Einleitung

Bei Kunststoffen, Gummi, Holz oder beschichteten Oberflächen liefern Infrarotthermometer häufig stabile Messergebnisse. Bei Edelstahl, Aluminium, Kupfer und anderen Metallen tritt dagegen oft ein typisches Problem auf: Das Metall ist deutlich heiß, während das Infrarotthermometer eine wesentlich niedrigere Temperatur anzeigt.

Dies bedeutet nicht automatisch, dass das Messgerät fehlerhaft ist. Häufig liegt die Ursache in den infraroten Strahlungseigenschaften der Metalloberfläche.

Ein Infrarotthermometer misst die tatsächliche Objekttemperatur nicht direkt. Es erfasst die von der Zieloberfläche ausgehende Infrarotstrahlung und berechnet daraus unter Berücksichtigung des eingestellten Emissionsgrades die Temperatur. Bei Metallen mit niedrigem Emissionsgrad und hoher Reflexion wird diese Messung besonders stark durch Hintergrundstrahlung, Oberflächenzustand und Messgeometrie beeinflusst.

Das Wichtigste im Überblick

● Glänzende Metalle besitzen meist einen niedrigen Emissionsgrad und geben vergleichsweise wenig eigene Infrarotstrahlung ab.
● Je niedriger der Emissionsgrad, desto stärker kann der Einfluss reflektierter Umgebungsstrahlung werden.
● Wird eine glänzende Metalloberfläche mit einem zu hohen voreingestellten Emissionsgrad gemessen, kann die Temperaturanzeige deutlich verfälscht sein.
● Oxidation, Lackierung, Rauheit und Verschmutzung können den tatsächlichen Emissionsgrad verändern.
● Messwinkel, Hintergrundwärmequellen, Zielgröße und Messfleck beeinflussen die Messergebnisse zusätzlich.
● Durch eine passende Emissionsgradeinstellung oder eine Oberfläche mit höherem Emissionsgrad lässt sich die Messzuverlässigkeit verbessern.

Warum zeigen Infrarotthermometer bei Metall häufig zu niedrige Werte an?

Ein Infrarotthermometer bestimmt die Temperatur aus der Strahlungsleistung, die eine Zieloberfläche in einem bestimmten Infrarot-Wellenlängenbereich abgibt.

Bei Oberflächen mit hohem Emissionsgrad stammt ein großer Teil der erfassten Infrarotstrahlung vom Messobjekt selbst. Dadurch lässt sich die Oberflächentemperatur vergleichsweise zuverlässig bestimmen.

Bei glänzenden Metalloberflächen ist die Situation anders.

● Poliertes Aluminium, Kupfer und Edelstahl weisen häufig einen niedrigen Emissionsgrad auf.
● Sie emittieren selbst nur relativ wenig Infrarotstrahlung.
● Gleichzeitig reflektieren sie die Wärmestrahlung ihrer Umgebung stärker.
● Das Messgerät kann daher einen erheblichen Anteil reflektierter Strahlung erfassen.

Ist die Umgebung deutlich kühler als das Metall, beispielsweise bei einem heißen Metallteil in einer normalen Raumumgebung, reflektiert die Oberfläche Wärmestrahlung kühlerer Objekte.

Die insgesamt erfasste Strahlungsleistung kann dadurch geringer sein, als sie bei einer Oberfläche mit hohem Emissionsgrad und gleicher Temperatur wäre. Das berechnete Messergebnis fällt dann unter Umständen deutlich zu niedrig aus.

Der Emissionsgrad ist der zentrale Einflussfaktor

Der Emissionsgrad beschreibt, wie gut eine Oberfläche Infrarotstrahlung abgibt. Er wird üblicherweise als Wert zwischen 0 und 1 angegeben.

Ein idealer schwarzer Strahler besitzt einen Emissionsgrad von 1. Reale Oberflächen liegen darunter.

Viele nichtmetallische Materialien weisen einen relativ hohen Emissionsgrad auf, während saubere oder polierte Metalle teilweise wesentlich niedrigere Werte besitzen.

Bei gleicher tatsächlicher Temperatur gilt:

● Eine Oberfläche mit hohem Emissionsgrad gibt vergleichsweise viel eigene Infrarotstrahlung ab.
● Eine Metalloberfläche mit niedrigem Emissionsgrad emittiert weniger und reflektiert einen größeren Anteil der Umgebungsstrahlung.

Deshalb können zwei Oberflächen mit identischer tatsächlicher Temperatur sehr unterschiedliche Infrarotsignale erzeugen.

Stimmt der eingestellte Emissionsgrad des Thermometers nicht ausreichend mit der realen Metalloberfläche überein, entstehen entsprechende Messabweichungen.

Warum ist der voreingestellte Emissionsgrad nicht immer für Metalle geeignet?

Einige Infrarotthermometer arbeiten mit einem festen Emissionsgrad, beispielsweise ε = 0,95. Bei Geräten mit einstellbarem Emissionsgrad liegt die Werkseinstellung ebenfalls häufig in diesem Bereich.

Für viele Materialien mit hohem Emissionsgrad ist dieser Wert geeignet. Für blanke oder polierte Metalloberflächen trifft dies jedoch nicht grundsätzlich zu.

Liegt der tatsächliche Emissionsgrad des Metalls deutlich unter dem eingestellten Wert, berechnet das Gerät die Temperatur anhand von Strahlungsbedingungen, die nicht der realen Oberfläche entsprechen.

Bei Geräten mit einstellbarem Emissionsgrad sollte deshalb möglichst berücksichtigt werden, um welches Material und welchen Oberflächenzustand es sich handelt.

Dabei ist zu beachten, dass der Emissionsgrad von Metallen kein unveränderlicher Materialwert ist. Er kann sich unter anderem mit Rauheit, Oxidation, Beschichtung, Temperatur und Wellenlängenbereich verändern. Angaben aus Emissionsgradtabellen sind daher als Orientierungswerte zu verstehen.

Warum kann dasselbe Metall unterschiedliche Messergebnisse liefern?

Für die Eignung einer Metalloberfläche zur Infrarotmessung ist nicht nur die Legierung, sondern vor allem die konkrete Oberflächenbeschaffenheit entscheidend.

Bei Edelstahl beispielsweise können die Strahlungseigenschaften stark variieren:

● Spiegelpolierter Edelstahl reflektiert stark und besitzt meist einen niedrigen Emissionsgrad.
● Gebürstete oder aufgeraute Oberflächen können andere Eigenschaften aufweisen.
● Oxidation kann den Emissionsgrad deutlich erhöhen.
● Lack, Beschichtungen, Öl oder Verschmutzungen verändern die tatsächlich erfasste Oberflächenstrahlung.

Dasselbe Grundmaterial kann daher nach unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen völlig unterschiedliche Messergebnisse liefern.

Ein einziger festgelegter „Emissionsgrad für Metall“ kann deshalb keine zuverlässige Grundlage für alle Anwendungen sein.

Warum kann reflektierte Strahlung heißes Metall kälter erscheinen lassen?

Bei einer undurchsichtigen Oberfläche hängt der nicht selbst emittierte Strahlungsanteil wesentlich mit der Reflexion der Umgebung zusammen.

Bei Metallen mit niedrigem Emissionsgrad ist dieser Effekt besonders ausgeprägt.

Angenommen, eine glänzende Metalloberfläche hat eine tatsächliche Temperatur von 150 °C und befindet sich in einer Umgebung von etwa 25 °C.

Aufgrund des niedrigen Emissionsgrades erfasst das Infrarotthermometer nicht nur die Eigenstrahlung des heißen Metalls, sondern zusätzlich Strahlung von Wänden, Maschinen, Bodenflächen und anderen kühleren Objekten, die von der Metalloberfläche reflektiert wird.

Das Messgerät erhält somit ein kombiniertes Strahlungssignal.

Werden niedriger Emissionsgrad und reflektierte Hintergrundstrahlung nicht ausreichend berücksichtigt, kann die angezeigte Temperatur erheblich unter der tatsächlichen Oberflächentemperatur liegen.

Werden Metalloberflächen immer zu niedrig angezeigt?

Nein.

Eine zu niedrige Anzeige ist zwar häufig, doch ein niedriger Emissionsgrad verursacht nicht grundsätzlich nur negative Messabweichungen. Entscheidend ist vielmehr, dass der Messwert empfindlich auf die reflektierte Hintergrundstrahlung reagiert.

Ist das Metall heißer als seine Umgebung und reflektiert überwiegend kühlere Flächen, fällt der Messwert häufig zu niedrig aus.

Reflektiert die Oberfläche dagegen einen Ofen, Heizkörper, ein heißes Rohr oder eine andere Wärmequelle mit höherer Temperatur, kann die erfasste Strahlungsleistung steigen und die Anzeige zu hoch ausfallen.

Daher gilt:

● Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad reagieren besonders empfindlich auf reflektierte Umgebungsstrahlung.
● Zu niedrige Werte treten besonders häufig bei heißem Metall in kühlerer Umgebung auf.
● Heiße Hintergrundquellen können dagegen zu hohen oder instabilen Anzeigen führen.

Warum beeinflusst der Messwinkel die Metallmessung?

Bei Metallen mit niedrigem Emissionsgrad sollten sehr schräge Messwinkel möglichst vermieden werden.

Mit verändertem Messwinkel verändert sich auch, welche Umgebungsbereiche von der Metalloberfläche in Richtung des Thermometers reflektiert werden.

Eine nahezu spiegelnde Metalloberfläche kann sinngemäß wie ein „Infrarotspiegel“ wirken.

Bereits eine kleine Änderung der Geräteposition kann dazu führen, dass statt einer Wand plötzlich eine Maschine, eine Person, eine Leuchte oder eine Wärmequelle reflektiert wird.

Für reproduzierbare Messungen sollten Position und Winkel möglichst konstant bleiben. Wenn es die Anwendung erlaubt, sollte möglichst nahe senkrecht zur Oberfläche gemessen werden.

Wie lässt sich die Infrarotmessung von Metalloberflächen verbessern?

Bei Metallen mit niedrigem Emissionsgrad ist es häufig nicht ausreichend, das Infrarotthermometer einfach auf die blanke Oberfläche zu richten.

Folgende Maßnahmen können die Messqualität verbessern:

● Emissionsgrad passend einstellen. Unterstützt das Messgerät eine Emissionsgradeinstellung, sollte diese an Material und Oberflächenzustand angepasst werden.
● Oxidierte, raue oder beschichtete Bereiche bevorzugen. Diese Oberflächen lassen sich meist zuverlässiger messen als spiegelblankes Metall.
● Messfläche mit hohem Emissionsgrad erzeugen. Falls möglich, kann geeignetes Hoch-Emissionsgrad-Klebeband oder eine geeignete Beschichtung aufgebracht werden. Vor der Messung sollte thermisches Gleichgewicht mit dem Metall erreicht sein.
● Reflektierte Hintergrundstrahlung reduzieren. Starke Wärmequellen und große Temperaturunterschiede im reflektierten Umfeld sollten vermieden werden.
● Geeigneten Messwinkel wählen. Wenn möglich, möglichst senkrecht zur Oberfläche messen.
● Zielgröße und Messfleck beachten. Der Messfleck des Thermometers sollte vollständig innerhalb der Zieloberfläche liegen.

Bei anspruchsvollen industriellen Messungen kann zusätzlich ein Kontaktfühler als Referenz verwendet werden, um Messbedingungen und Emissionsgradeinstellung zu überprüfen.

Warum wird bei Metallmessungen häufig schwarzes Klebeband verwendet?

Die Verwendung von schwarzem Klebeband ist eine praktische Methode für Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad.

Glänzendes Metall kann einen sehr niedrigen Emissionsgrad besitzen, während geeignetes schwarzes Klebeband einen höheren und vergleichsweise stabilen Emissionsgrad aufweisen kann.

Nach dem Aufbringen sollte gewartet werden, bis Klebeband und Metalloberfläche ein ausreichendes thermisches Gleichgewicht erreicht haben. Anschließend wird die Temperatur auf dem beklebten Bereich gemessen.

Das Infrarotthermometer erfasst dann überwiegend die Strahlung der Oberfläche mit hohem Emissionsgrad und nicht direkt die stark reflektierende blanke Metalloberfläche. Dadurch lassen sich Einflüsse durch Emissionsgrad und Hintergrundreflexion deutlich reduzieren.

Das verwendete Klebeband muss für die jeweilige Oberflächentemperatur geeignet sein und darf nicht außerhalb seines zulässigen Temperaturbereichs eingesetzt werden.

Wann sollte Metall nicht direkt mit einem Infrarotthermometer gemessen werden?

In folgenden Fällen ist besondere Vorsicht erforderlich:

● Die Oberfläche ist stark poliert oder nahezu spiegelnd.
● Der tatsächliche Emissionsgrad kann nicht ausreichend eingeschätzt werden.
● In der Umgebung befinden sich Öfen, Heizgeräte oder andere starke Infrarotquellen.
● Das Metallobjekt ist kleiner als der Messfleck.
● Es wird eine hohe absolute Temperaturgenauigkeit gefordert.
● Es können keine stabilen und reproduzierbaren Messbedingungen geschaffen werden.

Wenn der Prozess es zulässt, sollte eine Messfläche mit hohem Emissionsgrad geschaffen oder die Temperatur zusätzlich mit einem geeigneten Kontaktverfahren überprüft werden.

FAQ

Kann Edelstahl mit einem Infrarotthermometer gemessen werden?

Ja. Bei glänzendem Edelstahl können direkte Messungen jedoch erhebliche Abweichungen aufweisen. Politur, Bürstung, Oxidation, Beschichtung und reflektierte Hintergrundstrahlung müssen berücksichtigt werden.

Warum zeigt das Infrarotthermometer nur eine mäßige Temperatur an, obwohl das Metall sehr heiß ist?

Eine häufige Ursache ist der niedrige Emissionsgrad in Verbindung mit reflektierter Strahlung aus einer kühleren Umgebung. Weicht zusätzlich der eingestellte Emissionsgrad vom tatsächlichen Oberflächenwert ab, kann die Temperatur deutlich zu niedrig angezeigt werden.

Sind Kupfer und Aluminium besonders schwierig zu messen?

Glänzendes Kupfer und Aluminium gehören aufgrund ihres häufig niedrigen Emissionsgrades und ihrer hohen Reflexion zu den anspruchsvolleren Oberflächen für die Infrarotmessung. Die Ergebnisse reagieren stark auf Oberflächenzustand und Umgebung.

Reicht es aus, den Emissionsgrad niedriger einzustellen?

Nicht immer. Eine passende Emissionsgradeinstellung verbessert die Messung, beseitigt aber nicht den Einfluss reflektierter Hintergrundstrahlung.

Warum lässt sich oxidiertes Metall leichter messen?

Oxidation verändert die Strahlungseigenschaften der Oberfläche. Viele oxidierte Metalloberflächen besitzen einen höheren Emissionsgrad als blankes Metall und geben deshalb einen größeren Anteil ihrer eigenen Wärmestrahlung ab.

Kann schwarzes Klebeband auf die Metalloberfläche geklebt werden?

Ja. Dies ist eine verbreitete Methode. Das Klebeband muss für die jeweilige Temperatur geeignet sein und sollte vor der Messung thermisches Gleichgewicht mit der Metalloberfläche erreichen.

Fazit

Zu niedrige Temperaturanzeigen bei Metalloberflächen entstehen häufig nicht durch einen Defekt des Infrarotthermometers, sondern durch den niedrigen Emissionsgrad und die hohe Reflexionsfähigkeit glänzender Metalle.

Das Messgerät erfasst neben der Eigenstrahlung des Metalls auch reflektierte Strahlung aus der Umgebung. Bei heißem Metall in einer kühleren Umgebung führt dieser Effekt besonders häufig zu zu niedrigen Anzeigen.

Bei Aluminium, Kupfer, Edelstahl und ähnlichen Werkstoffen sollten daher Emissionsgrad, Oberflächenzustand, reflektierte Hintergrundstrahlung, Messwinkel, Zielgröße und Messfleck gemeinsam berücksichtigt werden.

Für höhere Messzuverlässigkeit sind eine passende Emissionsgradeinstellung, eine geeignete Oberfläche oder eine definierte Messfläche mit hohem Emissionsgrad in der Regel zuverlässiger als die direkte Messung von blankem, glänzendem Metall.