblicherweise über das D:S-Verhältnis beschrieben.

D bezeichnet den Messabstand, S den ungefähren Durchmesser des Messflecks.

Mit zunehmendem Abstand wird der Messfleck größer. Reicht er über die wirksame Strahlungsfläche des Schwarzkörpers hinaus, kann das Gerät zusätzliche Strahlung aus der Umgebung erfassen.

Deshalb gilt:

● Vorgesehenen Messabstand einhalten.
● Messfleck vollständig innerhalb der nutzbaren Strahlungsfläche halten.
● Randbereiche der Kalibrieröffnung vermeiden.

Bei einem kleinen D:S-Verhältnis ist dieser Punkt besonders wichtig.

Warum muss der Messwinkel kontrolliert werden?

Das Gerät sollte möglichst senkrecht zur Referenzfläche ausgerichtet werden.

Ein zu großer Winkel kann:

● Die effektive Messfläche verändern;
● Den optischen Strahlengang beeinflussen;
● Zusätzliche Umgebungsstrahlung erfassen;
● Die Wiederholbarkeit verschlechtern.

Professionelle Kalibrieraufbauten verwenden daher häufig feste Halterungen.

Welchen Einfluss hat die Umgebungstemperatur?

Der Infrarotsensor selbst reagiert auf den thermischen Zustand des Messgeräts. Deshalb verfügen Infrarot-Thermometer normalerweise über eine interne Temperaturkompensation.

Wird ein kaltes Gerät unmittelbar in einen warmen Raum gebracht, kann es vor Erreichen des thermischen Gleichgewichts vorübergehende Abweichungen zeigen.

Für eine zuverlässige Kalibrierung sollten:

● Umgebungstemperaturen möglichst stabil sein;
● Starke Luftströmungen vermieden werden;
● Direkte Sonneneinstrahlung und starke Wärmequellen ausgeschlossen werden;
● Gerät und Umgebung ausreichend lange temperaturmäßig angeglichen werden.

Ist der Laser an der Temperaturkalibrierung beteiligt?

Bei den meisten Hand-Infrarot-Thermometern dient der Laser lediglich als Zielhilfe.

Die Temperaturmessung erfolgt über die Infrarotoptik und den IR-Sensor.

Daraus folgt:

● Der Laserpunkt entspricht nicht dem vollständigen Messfleck.
● Seine Position definiert nicht zwangsläufig das gesamte Sichtfeld.
● Für die Kalibrierung ist der tatsächliche optische Erfassungsbereich entscheidend.

Eine Prüfung der Laserausrichtung kann separat durchgeführt werden, ist jedoch keine Temperaturkalibrierung.

Was ist der Unterschied zwischen Kalibrierung und Justierung?

Kalibrierung bedeutet, die Anzeige mit einer Referenz zu vergleichen und die aktuelle Messabweichung zu bestimmen.

Justierung bedeutet, das Gerät so zu verändern, dass die Messabweichung reduziert wird.

Beispiel:

● Referenz: 100 °C
● Anzeige: 102 °C

Die Kalibrierung ergibt eine Abweichung von etwa +2 °C.

Werden anschließend interne Parameter geändert, sodass das Gerät wieder näher bei 100 °C anzeigt, handelt es sich um eine Justierung.

Ein Gerät kann daher kalibriert werden, ohne dass eine Justierung vorgenommen wird.

Was bedeutet Messunsicherheit bei der Kalibrierung?

Keine reale Messung ist vollständig fehlerfrei. Auch hochwertige Kalibriersysteme besitzen eine definierte Messunsicherheit.

Mögliche Einflussgrößen sind:

● Unsicherheit des Referenzthermometers;
● Temperaturstabilität des Schwarzkörpers;
● Temperaturhomogenität;
● Effektiver Emissionsgrad;
● Anzeigeauflösung;
● Wiederholbarkeit;
● Messabstand und Winkel;
● Änderung der Umgebungstemperatur.

Eine professionelle Kalibrierung bewertet deshalb sowohl die Messabweichung als auch die zugehörige Messunsicherheit.

Wann sollte ein Infrarot-Thermometer erneut geprüft oder kalibriert werden?

Ein allgemeingültiges Kalibrierintervall gibt es nicht. Es sollte anhand von Einsatzhäufigkeit, Umgebungsbedingungen, Genauigkeitsanforderungen und Kalibrierhistorie festgelegt werden.

Eine Überprüfung ist besonders empfehlenswert:

● Bei häufiger oder intensiver Nutzung;
● Nach Einsatz unter extremen Bedingungen;
● Nach Sturz oder mechanischer Belastung;
● Bei auffälligen Abweichungen gegenüber einer zuverlässigen Referenz;
● Nach Reparatur oder Austausch optischer bzw. relevanter interner Komponenten;
● Nach Ablauf des festgelegten Kalibrierintervalls;
● Wenn Messergebnisse wichtige Qualitäts- oder Wartungsentscheidungen beeinflussen.

FAQ

Kann ein Infrarot-Thermometer mit heißem Wasser kalibriert werden?

Für eine einfache Funktionskontrolle kann heißes Wasser verwendet werden, für eine formale Kalibrierung ist es jedoch ungeeignet. Verdunstung, Konvektion, Oberflächentemperatur und Emissionsbedingungen können das Ergebnis beeinflussen.

Warum eignet sich eine normale Metallplatte nicht als Referenz?

Blankes Metall besitzt häufig einen niedrigen Emissionsgrad und reflektiert einen erheblichen Anteil der Umgebungsstrahlung. Dadurch können trotz bekannter Metalltemperatur große IR-Messabweichungen entstehen.

Bedeutet ein korrekter Kalibrierpunkt, dass das Gerät im gesamten Bereich genau ist?

Nein. Die Abweichung kann temperaturabhängig sein. Für eine aussagekräftige Bewertung sind mehrere repräsentative Kalibrierpunkte erforderlich.

Wird das Gerät durch die Kalibrierung automatisch genauer?

Nein. Die Kalibrierung bestimmt zunächst die vorhandene Abweichung. Erst eine anschließende Justierung oder Reparatur kann diese reduzieren.

Beeinflusst eine verschmutzte Linse das Kalibrierergebnis?

Ja. Verunreinigungen können die in die Optik eintretende Infrarotstrahlung verändern und dadurch den Messwert beeinflussen.

Zusammenfassung

Bei der Kalibrierung eines Infrarot-Thermometers wird der angezeigte Temperaturwert unter definierten Bedingungen mit einer bekannten Referenzstrahlungsquelle verglichen.

Professionelle Verfahren nutzen häufig einen stabilen Schwarzkörperstrahler in Verbindung mit einem rückführbaren Referenztemperatursystem. Emissionsgrad, D:S-Verhältnis, Messfleck, Messwinkel, Umgebung und thermische Stabilisierung des Geräts beeinflussen das Ergebnis wesentlich.

Eine Kalibrierung beantwortet daher nicht nur die Frage, ob ein Gerät „richtig misst“, sondern liefert eine quantifizierte und nachvollziehbare Grundlage für die Beurteilung seiner Messleistung.