Einleitung
Bei der Messung ruhender Objekte mit einem Infrarot-Thermometer lassen sich in der Regel stabile Messwerte erzielen, sofern Messabstand, Emissionsgrad, Zielgröße und weitere Messbedingungen geeignet sind. Bewegt sich das Messobjekt jedoch schnell, rotiert es oder passiert es den Messbereich kontinuierlich, können die tatsächlichen Ergebnisse deutlich abweichen, obwohl sich die spezifizierte Messgenauigkeit des Geräts nicht verändert.
Eine der wesentlichen Ursachen dafür ist die Ansprechzeit.
Ein Infrarot-Thermometer benötigt eine bestimmte Zeit, um die von der Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung zu erfassen und in einen Temperaturwert umzuwandeln. Verlässt das Messobjekt den Messbereich, bevor das Gerät ausreichend reagieren konnte, kann der angezeigte Wert eine Kombination aus Objekt- und Hintergrundtemperatur darstellen und nicht zwingend der tatsächlichen Oberflächentemperatur des Objekts entsprechen.
Bei schnell bewegten Objekten sollten deshalb neben Messbereich und Genauigkeit auch Ansprechzeit, Bewegungsgeschwindigkeit, Objektgröße und Messfleckgröße berücksichtigt werden.
Die wichtigsten Punkte
● Die Ansprechzeit beschreibt, wie schnell ein Infrarot-Thermometer auf eine Änderung der Objekttemperatur reagiert.
● Je schneller sich das Objekt bewegt, desto kürzer ist in der Regel seine Verweilzeit im Messfleck.
● Ist die Verweilzeit deutlich kürzer als die Ansprechzeit des Geräts, erreicht der angezeigte Messwert möglicherweise nicht die tatsächliche Objekttemperatur.
● Schnell bewegte Objekte können zu abgeschwächten Temperaturspitzen, verzögerten Anzeigen oder schwankenden Messwerten führen.
● Für die Beurteilung der Eignung eines Geräts für dynamische Messungen müssen Ansprechzeit, Geschwindigkeit, Objektgröße und Messfleck gemeinsam betrachtet werden.
● Bei Hochgeschwindigkeits-Produktionslinien, rotierenden Komponenten und kurzzeitigen thermischen Vorgängen ist besonders darauf zu achten, ob Temperaturänderungen schnell genug erfasst werden können.
Was bedeutet die Ansprechzeit eines Infrarot-Thermometers?
Die Ansprechzeit bezeichnet vereinfacht die Zeit, die ein Infrarot-Thermometer benötigt, um auf eine Änderung der empfangenen Infrarotstrahlung zu reagieren und den angezeigten Wert an die neue Temperatur anzunähern.
Misst das Gerät beispielsweise zunächst einen kühleren Hintergrund und wird anschließend schnell auf ein heißes Objekt gerichtet, springt die Anzeige nicht in buchstäblich null Zeit auf den endgültigen Temperaturwert. Detektor, Signalverarbeitung und Anzeige benötigen eine gewisse Zeit zur Reaktion.
Die Ansprechzeit kann je nach Infrarot-Thermometer unterschiedlich sein. In technischen Datenblättern werden häufig Werte im Millisekundenbereich oder von mehreren hundert Millisekunden angegeben. Eine kurze Ansprechzeit ist grundsätzlich vorteilhaft, wenn schnelle Temperaturänderungen erfasst werden sollen.
Die Ansprechzeit ist jedoch nicht mit der Messgenauigkeit gleichzusetzen.
Ein Gerät kann bei stationären Messbedingungen eine hohe Genauigkeit erreichen und dennoch sehr kurze Temperaturereignisse nicht zuverlässig erfassen, wenn seine Ansprechzeit dafür zu lang ist.
Warum sind schnell bewegte Objekte besonders von der Ansprechzeit betroffen?
Bei einem ruhenden Messobjekt kann das Infrarot-Thermometer kontinuierlich Strahlung aus demselben Oberflächenbereich aufnehmen. Dadurch steht ausreichend Zeit zur Verfügung, bis sich ein stabiler Messwert einstellt.
Bei schnell bewegten Objekten ist die Situation anders.
Sobald ein Objekt in den Messfleck eintritt, verbleibt es dort nur für eine begrenzte Zeit. Verlässt es den Messfleck, bevor das Gerät ausreichend reagiert hat, ändert sich die vom Detektor empfangene Strahlung erneut.
Das Messsystem versucht somit ständig, einem sich ändernden Signal zu folgen.
Für dynamische Temperaturmessungen ist deshalb nicht nur die Frage wichtig, wie schnell sich das Objekt bewegt, sondern auch:
● Wie lange sich das Objekt im wirksamen Messbereich befindet;
● Ob diese Zeit für eine ausreichende Reaktion des Geräts genügt.
Die Verweilzeit des Objekts im Messbereich ist entscheidend
Zur vereinfachten Betrachtung kann folgende Beziehung verwendet werden:
Effektive Verweilzeit im Messbereich ≈ effektive Messlänge ÷ Objektgeschwindigkeit
Unter sonst gleichen Bedingungen gilt:
● Je höher die Geschwindigkeit, desto kürzer die Verweilzeit;
● Je kleiner der Messbereich, desto kürzer ist die Durchlaufzeit;
● Je kleiner das Objekt, desto kürzer kann die Zeit sein, in der es den Messfleck vollständig abdeckt.
Befindet sich ein Objekt beispielsweise nur einige zehn Millisekunden vollständig im Messbereich, während das Infrarot-Thermometer mehrere hundert Millisekunden benötigt, um weitgehend auf die neue Temperatur zu reagieren, erreicht die Anzeige möglicherweise nie die tatsächliche Objekttemperatur.
Diese vereinfachte Betrachtung dient vor allem zum Verständnis des Zusammenhangs. Das reale Verhalten kann zusätzlich von Detektor, Signalverarbeitung, Abtastintervall und Aktualisierungsrate der Anzeige abhängen. Die endgültige Messgenauigkeit lässt sich deshalb nicht allein mit einer einfachen Formel bestimmen.
Welche Effekte treten bei unzureichender Ansprechgeschwindigkeit auf?
Ein besonders typischer Effekt ist eine zu niedrig angezeigte Temperaturspitze.
Durchläuft beispielsweise ein kleines, deutlich wärmeres Werkstück schnell den Messbereich, beginnt das Gerät zwar den Temperaturanstieg zu erfassen, das Werkstück kann den Messfleck jedoch verlassen, bevor der tatsächliche Temperaturwert erreicht wird. Die Anzeige steigt dann nur teilweise an.
Umgekehrt kann bei einem kalten Objekt vor einem wärmeren Hintergrund der niedrigste tatsächlich auftretende Temperaturwert nicht vollständig angezeigt werden.
Weitere mögliche Effekte sind:
● Die Temperaturanzeige läuft der tatsächlichen Position des Objekts zeitlich hinterher;
● Bei aufeinanderfolgenden Werkstücken schwanken die Messwerte;
● Verschiedene Messdurchläufe ergeben unterschiedliche Maximalwerte;
● Sehr kurze Temperaturspitzen werden nicht deutlich dargestellt;
● Der Temperaturunterschied zwischen heißem Objekt und kühlerem Hintergrund erscheint geringer als tatsächlich vorhanden.
Signaltechnisch wirkt dies ähnlich wie eine zeitliche Glättung schneller Temperaturänderungen.
Ist eine kürzere Ansprechzeit immer besser?
Bei schnell veränderlichen oder bewegten Messobjekten ist eine kurze Ansprechzeit grundsätzlich vorteilhaft, da das Gerät Temperaturänderungen schneller folgen kann.
Sie sollte jedoch nicht isoliert betrachtet werden.
Ist der Messfleck größer als das Messobjekt, nimmt selbst ein sehr schnelles Gerät gleichzeitig Infrarotstrahlung vom Objekt und vom Hintergrund auf. Dadurch können weiterhin deutliche Messabweichungen entstehen.
Für dynamische Messungen sollten daher mindestens folgende Faktoren gemeinsam berücksichtigt werden:
● Ansprechzeit;
● Objektgeschwindigkeit;
● Objektgröße;
● Messabstand;
● D:S-Verhältnis;
● Tatsächliche Messfleckgröße;
● Temperaturunterschied zwischen Objekt und Hintergrund;
● Emissionsgrad der Oberfläche.
Eine kurze Ansprechzeit bietet nur dann einen tatsächlichen Vorteil, wenn auch die übrigen Messbedingungen passend gewählt sind.
Warum beeinflussen Messfleckgröße und Ansprechzeit gemeinsam das Ergebnis?
Ein Infrarot-Thermometer misst nicht den Laserpunkt selbst, sondern die Infrarotstrahlung eines durch die Optik definierten Flächenbereichs.
Das bewegte Objekt sollte deshalb den Messfleck möglichst vollständig ausfüllen.
Ist das Objekt kleiner als der Messfleck, erfasst das Gerät Strahlung sowohl vom Objekt als auch vom Hintergrund. Selbst bei sehr schneller Reaktion des Detektors kann das Ergebnis dann ein Mischwert bleiben.
Deckt das Objekt den Messfleck vollständig ab, besteht während des Durchlaufs eine größere Wahrscheinlichkeit, dass überwiegend Strahlung von der tatsächlichen Objektoberfläche erfasst wird.
In der Praxis sollte die Objektgröße nicht exakt der theoretischen Messfleckgröße entsprechen. Eine ausreichende Reserve hilft, Fehler durch Zielabweichungen, Vibrationen oder Schwankungen der Bewegungsbahn zu reduzieren.
Welchen Einfluss hat die Ansprechzeit bei der Messung bewegter Förderbänder?
Ein kontinuierlich laufendes Förderband ist ein typisches dynamisches Messobjekt.
Ist die Oberflächentemperatur über das Förderband weitgehend gleichmäßig, ist die Ansprechzeit selbst bei höherer Bandgeschwindigkeit häufig weniger kritisch, da das Gerät kontinuierlich eine vergleichbare Oberfläche erfasst.
Soll jedoch ein lokaler Hotspot, ein Bandstoß, eine durch Reibung erwärmte Stelle oder ein kurzer Hochtemperaturbereich erkannt werden, gewinnt die Ansprechzeit erheblich an Bedeutung.
Je kürzer der Hotspot im Messbereich verbleibt, desto schwieriger ist es für das Gerät, die tatsächliche Spitzentemperatur vollständig anzuzeigen.
Bei der Erfassung lokaler Erwärmungen sollten daher insbesondere folgende Punkte berücksichtigt werden:
● Tatsächliche Länge des Hotspots;
● Bandgeschwindigkeit;
● Messfleckgröße;
● Ansprechzeit des Geräts.
Warum ist die Ansprechzeit auch bei Rollen und rotierenden Bauteilen wichtig?
Oberflächen von Rollen, Wellen, Riemenscheiben, Motorkomponenten und anderen rotierenden Bauteilen passieren den Messpunkt kontinuierlich.
Ist die Temperatur über den gesamten Umfang annähernd gleich, verändert sich die vom Gerät empfangene Infrarotstrahlung nur geringfügig, sodass in der Regel relativ stabile Messwerte erzielt werden können.
Befindet sich ein Hotspot jedoch nur an einer kleinen Stelle, verbleibt dieser bei jeder Umdrehung möglicherweise nur sehr kurz im Messbereich.
Je höher die Drehzahl und je kleiner der Hotspot, desto kürzer ist die verfügbare Erfassungszeit.
Dadurch kann die tatsächliche Temperatur des Hotspots deutlich höher sein als der vom Gerät angezeigte Maximalwert.
Für solche Anwendungen sind eine kurze Ansprechzeit und Funktionen wie die MAX-Wert-Erfassung hilfreich. Voraussetzung bleibt jedoch, dass der Hotspot den Messfleck ausreichend abdeckt.
Warum sind kontinuierlich vorbeilaufende kleine Werkstücke schwieriger zu messen?
Auf Produktionslinien passieren häufig kleine Bauteile, Verpackungen, Metallteile oder bearbeitete Werkstücke kontinuierlich einen Messpunkt.
Die besondere Herausforderung besteht darin, dass der Messbereich möglicherweise ständig zwischen „Werkstück – Lücke – Werkstück – Lücke“ wechselt.
In den Zwischenräumen kann das Infrarot-Thermometer das Förderband, Maschinenteile oder andere Hintergrundflächen erfassen.
Die empfangene Infrarotstrahlung verändert sich dadurch sehr schnell.
Erfolgen diese Änderungen schneller, als das Gerät ihnen wirksam folgen kann, kann die Anzeige eher einen zeitlich gemittelten Wert verschiedener Flächen darstellen als die tatsächliche Temperatur jedes einzelnen Werkstücks.
Bei schnell aufeinanderfolgenden Werkstücken sollte deshalb neben einer geeigneten Ansprechzeit auch die Messposition so gewählt werden, dass das Objekt den Messbereich möglichst lange und stabil abdeckt.
Warum verstärkt die Hintergrundtemperatur den Einfluss bei dynamischen Messungen?
Wenn ein schnell bewegtes Objekt den Messbereich nicht vollständig ausfüllt, trägt die Strahlung des Hintergrunds zum Messwert bei.
Sind Objekt- und Hintergrundtemperatur ähnlich, kann dieser Effekt relativ gering bleiben.
Hat das Objekt beispielsweise eine Temperatur von 150 °C und der Hintergrund nur 25 °C, kann bereits ein relevanter Hintergrundanteil im Messfleck dazu führen, dass der angezeigte Wert deutlich unter der tatsächlichen Objekttemperatur liegt.
Bei einem kühleren Objekt vor einem wärmeren Hintergrund gilt das gleiche Prinzip, wobei sich die Abweichungsrichtung umkehren kann.
Je größer der Temperaturunterschied zwischen Objekt und Hintergrund, desto deutlicher werden typischerweise die Auswirkungen einer unzureichenden Objektabdeckung und begrenzten Ansprechgeschwindigkeit.
Wie lässt sich die Infrarot-Temperaturmessung schnell bewegter Objekte verbessern?
● Wählen Sie ein Infrarot-Thermometer mit einer zur Objektgeschwindigkeit passenden Ansprechzeit.
● Reduzieren Sie den Messabstand, soweit dies sinnvoll und möglich ist, damit der Messfleck sicher innerhalb des Objekts liegt.
● Ermitteln Sie anhand des D:S-Verhältnisses die tatsächliche Messfleckgröße bei der vorgesehenen Messdistanz.
● Wählen Sie einen Messpunkt mit stabiler Bewegungsbahn und ohne störende Abschattungen.
● Sorgen Sie bei kontinuierlich vorbeilaufenden Werkstücken für eine möglichst lange vollständige Abdeckung des Messbereichs.
● Eine MAX-Funktion kann kurzzeitig auftretende hohe Werte besser erfassen, ersetzt jedoch keine ausreichend kurze Ansprechzeit.
● Bei kritischen Prozessen kann die Messung bei reduzierter Liniengeschwindigkeit wiederholt werden, um zu prüfen, ob sich der Messwert deutlich mit der Geschwindigkeit verändert.
● Für sehr schnelle Prozesse oder extrem kurze thermische Ereignisse sollten schnellere Infrarot-Temperatursensoren oder speziell für die Prozessüberwachung ausgelegte Messsysteme eingesetzt werden.
Wie lässt sich feststellen, ob ein Messwert durch die Ansprechzeit beeinflusst wird?
Eine einfache praktische Prüfung ist durch Veränderung der Messbedingungen möglich.
Sofern der Prozess dies zulässt, kann beispielsweise die Bewegungsgeschwindigkeit reduziert werden. Steigt die gemessene Maximaltemperatur bei ansonsten weitgehend unveränderten Bedingungen deutlich an, kann der ursprüngliche Messwert durch eine zu lange Ansprechzeit beeinflusst worden sein.
Auch der Messabstand kann verändert werden.
Wird bei geringerem Abstand und damit kleinerem Messfleck die Temperaturspitze deutlicher, war die ursprüngliche Messung möglicherweise sowohl durch unvollständige Objektabdeckung als auch durch dynamische Ansprechgrenzen beeinflusst.
Diese Methoden eignen sich zur praktischen Ursachenanalyse, ersetzen jedoch keine formale Messverifikation oder Kalibrierung.
Sind Ansprechzeit und Aktualisierungsrate der Anzeige dasselbe?
Nein.
Die Ansprechzeit beschreibt, wie schnell Sensor und Messsystem auf eine Temperaturänderung reagieren. Die Aktualisierungsrate der Anzeige beschreibt dagegen, wie häufig der auf dem Display dargestellte Wert erneuert wird.
Das interne Messsystem kann beispielsweise mehrere Messungen durchführen, während die Anzeige nur einige Male pro Sekunde aktualisiert wird.
Bei normalen Handmessungen fällt dieser Unterschied möglicherweise kaum auf. Bei schnell veränderlichen Prozessen ist die Unterscheidung jedoch wichtig.
Eine schnell wechselnde Displayanzeige bedeutet nicht automatisch, dass auch die eigentliche Messung über eine entsprechend kurze Ansprechzeit verfügt.
Für dynamische Anwendungen sollte deshalb die im Datenblatt angegebene Ansprechzeit herangezogen werden und nicht allein die sichtbare Geschwindigkeit der Displayaktualisierung.
FAQ
Können schnell bewegte Objekte grundsätzlich mit einem Infrarot-Thermometer gemessen werden?
Ja. Wenn Ansprechzeit, Objektgröße, Bewegungsgeschwindigkeit, Messfleck und Messabstand zueinander passen, eignen sich Infrarot-Thermometer für viele kontaktlose Messungen bewegter Objekte.
Bedeutet eine kürzere Ansprechzeit automatisch eine höhere Genauigkeit bei dynamischen Messungen?
Nein. Die Ansprechzeit ist nur ein Einflussfaktor. Ist das Objekt kleiner als der Messfleck, ist der Emissionsgrad falsch eingestellt oder ist die reflektierte Hintergrundstrahlung stark, können trotz schneller Reaktion erhebliche Messabweichungen auftreten.
Warum sinkt der gemessene Temperaturwert, wenn die Produktionsgeschwindigkeit erhöht wird?
Eine mögliche Ursache ist die verkürzte Verweilzeit des Objekts im Messbereich. Das Gerät kann dann möglicherweise nicht vollständig auf die Objekttemperatur reagieren, bevor das Objekt den Messpunkt verlässt. Auch eine unzureichende Abdeckung des Messflecks kann einen ähnlichen Effekt verursachen.
Kann die MAX-Funktion eine zu lange Ansprechzeit kompensieren?
Nicht vollständig. Die MAX-Funktion speichert lediglich den höchsten tatsächlich gemessenen Wert. Erfasst das Gerät die reale Temperaturspitze wegen einer zu langen Ansprechzeit nicht, liegt auch der gespeicherte Maximalwert unter dem tatsächlichen Spitzenwert.
Worauf sollte bei der Messung einer schnell rotierenden Welle besonders geachtet werden?
Wesentlich sind Ansprechzeit, Wellendurchmesser, Messfleckgröße, Drehzahl, Größe eines möglichen Hotspots und Emissionsgrad. Bei stark reflektierenden Metalloberflächen müssen zusätzlich Emissionsgrad und reflektierte Umgebungsstrahlung berücksichtigt werden.
Wie lässt sich feststellen, ob ein Infrarot-Thermometer für eine Produktionslinie geeignet ist?
Ermitteln Sie zunächst Objektgröße, Bewegungsgeschwindigkeit, effektive Verweilzeit im Messbereich und Messabstand. Vergleichen Sie diese Werte anschließend mit Ansprechzeit und D:S-Verhältnis des Geräts. Bei schnellen Prozessen sind zusätzlich Vergleichsmessungen bei unterschiedlichen Liniengeschwindigkeiten sinnvoll.
Zusammenfassung
Die Ansprechzeit bestimmt, wie schnell ein Infrarot-Thermometer einer Änderung der Objekttemperatur folgen kann.
Bei ruhenden Objekten oder langsam verlaufenden Temperaturänderungen ist sie häufig nicht der entscheidende Begrenzungsfaktor. Bei schnell vorbeilaufenden Werkstücken, lokalen Hotspots auf Förderbändern, schnell rotierenden Rollen oder anderen bewegten Bauteilen kann sich das Messobjekt jedoch nur sehr kurz im Messbereich befinden. In diesen Fällen entscheidet die Ansprechzeit mit darüber, ob eine Temperaturspitze tatsächlich erfasst wird.
Bei dynamischen Infrarotmessungen sollten deshalb zusätzlich Objektgeschwindigkeit, Objektgröße, D:S-Verhältnis, Messfleckgröße, Messabstand, Emissionsgrad und Hintergrundtemperatur gemeinsam bewertet werden.
Vereinfacht gesagt muss das Gerät das Objekt nicht nur „sehen“, sondern auch genügend Zeit haben, auf dessen Temperatur zu „reagieren“. Erst wenn sowohl die räumliche Abdeckung als auch das zeitliche Ansprechverhalten passen, liefern Messungen schnell bewegter Objekte belastbare Ergebnisse.
