Einleitung
In Datenblättern von Infrarot-Thermometern finden sich häufig sowohl Angaben zur Genauigkeit als auch zur Wiederholbarkeit. Beide Kennwerte beschreiben die Messleistung, sind jedoch nicht gleichbedeutend.
Vereinfacht gesagt beantwortet die Genauigkeit die Frage, wie nahe der Messwert am tatsächlichen Temperaturwert liegt, während die Wiederholbarkeit zeigt, wie ähnlich mehrere Messwerte unter gleichen Bedingungen ausfallen.
Ein Infrarot-Thermometer kann daher eine sehr gute Wiederholbarkeit besitzen und dennoch einen konstanten Messfehler gegenüber dem tatsächlichen Temperaturwert aufweisen.
Das Wichtigste im Überblick
● Die Genauigkeit beschreibt die Übereinstimmung zwischen Messwert und tatsächlichem beziehungsweise Referenzwert.
● Die Wiederholbarkeit beschreibt die Übereinstimmung mehrerer Messungen unter identischen Bedingungen.
● Eine gute Wiederholbarkeit bedeutet nicht automatisch eine hohe Messgenauigkeit.
● Die Genauigkeit wird unter anderem durch Geräteeigenschaften, Emissionsgrad, Umgebungstemperatur, Messabstand und Zielgröße beeinflusst.
● Die Wiederholbarkeit ist vor allem ein Maß für die Stabilität der Messergebnisse.
● Für eine fundierte Bewertung sollten Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Prüfbedingungen gemeinsam betrachtet werden.
Was bedeutet Messgenauigkeit bei einem Infrarot-Thermometer?
Die Messgenauigkeit beschreibt, wie stark der angezeigte Temperaturwert vom tatsächlichen Wert des Messobjekts oder von einer definierten Referenztemperatur abweicht.
Beträgt die Temperatur einer Referenzquelle beispielsweise 100°C und das Infrarot-Thermometer zeigt 99,5°C an, beträgt die Abweichung -0,5°C. Bei einer Anzeige von 102°C liegt die Abweichung bei +2°C.
Typische Angaben zur Messgenauigkeit sind beispielsweise:
● ±1°C
● ±1,5°C
● ±1,5 % vom Messwert
● ±2°C oder ±2 % vom Messwert, je nachdem, welcher Wert größer ist
Die spezifizierte Genauigkeit kann sich je nach Temperaturbereich unterscheiden. Deshalb sollten neben dem angegebenen Genauigkeitswert immer auch der zugehörige Messbereich und die vom Hersteller definierten Prüfbedingungen berücksichtigt werden.
Was bedeutet Wiederholbarkeit bei einem Infrarot-Thermometer?
Die Wiederholbarkeit beschreibt, wie ähnlich die Messergebnisse ausfallen, wenn dasselbe Messobjekt mit demselben Gerät unter weitgehend unveränderten Bedingungen mehrfach hintereinander gemessen wird.
Beispielsweise könnten fünf Messungen eines temperaturstabilen Objekts folgende Werte ergeben:
● 100,1°C
● 100,0°C
● 100,1°C
● 99,9°C
● 100,0°C
Die Messwerte liegen sehr dicht beieinander. Das Gerät weist somit eine gute Wiederholbarkeit auf.
Werden dagegen 98°C, 101°C, 99°C, 103°C und 97°C gemessen, kann der Mittelwert zwar nahe 100°C liegen, die Streuung der Einzelwerte ist jedoch deutlich größer.
Die Wiederholbarkeit bewertet daher nicht die Nähe zum tatsächlichen Temperaturwert, sondern die Stabilität mehrerer aufeinanderfolgender Messungen.
Worin liegt der wichtigste Unterschied zwischen Wiederholbarkeit und Genauigkeit?
Der Unterschied lässt sich mit zwei Fragen zusammenfassen:
● Genauigkeit: Wie weit liegt der Messwert vom Referenzwert entfernt?
● Wiederholbarkeit: Wie stark unterscheiden sich mehrere Messungen voneinander?
Angenommen, die tatsächliche Temperatur eines Objekts beträgt 100°C.
Ein Infrarot-Thermometer liefert:
● 102,0°C
● 102,1°C
● 102,0°C
● 101,9°C
Die Werte liegen sehr dicht beieinander und zeigen eine gute Wiederholbarkeit. Gleichzeitig besteht jedoch eine systematische Abweichung von ungefähr +2°C.
Ein anderes Gerät liefert möglicherweise:
● 99,2°C
● 100,8°C
● 99,5°C
● 100,6°C
Diese Messwerte liegen im Mittel näher am tatsächlichen Wert, weisen jedoch eine größere Streuung auf.
Damit wird deutlich, dass Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit zwei unterschiedliche Eigenschaften eines Messsystems darstellen.
Warum kann die Wiederholbarkeit gut sein, obwohl die Messung ungenau ist?
Eine gute Wiederholbarkeit bedeutet lediglich, dass das Gerät stabile Messwerte liefert. Sie bestätigt nicht, dass diese Werte dem tatsächlichen Temperaturwert entsprechen.
Ein Infrarot-Thermometer erfasst die vom Zielobjekt abgegebene Wärmestrahlung und berechnet daraus die Oberflächentemperatur. Sind die Messbedingungen ungeeignet, kann ein stabiler, aber systematisch falscher Messwert entstehen.
Typische Ursachen sind:
● Falsch eingestellter Emissionsgrad.
● Zu großer Messabstand und dadurch Einbeziehung des Hintergrunds.
● Stark reflektierende Oberflächen.
● Staub, Öl, Feuchtigkeit oder Kondenswasser auf der Optik.
● Starke Wärmestrahlung benachbarter Wärmequellen.
● Unzureichende Temperaturanpassung des Geräts nach einem Wechsel zwischen stark unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.
Solche Einflüsse können eine konstante Messabweichung verursachen, obwohl die einzelnen Messwerte sehr ähnlich bleiben.
Welche Faktoren beeinflussen die Messgenauigkeit?
Die tatsächliche Messgenauigkeit hängt nicht nur vom Messgerät selbst, sondern auch von den Anwendungsbedingungen ab.
● Emissionsgrad: Unterschiedliche Materialien geben Wärmestrahlung unterschiedlich stark ab. Ein falsch eingestellter Emissionsgrad kann zu erheblichen Messabweichungen führen.
● D:S-Verhältnis: Mit zunehmendem Messabstand vergrößert sich der Messfleck. Füllt das Zielobjekt diesen Bereich nicht vollständig aus, kann die Umgebungstemperatur das Messergebnis beeinflussen.
● Oberflächenzustand: Polierte Metalle und andere Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad sind besonders empfindlich gegenüber reflektierter Wärmestrahlung.
● Umgebungstemperatur: Nach einem schnellen Wechsel zwischen kalten und warmen Umgebungen kann das Gerät eine gewisse Zeit zur thermischen Stabilisierung benötigen.
● Zustand der Optik: Staub, Öl oder Kondenswasser auf der Infrarotoptik können die erfasste Strahlung beeinflussen.
● Messwinkel: Große Winkel zur Oberfläche können den effektiven Messbereich vergrößern und Reflexionseinflüsse verstärken.
● Temperaturstabilität des Messobjekts: Erwärmt oder kühlt sich das Objekt während der Messung, verändern sich auch die angezeigten Werte.
Herstellerangaben zur Genauigkeit gelten normalerweise unter definierten Prüfbedingungen. In der Praxis kommen zusätzliche Einflussgrößen hinzu.
Welche Faktoren beeinflussen die Wiederholbarkeit?
Die Wiederholbarkeit hängt sowohl von der Stabilität des Geräts als auch von gleichbleibenden Messbedingungen ab.
Wichtige Einflussgrößen sind:
● Veränderung der Geräteposition.
● Unterschiedliche Messstellen auf dem Zielobjekt.
● Schwankende Zieltemperatur.
● Veränderter Messabstand.
● Änderungen der umgebenden Wärmestrahlung.
● Verschmutzte oder teilweise verdeckte Optik.
● Instabilität von Sensorik oder Elektronik.
Für eine aussagekräftige Beurteilung sollten Messobjekt, Abstand, Winkel, Emissionsgrad, Umgebungstemperatur und Messposition möglichst unverändert bleiben.
Was ist wichtiger: Genauigkeit oder Wiederholbarkeit?
Beide Kennwerte sind wichtig, ihre Bedeutung hängt jedoch von der Anwendung ab.
Wenn die tatsächliche Temperatur möglichst genau bestimmt werden muss, beispielsweise in der Prozessüberwachung, im Labor oder bei temperaturkritischen Anwendungen, ist die Messgenauigkeit besonders relevant.
Bei Trendanalysen, Vergleichsmessungen oder der Prüfung vieler ähnlicher Objekte ist eine gute Wiederholbarkeit ebenfalls von großer Bedeutung.
Wird beispielsweise bei einer elektrischen Verbindung während regelmäßiger Wartungen typischerweise eine Temperatur von etwa 55°C gemessen, kann ein stabil wiederholbares Gerät einen Anstieg auf 75°C zuverlässig sichtbar machen, auch wenn eine geringe konstante Messabweichung vorhanden ist.
Sobald jedoch konkrete Temperaturgrenzwerte eingehalten werden müssen, reicht eine gute Wiederholbarkeit allein nicht aus. Auch Genauigkeit und Messunsicherheit sind zu berücksichtigen.
Wie sollten die technischen Daten verschiedener Infrarot-Thermometer verglichen werden?
Die Beurteilung sollte nicht allein anhand einer Angabe wie „Genauigkeit ±1°C“ erfolgen.
Weitere wichtige Parameter sind:
● Temperaturbereich der angegebenen Genauigkeit.
● Angabe als absoluter Temperaturwert oder Prozent vom Messwert.
● Wiederholbarkeit.
● D:S-Verhältnis.
● Einstellbarer oder fester Emissionsgrad.
● Ansprechzeit.
● Zulässiger Umgebungstemperaturbereich.
● Gesamter Messbereich.
● Vom Hersteller angegebene Prüfbedingungen.
Ein Gerät kann beispielsweise zwischen 0 und 100°C eine besonders gute Genauigkeit besitzen, bei höheren Temperaturen jedoch mit einer prozentualen Abweichung spezifiziert sein.
Wie lässt sich die Wiederholbarkeit überprüfen?
Für eine einfache Prüfung eignet sich ein temperaturstabiles, ausreichend großes Objekt mit relativ hohem Emissionsgrad.
Dabei sollten folgende Bedingungen konstant bleiben:
● Gleicher Messbereich auf dem Zielobjekt.
● Gleicher Messabstand.
● Gleicher Messwinkel.
● Gleiche Emissionsgradeinstellung.
● Das Messobjekt muss den Messfleck vollständig abdecken.
● Mehrere Messungen direkt hintereinander durchführen.
Liegen die Werte eng beieinander, spricht dies für eine gute Wiederholbarkeit.
Eine solche Prüfung bestätigt jedoch nicht die absolute Messgenauigkeit. Dafür ist der Vergleich mit einer rückführbaren Referenztemperaturquelle unter definierten Bedingungen erforderlich.
Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Wiederholbarkeit und Kalibrierung?
Bei einer Kalibrierung wird der Messwert eines Geräts mit einem definierten Referenzwert verglichen. Sie dient daher vor allem zur Beurteilung von Messabweichungen und Genauigkeit.
Zeigt ein Infrarot-Thermometer bei guter Wiederholbarkeit konstant 2°C mehr als die Referenztemperatur an, lässt sich diese Abweichung durch eine Kalibrierung erkennen.
Ist die Wiederholbarkeit hingegen schlecht und liefert das Gerät bei derselben stabilen Referenzquelle stark unterschiedliche Werte, beweist auch ein einzelner zufällig korrekter Messwert keine gute Messleistung.
Ein zuverlässiges Messsystem benötigt daher sowohl eine angemessene Genauigkeit als auch eine stabile Wiederholbarkeit.
FAQ
Bedeutet eine gute Wiederholbarkeit automatisch eine hohe Genauigkeit?
Nein. Eine gute Wiederholbarkeit zeigt lediglich, dass die Messwerte unter gleichen Bedingungen ähnlich ausfallen. Ein systematischer Gerätefehler, ein falscher Emissionsgrad oder reflektierte Wärmestrahlung können dennoch zu falschen Temperaturwerten führen.
Bedeutet ±1°C Genauigkeit, dass jede Messung höchstens 1°C abweicht?
Entscheidend ist die vollständige Herstellerspezifikation. Die Genauigkeit kann vom Temperaturbereich, von den Umgebungsbedingungen, vom Emissionsgrad und vom Betriebszustand des Geräts abhängen.
Warum schwankt der Messwert bei demselben Objekt leicht?
Kleine Schwankungen können durch Sensorrauschen, tatsächliche Temperaturänderungen, unterschiedliche Gerätepositionen, veränderte Messbereiche oder wechselnde Wärmestrahlung der Umgebung entstehen.
Kann man durch mehrfaches Messen feststellen, ob ein Infrarot-Thermometer genau ist?
Nein. Mehrfachmessungen eignen sich hauptsächlich zur Beurteilung der Wiederholbarkeit. Für eine Bewertung der absoluten Genauigkeit ist eine geeignete Referenztemperatur erforderlich.
Ist ein kleinerer Wiederholbarkeitswert besser?
Grundsätzlich ja. Unter vergleichbaren Bedingungen zeigt eine geringere Streuung eine stabilere Messung an. Dennoch müssen auch Genauigkeit, Messbereich, D:S-Verhältnis und Emissionsgrad berücksichtigt werden.
Fazit
Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit beschreiben unterschiedliche Eigenschaften eines Infrarot-Thermometers.
● Die Genauigkeit beschreibt, wie nahe der Messwert am tatsächlichen beziehungsweise Referenzwert liegt.
● Die Wiederholbarkeit beschreibt, wie konsistent mehrere Messungen unter gleichen Bedingungen sind.
Ein Gerät kann sehr gut wiederholbare Messwerte liefern und trotzdem aufgrund systematischer Fehler, falscher Emissionsgradeinstellungen oder ungeeigneter Messbedingungen ungenau messen.
Für die Beurteilung eines Infrarot-Thermometers sollten deshalb Genauigkeit, Wiederholbarkeit, Emissionsgrad, D:S-Verhältnis, Umgebungsbedingungen und konkrete Anwendung gemeinsam betrachtet werden.
