Einleitung

Auch wenn Emissionsgrad, Messabstand und Messwinkel korrekt eingestellt sind, können sich Infrarot-Temperaturwerte im Zeitverlauf verändern. Eine wichtige Ursache besteht darin, dass sich entweder das Messobjekt oder das Infrarot-Thermometer noch nicht in einem ausreichend stabilen thermischen Zustand befindet.

Der Begriff „thermisches Gleichgewicht“ bedeutet bei praktischen Infrarotmessungen nicht zwangsläufig, dass Messobjekt und Umgebung exakt dieselbe Temperatur aufweisen müssen. Entscheidend ist vielmehr, ob sich die Oberflächentemperatur des Messobjekts sowie der interne thermische Zustand des Messgeräts so weit stabilisiert haben, dass wiederholte Messungen ausreichend konsistente Ergebnisse liefern.

Das Verständnis thermischer Stabilität ist daher sowohl für die physikalische Bewertung als auch für die Zuverlässigkeit praktischer Infrarotmessungen von Bedeutung.

Das Wichtigste im Überblick

● Bei Infrarot-Temperaturmessungen beschreibt das thermische Gleichgewicht in der Praxis vor allem, ob sich die gemessene Oberflächentemperatur ausreichend stabilisiert hat.
● Ein thermisches Gleichgewicht setzt nicht voraus, dass Messobjekt und Umgebung dieselbe Temperatur besitzen.
● Aufheizen, Abkühlen, Luftströmungen und kontinuierlicher Wärmeaustausch können die Oberflächentemperatur verändern.
● Nach einem Wechsel zwischen kalten und warmen Umgebungen kann auch ein Infrarot-Thermometer Zeit zur Akklimatisierung benötigen.
● Bei schnell veränderlichen Messobjekten muss zwischen momentaner Oberflächentemperatur und stationärer Temperatur unterschieden werden.
● Voraussetzung für zuverlässige Messungen ist ein klar definiertes Messziel sowie die Kontrolle der Einflussgrößen auf die thermische Stabilität.

Was ist thermisches Gleichgewicht?

Aus thermodynamischer Sicht kann zwischen Körpern mit unterschiedlichen Temperaturen Wärme übertragen werden. Mit fortschreitendem Wärmeaustausch nehmen Temperaturdifferenzen tendenziell ab. Bestehen innerhalb eines Systems keine Temperaturunterschiede mehr, die einen makroskopischen Netto-Wärmestrom verursachen, kann von thermischem Gleichgewicht gesprochen werden.

Bei industriellen Infrarotmessungen ist es jedoch normalerweise nicht erforderlich, darauf zu warten, dass Messobjekt und gesamte Umgebung ein streng thermodynamisches Gleichgewicht erreichen.

Das Gehäuse eines dauerhaft betriebenen Motors kann beispielsweise eine Temperatur von 65°C aufweisen, während die Umgebungsluft nur 25°C beträgt. Der Motor erzeugt kontinuierlich Wärme und gibt gleichzeitig Energie durch Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung an seine Umgebung ab. Obwohl keine Temperaturgleichheit mit der Umgebung besteht, kann die Oberflächentemperatur relativ konstant bleiben, sobald Wärmeerzeugung und Wärmeabgabe weitgehend im Gleichgewicht sind.

Für die Infrarot-Temperaturmessung ist ein solcher stationärer thermischer Zustand in der Regel praxisrelevanter als ein streng definiertes thermodynamisches Gleichgewicht.

Warum ist thermische Stabilität für Infrarotmessungen wichtig?

Ein Infrarot-Thermometer misst nicht direkt die Innentemperatur eines Körpers. Es erfasst die vom Messobjekt innerhalb eines bestimmten Spektralbereichs abgegebene Infrarotstrahlung und berechnet daraus unter Berücksichtigung von Parametern wie dem Emissionsgrad die Oberflächentemperatur.

Erwärmt oder kühlt sich die Oberfläche schnell, verändert sich auch ihre Infrarotstrahlung mit der Zeit. Entsprechend verändert sich der angezeigte Temperaturwert.

Wird beispielsweise ein Metallbauteil aus einem Hochtemperaturofen entnommen, beginnt seine Oberfläche unmittelbar Wärme an die Umgebungsluft, an Haltevorrichtungen und an benachbarte Objekte abzugeben. Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten können deshalb deutlich voneinander abweichen.

Dies bedeutet nicht zwangsläufig, dass das Infrarot-Thermometer fehlerhaft misst. Das Messobjekt kann sich schlicht noch in einem dynamischen Wärmeübertragungsprozess befinden.

Vor der Bewertung der Messergebnisse sollte daher geklärt werden, ob:

● die momentane Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasst werden soll;
● oder die Temperatur nach Erreichen eines stabilen Betriebszustands von Interesse ist.

Je nach Messziel gelten unterschiedliche Anforderungen an die thermische Stabilität.

Wann gilt ein Messobjekt als thermisch stabil?

In der Praxis lässt sich die thermische Stabilität häufig durch Beobachtung des Temperaturverlaufs beurteilen.

Verändern sich wiederholte Messwerte unter identischen Messbedingungen nur noch geringfügig, kann der betrachtete Bereich im Allgemeinen als relativ stabil angesehen werden.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass verschiedene Bereiche eines Bauteils unterschiedlich lange benötigen können, um einen stabilen Zustand zu erreichen.

Bei einem massiven Metallbauteil kann sich beispielsweise die Oberfläche schnell erwärmen, während das Innere noch deutlich kühler ist. Während sich die Wärme weiter in das Material ausbreitet, kann sich auch die Oberflächentemperatur weiterhin verändern.

Ein Infrarot-Thermometer erfasst die Oberflächentemperatur des Messbereichs. Eine stabile Oberfläche bedeutet daher nicht automatisch, dass das gesamte Bauteil intern eine einheitliche Temperatur erreicht hat.

In welchen Situationen fehlt häufig die thermische Stabilität?

● Unmittelbar nach dem Einschalten: Motoren, Lager, elektrische Anlagen und Heizsysteme benötigen meist eine gewisse Zeit, bis sich ein stabiler Betriebszustand einstellt. Frühe Messungen bilden daher vor allem die Aufheizphase ab.
● Direkt nach Ende eines Heizvorgangs: Aus einem Ofen entnommene Werkstücke, abgeschaltete Heizungen oder gerade stillgesetzte Maschinenbauteile können weiterhin abkühlen.
● Nach einem Wechsel der Umgebung: Ein Bauteil aus einem Kühlraum nimmt in einer wärmeren Umgebung weiter Wärme auf, während ein heißes Bauteil in einer kühleren Umgebung weiterhin Wärme abgibt.
● Bei starker Luftströmung: Ventilatoren, Klimaanlagen, Druckluft oder natürliche Luftbewegung verändern den konvektiven Wärmeaustausch und damit die lokale Oberflächentemperatur.
● Bei Kontakt mit anders temperierten Körpern: Wird ein Werkstück auf einer kalten Werkbank, Vorrichtung oder Auflage platziert, kann sich die lokale Temperatur durch Wärmeleitung schnell verändern.
● Bei zyklisch betriebenen Anlagen: Bestimmte Motoren, Kompressoren oder Produktionsanlagen arbeiten intervallweise. Ihre Temperatur kann daher zyklisch schwanken, ohne sich auf einen einzigen festen Wert einzustellen.

Muss auch das Infrarot-Thermometer thermisch stabil sein?

Ja.

Der Infrarotdetektor, das optische System, interne Temperatursensoren und die Kompensationselektronik eines Infrarot-Thermometers werden vom Eigenerwärmungszustand des Geräts und von der Umgebungstemperatur beeinflusst.

Unter normalen Bedingungen reduzieren interne Temperaturmessung und Kompensationsalgorithmen diese Einflüsse. Bei einer plötzlichen und starken Änderung der Umgebungstemperatur kann sich die Gerätetemperatur jedoch vorübergehend schnell verändern, beispielsweise:

● beim direkten Wechsel aus einer kalten Außenumgebung in eine warme Werkhalle;
● beim Wechsel aus einem klimatisierten Raum in einen heißen Produktionsbereich;
● wenn das Gerät nach längerer Lagerung in einem warmen oder kalten Fahrzeug sofort eingesetzt wird;
● wenn das Messgerät längere Zeit in unmittelbarer Nähe eines Ofens oder einer anderen starken Wärmequelle verwendet wird.

In solchen Situationen können die Messwerte vorübergehend driften, selbst wenn die Temperatur des Messobjekts stabil ist.

Für Messungen mit höheren Anforderungen an die Zuverlässigkeit sollte das Infrarot-Thermometer daher zunächst an die neue Umgebungstemperatur akklimatisiert werden.

Die erforderliche Stabilisierungszeit hängt vom jeweiligen Gerät ab und sollte gemäß den Herstellerangaben bestimmt werden. Eine einheitliche Zeitvorgabe lässt sich nicht sinnvoll auf alle Infrarot-Thermometer übertragen.

Was ist der Unterschied zwischen thermischem Gleichgewicht und Ansprechzeit?

Thermisches Gleichgewicht und Ansprechzeit beschreiben unterschiedliche Eigenschaften.

Die Ansprechzeit eines Infrarot-Thermometers gibt an, wie schnell das Gerät auf eine Änderung der vom Messobjekt empfangenen Infrarotstrahlung reagiert. Moderne Infrarot-Thermometer aktualisieren ihre Messwerte in der Regel sehr schnell.

Die thermische Stabilität beschreibt dagegen, ob sich der thermische Zustand des Messobjekts oder des Messgeräts selbst noch verändert.

Kühlt beispielsweise ein heißes Werkstück schnell ab, kann ein Infrarot-Thermometer mit kurzer Ansprechzeit diese Temperaturänderung schnell und präzise verfolgen. Eine kurze Ansprechzeit sorgt jedoch nicht dafür, dass das Werkstück schneller einen stabilen Zustand erreicht.

Daher gilt:

● Die Ansprechzeit bestimmt, wie schnell das Messgerät Temperaturänderungen folgen kann.
● Die thermische Stabilität bestimmt, ob sich die zu messende Temperatur selbst weiterhin verändert.

Beide Begriffe sollten nicht miteinander verwechselt werden.

Welchen Zusammenhang gibt es zwischen thermischer Stabilität und Messgenauigkeit?

Ein thermisch noch nicht stabiler Zustand bedeutet nicht zwangsläufig, dass das Infrarot-Thermometer ungenau misst.

Kühlt ein Werkstück beispielsweise von 100°C auf 80°C ab und zeigt das Messgerät nacheinander 96°C, 92°C, 88°C und 84°C an, können diese Werte den realen Abkühlverlauf der Oberfläche korrekt wiedergeben.

Entscheidend ist, ob die Messwerte zum eigentlichen Messziel passen.

Soll ein Abkühlprozess überwacht werden, sind die sich verändernden Temperaturen relevante Prozessdaten. Sollen dagegen die normalen Betriebstemperaturen mehrerer Maschinen verglichen werden, sollten die Messungen bei vergleichbarer Last, Betriebsdauer und thermischem Zustand erfolgen.

Thermische Stabilität beeinflusst daher insbesondere die Repräsentativität, Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit der Messdaten.

Wie lassen sich Einflüsse veränderlicher thermischer Bedingungen reduzieren?

● Wenn ein stabiler Temperaturwert benötigt wird, sollte die Anlage zunächst ihren normalen Betriebszustand erreichen.
● Beim Vergleich mehrerer Anlagen sollten Last, Betriebsdauer und Umgebungsbedingungen möglichst vergleichbar sein.
● Nach einem starken Wechsel der Umgebungstemperatur sollte nicht unmittelbar mit besonders hohen Anforderungen an die Messzuverlässigkeit gemessen werden.
● Messabstand, Messwinkel, Emissionsgradeinstellung und Messfläche sollten möglichst konstant gehalten werden.
● Starke Luftströmungen, nahe Wärmequellen und schnell wechselnde Umgebungsbedingungen sollten soweit möglich vermieden werden.
● Aufheizende oder abkühlende Objekte sollten wiederholt beziehungsweise kontinuierlich gemessen werden, statt nur einen einzelnen Wert zu erfassen.
● Ändert sich die Temperatur weiterhin, sollten Messzeitpunkt und Betriebszustand dokumentiert werden, damit die Daten korrekt interpretiert werden können.

Bei industriellen Trendmessungen sind reproduzierbare Messbedingungen häufig wichtiger als die alleinige Betrachtung eines einzelnen absoluten Temperaturwerts.

Wie lässt sich feststellen, ob ein Messobjekt ausreichend stabil ist?

Im praktischen Einsatz muss kein streng thermodynamisches Gleichgewicht nachgewiesen werden. Entscheidend ist, ob die Temperaturänderung für die jeweilige Messaufgabe ausreichend gering geworden ist.

Eine einfache Vorgehensweise besteht darin, die Temperatur aus derselben Position bei gleichbleibendem Messabstand und unveränderter Emissionsgradeinstellung über einen gewissen Zeitraum zu beobachten.

Steigt oder fällt die Temperatur weiterhin deutlich, befindet sich das Objekt noch in einem dynamischen thermischen Prozess. Werden die Änderungen mit der Zeit sehr klein, kann der Zustand im Allgemeinen als relativ stabil angesehen werden.

Es gibt keinen universellen Grenzwert für die zulässige Temperaturänderung. Instandhaltung, Prozessüberwachung, Labormessungen und allgemeine Inspektionen können unterschiedliche Stabilitätsanforderungen besitzen. Die zulässige Abweichung sollte daher ausgehend vom jeweiligen Messziel festgelegt werden.

FAQ

Muss das Messobjekt vor der Infrarotmessung dieselbe Temperatur wie seine Umgebung erreichen?

Nein. Industrielle Anlagen erzeugen während des Betriebs häufig kontinuierlich Wärme und können daher dauerhaft deutlich wärmer als ihre Umgebung sein. Entscheidend ist, ob die Oberflächentemperatur für die vorgesehene Messung ausreichend stabil ist.

Warum steigt die Temperatur bei wiederholten Messungen an derselben Stelle weiter an?

Die Anlage befindet sich möglicherweise noch in der Aufheizphase. Auch Veränderungen der Last, Kühlung oder Umgebungsbedingungen können die Ursache sein. Zunächst sollte geprüft werden, ob ein stabiler Betriebszustand erreicht wurde.

Kann ein Infrarot-Thermometer unmittelbar nach dem Wechsel von draußen nach drinnen eingesetzt werden?

Für eine allgemeine Orientierung ist dies möglich. Bei großen Temperaturunterschieden und höheren Anforderungen an die Messzuverlässigkeit sollte das Gerät jedoch zunächst an die neue Umgebung akklimatisiert werden.

Bedeutet ein instabiler thermischer Zustand, dass das Infrarot-Thermometer falsche Werte anzeigt?

Nicht unbedingt. Die Temperatur kann sich tatsächlich verändern. Entscheidend ist, ob der Messwert den Zustand repräsentiert, der für die jeweilige Anwendung relevant ist.

Bedeutet eine stabile Oberflächentemperatur, dass auch die Innentemperatur vollständig stabil ist?

Nein. Infrarotmessungen erfassen primär die Oberflächentemperatur. Bei massiven Materialien, geringer Wärmeleitfähigkeit oder internen Wärmequellen können deutliche Unterschiede zwischen Oberfläche und Innerem bestehen.

Fazit

Bei der Infrarot-Temperaturmessung ist unter thermischem Gleichgewicht in der Praxis vor allem ein ausreichend stabiler thermischer Zustand zu verstehen. Das Messobjekt muss dafür nicht dieselbe Temperatur wie seine Umgebung besitzen.

Während eines Aufheiz-, Abkühl- oder Betriebsprozesses sowie bei kontinuierlichem Wärmeaustausch verändert sich die Oberflächenstrahlung entsprechend der Temperatur. Auch das Infrarot-Thermometer selbst kann nach einer starken Änderung der Umgebungstemperatur eine gewisse Zeit zur thermischen Stabilisierung benötigen.

Vor jeder Messung sollte deshalb geklärt werden, ob eine Momentantemperatur, ein Temperaturtrend oder eine stabile Betriebstemperatur erfasst werden soll. Erst bei kontrollierten Messbedingungen und einer korrekten Bewertung des thermischen Zustands lassen sich Infrarotmesswerte zuverlässig vergleichen und reproduzieren.