Einleitung
Infrarotthermometer bestimmen die Oberflächentemperatur anhand der vom Messobjekt erfassten Infrarotstrahlung. Die vom Gerät empfangene Strahlung stammt jedoch nicht zwangsläufig vollständig vom Messobjekt selbst.
Bei den meisten undurchsichtigen Materialien emittiert die Oberfläche eigene Wärmestrahlung und reflektiert gleichzeitig Infrarotstrahlung aus der Umgebung. Wände, Heizgeräte, Öfen, Leuchten, heiße Rohrleitungen und sogar Personen können Bestandteil dieser Strahlungsumgebung sein.
Für eine zuverlässige Temperaturbestimmung müssen daher sowohl die Eigenstrahlung des Messobjekts als auch reflektierte Umgebungsstrahlung berücksichtigt werden. Je niedriger der Emissionsgrad und je stärker reflektierend die Oberfläche ist, desto größer kann der Einfluss der Hintergrundstrahlung sein.
Das Wichtigste im Überblick
● Die vom Infrarotthermometer erfasste Strahlung kann sowohl Eigenstrahlung des Messobjekts als auch reflektierte Umgebungsstrahlung enthalten.
● Bei undurchsichtigen Oberflächen geht ein niedrigerer Emissionsgrad in der Regel mit einer höheren Reflexion einher.
● Materialien mit hohem Emissionsgrad sind meist weniger empfindlich gegenüber Hintergrundstrahlung, während blanke Metalle deutlich stärker beeinflusst werden können.
● Einige professionelle Messgeräte ermöglichen die Eingabe einer Reflexionstemperatur zur Kompensation der reflektierten Strahlung.
● Eine korrekte Einstellung des Emissionsgrades, die Vermeidung starker Reflexionsquellen und eine geeignete Messgeometrie reduzieren Hintergrundfehler.
Was ist Umgebungsstrahlung?
Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts gibt Wärmestrahlung ab. In einer Messumgebung tragen daher Wände, Maschinen, Rohrleitungen, Öfen, Personen und andere Objekte zur vorhandenen Infrarotstrahlung bei.
Ein Teil dieser Strahlung kann auf die Oberfläche des Messobjekts treffen und von dort in Richtung des Infrarotthermometers reflektiert werden.
Da diese Strahlung nicht vom Messobjekt selbst erzeugt wird, wird sie als Umgebungsstrahlung, Hintergrundstrahlung oder reflektierte Hintergrundstrahlung bezeichnet.
Bei der Messung einer blanken Metallplatte in der Nähe eines heißen Ofens kann das Gerät beispielsweise folgende Strahlungsanteile erfassen:
● Die vom Metall selbst emittierte Infrarotstrahlung;
● Die vom Ofen abgegebene und an der Metalloberfläche reflektierte Strahlung;
● Bei größeren Messentfernungen gegebenenfalls zusätzliche Einflüsse durch Absorption und Emission der Atmosphäre im Strahlengang.
Würde die gesamte empfangene Strahlung als Eigenstrahlung des Messobjekts interpretiert, könnte die angezeigte Temperatur von der tatsächlichen Oberflächentemperatur abweichen.
Warum beeinflusst Hintergrundstrahlung die Infrarotmessung?
Für viele undurchsichtige Materialien gilt unter thermischen Gleichgewichtsbedingungen näherungsweise:
Emissionsgrad ε + Reflexionsgrad ρ ≈ 1
Ein Material mit geringer Eigenemission reflektiert somit in der Regel einen größeren Anteil der auf seine Oberfläche treffenden Infrarotstrahlung.
Vereinfacht kann die aus Richtung des Messobjekts empfangene Strahldichte dargestellt werden als:
Lgemessen ≈ εLObjekt + (1 − ε)LHintergrund
Dabei gilt:
● ε ist der Emissionsgrad der Oberfläche;
● LObjekt ist die der tatsächlichen Objekttemperatur entsprechende Infrarotstrahlung;
● LHintergrund ist die effektive Umgebungsstrahlung, die von der Oberfläche zum Messgerät reflektiert wird.
Liegt ε nahe bei 1, stammt der größte Teil der erfassten Strahlung vom Messobjekt selbst und der Einfluss der Reflexion ist vergleichsweise gering.
Bei niedrigem Emissionsgrad nimmt der Anteil der reflektierten Strahlung zu. Dadurch können Änderungen der Temperatur oder Position benachbarter Wärmequellen den Messwert verändern, obwohl die tatsächliche Objekttemperatur unverändert bleibt.
Wie berücksichtigen Infrarotthermometer die Hintergrundstrahlung?
Ein Infrarotthermometer erfasst Strahlung innerhalb eines definierten Spektralbereichs und berechnet daraus mithilfe interner Algorithmen, der eingestellten Emissivität und der internen Temperaturkompensation einen Temperaturwert.
Wie die Hintergrundstrahlung berücksichtigt wird, hängt von der Ausstattung des Geräts ab.
● Emissionsgradkorrektur
Bei den meisten Infrarotthermometern mit einstellbarem Emissionsgrad kann der Anwender einen zur Oberfläche passenden Wert eingeben. Dieser Wert wird bei der Berechnung des Anteils von Eigen- und Reflexionsstrahlung berücksichtigt.
Eine korrekte Emissionsgradeinstellung beseitigt den Einfluss der Hintergrundstrahlung jedoch nicht automatisch. Insbesondere bei Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad und starken Wärmequellen in der Umgebung können weiterhin erhebliche Messabweichungen auftreten.
● Kompensation der Reflexionstemperatur
Einige professionelle Infrarotthermometer und Wärmebildgeräte ermöglichen die Eingabe einer Reflexionstemperatur oder einer vergleichbaren Kenngröße.
Anhand dieses Werts wird die von der Oberfläche reflektierte Umgebungsstrahlung abgeschätzt und bei der Temperaturberechnung kompensiert.
Die Reflexionstemperatur entspricht nicht zwangsläufig der Lufttemperatur. Sie beschreibt vielmehr die effektive äquivalente Strahlungstemperatur der Umgebung, die auf das Messobjekt einwirkt.
● Interne Temperaturkompensation des Geräts
Auch der Infrarotdetektor selbst wird von der Gerätetemperatur und Änderungen der Umgebungsbedingungen beeinflusst. Deshalb verfügen Infrarotthermometer üblicherweise über eine interne Temperaturkompensation zur Korrektur von Signaldrift.
Diese Kompensation betrifft das thermische Verhalten des Messgeräts und ist von der Kompensation reflektierter Hintergrundstrahlung zu unterscheiden.
Welche Messobjekte reagieren besonders empfindlich auf Hintergrundstrahlung?
Der Einfluss reflektierter Strahlung unterscheidet sich deutlich je nach Material und Oberflächenzustand.
Oberflächen mit hohem Emissionsgrad, raue Materialien und beschichtete Flächen sind in der Regel weniger empfindlich. Dazu gehören beispielsweise:
● Matte Lackoberflächen;
● Gummi;
● Kunststoffe;
● Holz;
● Papier;
● Viele nichtmetallische Materialien.
Besondere Vorsicht ist erforderlich bei:
● Poliertem Aluminium;
● Edelstahl;
● Kupfer;
● Blankmetallischen Bauteilen;
● Spiegelnden oder stark reflektierenden Oberflächen.
Solche Oberflächen weisen häufig einen niedrigen Emissionsgrad auf, der zudem von Wellenlänge, Oxidation, Rauheit und Oberflächenbehandlung abhängen kann. Dadurch kann ein erheblicher Anteil der Umgebungsstrahlung reflektiert werden.
Eine polierte Metalloberfläche kann beispielsweise die Strahlung eines benachbarten heißen Ofens reflektieren und dadurch einen deutlich zu hohen Messwert verursachen.
Umgekehrt kann ein heißes Messobjekt mit niedrigem Emissionsgrad bei Reflexion einer kälteren Umgebung einen zu niedrigen Messwert liefern.
Sind Umgebungstemperatur und Reflexionstemperatur identisch?
Nein.
Die Umgebungstemperatur bezeichnet üblicherweise die Lufttemperatur in der Umgebung von Messgerät und Messobjekt. Die Reflexionstemperatur beschreibt dagegen die gesamte thermische Strahlungsumgebung, die auf die Oberfläche des Messobjekts einwirkt.
In einer Werkhalle kann die Lufttemperatur beispielsweise 25 °C betragen, während sich unmittelbar neben dem zu messenden Metallteil ein 300 °C heißer Ofen befindet.
Dann gilt:
● Die Lufttemperatur bleibt möglicherweise bei etwa 25 °C;
● Die auf die Metalloberfläche einwirkende Infrarotstrahlung kann dennoch stark vom heißen Ofen bestimmt werden;
● Die effektive Reflexionstemperatur kann daher deutlich über der Lufttemperatur liegen.
Bei anspruchsvollen Infrarotmessungen sollte die Lufttemperatur deshalb nicht automatisch mit der Reflexionstemperatur gleichgesetzt werden.
Wie lassen sich Messfehler durch Hintergrundstrahlung reduzieren?
Mit mehreren praktischen Maßnahmen lässt sich der Einfluss der Umgebungsstrahlung verringern.
● Emissionsgrad korrekt einstellen
Der Emissionsgrad sollte zum Material und zum tatsächlichen Oberflächenzustand passen. Oxidation, Rauheit, Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen müssen berücksichtigt werden.
● Reflexion starker Wärmequellen vermeiden
Prüfen Sie, ob sich Öfen, heiße Rohrleitungen, Heizgeräte oder andere starke Wärmequellen in der Umgebung befinden und ob deren Strahlung über die Zieloberfläche in Richtung des Messgeräts reflektiert werden kann.
● Messposition und Messwinkel optimieren
Ändert sich die angezeigte Temperatur bereits bei einer geringfügigen Veränderung des Messwinkels deutlich, kann reflektierte Strahlung die Ursache sein.
Bei üblichen Infrarotmessungen sollte möglichst annähernd senkrecht zur Oberfläche gemessen werden. Gleichzeitig ist eine Messgeometrie zu vermeiden, bei der sich eine starke Wärmequelle direkt im spiegelnden Reflexionsweg zum Messgerät befindet.
● Reflexionen des Bedieners reduzieren
Bei Metallen mit niedrigem Emissionsgrad kann auch der Bediener selbst als Infrarotstrahlungsquelle wirken. Bei geringem Abstand kann eine blanke Oberfläche Wärmestrahlung von Körper oder Händen in Richtung des Messgeräts reflektieren.
Der Bediener und andere warme Objekte sollten daher möglichst außerhalb relevanter Reflexionsrichtungen bleiben.
● Referenzfläche mit hohem Emissionsgrad verwenden
Wenn der Prozess dies zulässt, kann eine Beschichtung, ein geeignetes Emissionsband oder ein anderes Referenzmaterial mit bekannt hohem Emissionsgrad aufgebracht werden. Die Messung sollte erfolgen, nachdem sich die Referenzfläche thermisch an das Messobjekt angeglichen hat.
Diese Methode kann die Unsicherheit bei der Messung niedrig emittierender Metalloberflächen deutlich reduzieren.
● Reflexionstemperatur bei geeigneten Geräten einstellen
Unterstützt das Gerät eine entsprechende Kompensation, sollte die Reflexionstemperatur an die tatsächliche Strahlungsumgebung angepasst und nicht automatisch mit der Raumtemperatur gleichgesetzt werden.
Wie lässt sich erkennen, ob Hintergrundstrahlung den Messwert beeinflusst?
Einige typische Beobachtungen können auf Reflexionseinflüsse hinweisen.
● Der Messwert ändert sich deutlich bei geringfügiger Änderung des Messwinkels;
● Der Messwert verändert sich, wenn der Bediener seine Position wechselt;
● Das Ein- oder Ausschalten benachbarter Heizgeräte beeinflusst die Anzeige;
● Dieselbe Metalloberfläche liefert aus unterschiedlichen Richtungen deutlich verschiedene Werte;
● Eine Referenzfläche mit hohem Emissionsgrad zeigt einen deutlich anderen Wert als die unbehandelte Metalloberfläche.
In solchen Fällen sollte nicht sofort von einem Gerätefehler ausgegangen werden. Zunächst sind Emissionsgrad, Strahlungsumgebung und Messgeometrie zu prüfen.
FAQ
Führt eine höhere Hintergrundtemperatur immer zu einem höheren Messwert?
Nein. Die Richtung der Abweichung hängt von der tatsächlichen Objekttemperatur, dem Emissionsgrad und der Strahlungstemperatur der Umgebung ab. Ist der Hintergrund wärmer als ein niedrig emittierendes Messobjekt, kann der Messwert zu hoch ausfallen. Bei deutlich kälterer Umgebung kann er zu niedrig sein.
Sind Oberflächen mit hohem Emissionsgrad vollständig unempfindlich gegenüber Hintergrundstrahlung?
Nein. Der Einfluss ist jedoch meist geringer, weil ein größerer Anteil der erfassten Strahlung vom Messobjekt selbst stammt.
Muss Hintergrundstrahlung auch bei korrekt eingestelltem Emissionsgrad berücksichtigt werden?
Ja. Besonders bei niedrig emittierenden Metallen, stark reflektierenden Oberflächen und Messobjekten in der Nähe intensiver Wärmequellen reicht die Emissionsgradeinstellung allein nicht aus.
Kann die Reflexionstemperatur einfach auf Raumtemperatur eingestellt werden?
In einer homogenen Umgebung ohne ausgeprägte warme oder kalte Strahlungsquellen kann die Raumtemperatur gegebenenfalls als Näherung dienen. Bei Öfen, Heizgeräten, kalten Wänden oder anderen deutlich abweichenden Oberflächentemperaturen ist dies jedoch nicht ausreichend.
Warum schwanken Messwerte bei blankem Metall besonders stark?
Blankes Metall besitzt häufig einen niedrigen Emissionsgrad und einen hohen Reflexionsgrad. Dadurch kann ein erheblicher Anteil der gemessenen Infrarotstrahlung aus der Umgebung stammen, sodass Messwinkel, Bedienerposition und nahe Wärmequellen den Messwert stärker beeinflussen.
Fazit
Ein Infrarotthermometer misst nicht direkt die Temperatur, sondern ermittelt sie aus der erfassten Infrarotstrahlung. Deshalb müssen sowohl die Eigenstrahlung des Messobjekts als auch reflektierte Umgebungsstrahlung berücksichtigt werden.
Bei Materialien mit hohem Emissionsgrad dominiert in der Regel die Eigenstrahlung, sodass der Einfluss der Umgebung begrenzt bleibt. Bei polierten Metallen und anderen Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad kann reflektierte Strahlung dagegen eine wesentliche Fehlerquelle darstellen.
Zuverlässige Messungen erfordern daher eine korrekte Einstellung des Emissionsgrades, die Beurteilung heißer und kalter Strahlungsquellen in der Umgebung, eine geeignete Messgeometrie sowie bei Bedarf die Kompensation der Reflexionstemperatur oder die Verwendung einer Referenzfläche mit hohem Emissionsgrad.
Das Verständnis der Umgebungsstrahlung ist eine wichtige Voraussetzung, um Infrarot-Messwerte richtig zu interpretieren und unerwartete Abweichungen fachgerecht zu beurteilen.
