Einleitung
Ein Infrarotthermometer erfasst die von einer Oberfläche ausgehende Infrarotstrahlung und berechnet daraus deren Oberflächentemperatur. Grundsätzlich lassen sich daher Aluminium, Kupfer, Edelstahl und andere Metalloberflächen berührungslos messen.
Dass eine Oberfläche messbar ist, bedeutet jedoch nicht automatisch, dass unmittelbar ein genauer Temperaturwert ermittelt werden kann.
Polierte, bearbeitete oder glänzende Aluminium- und Kupferoberflächen besitzen häufig einen niedrigen Emissionsgrad und gleichzeitig ein hohes Reflexionsvermögen. Dadurch kann das Infrarotthermometer einen erheblichen Anteil reflektierter Wärmestrahlung aus der Umgebung erfassen. Die angezeigte Temperatur kann dann deutlich von der tatsächlichen Oberflächentemperatur abweichen.
Bei hochreflektierenden Metallen besteht die entscheidende Herausforderung deshalb nicht darin, überhaupt einen Messwert zu erhalten, sondern die Einflüsse von Emissionsgrad und Umgebungsreflexionen ausreichend zu kontrollieren.
Das Wichtigste im Überblick
● Aluminium, Kupfer und andere Metalle können mit einem Infrarotthermometer gemessen werden; glänzende Metalloberflächen gehören jedoch zu den anspruchsvollsten Messobjekten der berührungslosen Temperaturmessung.
● Poliertes Aluminium und Kupfer weisen meist einen niedrigen Emissionsgrad und ein hohes Reflexionsvermögen auf und reagieren deshalb empfindlich auf Wärmestrahlung von Maschinen, Personen, Wänden oder heißen Objekten in der Umgebung.
● Stimmt der eingestellte Emissionsgrad des Messgeräts nicht mit der tatsächlichen Oberfläche überein, können erhebliche Messabweichungen entstehen.
● Oxidierte, lackierte, eloxierte oder aufgeraute Metalloberflächen lassen sich in der Regel zuverlässiger messen als blanke oder hochglänzende Oberflächen.
● Bei höheren Genauigkeitsanforderungen kann ein Bereich mit bekanntem Emissionsgrad geschaffen werden, beispielsweise mit geeignetem schwarzem Klebeband oder einer matten Beschichtung.
● Zusätzlich müssen Zielgröße, Messabstand, Messfleckgröße und reflektierte Wärmestrahlung aus der Umgebung berücksichtigt werden.
Warum sind Aluminium und Kupfer mit einem Infrarotthermometer schwierig zu messen?
Ein Infrarotthermometer misst die von der Oberfläche ausgehende Infrarotstrahlung und nicht unmittelbar die Temperatur im Inneren des Werkstoffs.
Die Strahlungseigenschaften einer Oberfläche hängen wesentlich von ihrem Emissionsgrad ab. Oberflächen mit hohem Emissionsgrad senden einen größeren Anteil ihrer eigenen Wärmestrahlung aus und lassen sich deshalb in der Regel zuverlässiger messen. Bei niedrigem Emissionsgrad gewinnt dagegen reflektierte Umgebungsstrahlung deutlich an Bedeutung.
Glänzendes Aluminium und Kupfer sind typische Materialien mit niedrigem Emissionsgrad. Sie geben selbst vergleichsweise wenig Infrarotstrahlung ab, reflektieren jedoch einen großen Anteil der Wärmestrahlung aus ihrer Umgebung.
Das Messgerät kann deshalb eine Kombination aus Eigenstrahlung des Messobjekts und reflektierter Hintergrundstrahlung erfassen.
Aus diesem Grund kann sich der Messwert derselben Metalloberfläche verändern, obwohl ihre tatsächliche Temperatur konstant bleibt, wenn sich beispielsweise Messwinkel, Position der Bedienperson oder Lage einer Wärmequelle ändern.
Warum zeigen hochreflektierende Metalle häufig zu niedrige Temperaturen an?
Ein typischer Fall ist eine tatsächlich heiße Metalloberfläche, bei der das Infrarotthermometer dennoch eine deutlich niedrigere Temperatur anzeigt.
Eine wesentliche Ursache ist häufig eine falsche Zuordnung zwischen eingestelltem Emissionsgrad und tatsächlichem Emissionsgrad der Metalloberfläche.
Viele Materialien, die bei üblichen berührungslosen Temperaturmessungen vorkommen, besitzen einen vergleichsweise hohen Emissionsgrad. Wird das Messgerät entsprechend eingestellt, obwohl das eigentliche Messobjekt eine glänzende Metalloberfläche mit niedrigem Emissionsgrad ist, kann bei der Temperaturberechnung ein erheblicher Fehler entstehen.
Bei reflektierenden Metallen führt die Abweichung jedoch nicht zwangsläufig zu einem zu niedrigen Wert.
Reflektiert die Metalloberfläche beispielsweise einen Heizkörper, Ofen, eine heiße Maschine oder eine andere Wärmequelle, kann die angezeigte Temperatur auch zu hoch sein. Ein pauschaler fester Korrekturwert ist daher für niedrig emittierende Metalloberflächen nicht zuverlässig.
Welche Bedeutung hat der Emissionsgrad?
Der Emissionsgrad ist einer der wichtigsten Parameter bei der Infrarotmessung von Aluminium, Kupfer und anderen Metallen.
Nicht nur unterschiedliche Metalle besitzen unterschiedliche Emissionsgrade. Auch bei demselben Werkstoff kann sich der Emissionsgrad durch den Oberflächenzustand erheblich verändern.
Bei Aluminium gilt beispielsweise:
● Poliertes Aluminium kann einen sehr niedrigen Emissionsgrad besitzen;
● oxidiertes Aluminium kann einen deutlich höheren Emissionsgrad aufweisen;
● bei lackiertem Aluminium bestimmen vor allem die Strahlungseigenschaften der Beschichtung das Messergebnis;
● aufgeraute, korrodierte oder anderweitig behandelte Aluminiumoberflächen können sich deutlich von frisch bearbeitetem, blankem Aluminium unterscheiden.
Für Kupfer gilt dasselbe. Blankes Kupfer, oxidiertes Kupfer und beschichtete Kupferoberflächen können sehr unterschiedliche infrarote Strahlungseigenschaften besitzen.
Daher sollte für „Aluminium“ oder „Kupfer“ nicht pauschal ein einzelner Emissionsgrad verwendet werden.
Warum kann sich der Messwert mit dem Messwinkel verändern?
Hochreflektierende Metalle reflektieren Wärmestrahlung besonders stark. Ändert sich der Messwinkel, kann sich deshalb auch die Quelle der in Richtung des Infrarotthermometers reflektierten Strahlung ändern.
Wird eine glänzende Metallfläche beispielsweise frontal gemessen, kann die Wärmestrahlung der Bedienperson von der Oberfläche in Richtung Messgerät reflektiert werden.
Wird die Position verändert, kann dieselbe Fläche stattdessen eine Wand, die Decke, eine Maschine oder eine heiße Anlage reflektieren.
Obwohl die tatsächliche Temperatur des Messobjekts unverändert bleibt, kann sich dadurch die gesamte am Sensor ankommende Infrarotstrahlung verändern und der angezeigte Temperaturwert schwanken.
Wenn sich der Messwert bei einer Änderung des Messwinkels deutlich verändert, sollte deshalb zunächst die reflektierte Hintergrundstrahlung berücksichtigt werden, bevor ein Gerätefehler vermutet wird.
Sind oxidiertes Aluminium und oxidiertes Kupfer leichter zu messen?
In vielen Fällen ja.
Oxidation, Korrosion, Lackierungen, Beschichtungen und andere Oberflächenbehandlungen verändern die infraroten Strahlungseigenschaften einer Metalloberfläche.
Verglichen mit spiegelnden oder stark polierten Metallen weisen oxidierte, beschichtete oder aufgeraute Oberflächen häufig einen höheren Emissionsgrad auf. Sie sind dadurch meist weniger empfindlich gegenüber reflektierter Umgebungsstrahlung und lassen sich einfacher berührungslos messen.
Zu beachten ist jedoch, dass ein Infrarotthermometer grundsätzlich die Strahlungseigenschaften der äußersten Oberfläche erfasst.
Bei einer lackierten Aluminiumplatte wird daher in erster Linie die Wärmestrahlung der Lackoberfläche gemessen. Besteht zwischen Beschichtung und Metallsubstrat ein deutlicher Temperaturunterschied, darf der angezeigte Wert nicht automatisch mit der Temperatur im Inneren des Metalls gleichgesetzt werden.
Wie lässt sich die Messzuverlässigkeit bei Aluminium und Kupfer verbessern?
Sofern eine Oberflächenbehandlung zulässig ist, kann auf dem Messobjekt ein Bereich mit stabilerem und höherem Emissionsgrad geschaffen werden.
Eine verbreitete Methode besteht darin, geeignetes schwarzes Klebeband mit bekanntem beziehungsweise ausreichend hohem Emissionsgrad an der Messstelle anzubringen. Vor der Messung sollte gewartet werden, bis Klebeband und Metall thermisch im Gleichgewicht sind.
Das Klebeband soll nicht die Temperatur des Metalls verändern. Es ersetzt lediglich die niedrig emittierende und stark reflektierende Messoberfläche durch eine Oberfläche mit höherem Emissionsgrad und geringerer Reflexion, die zuverlässiger mit einem Infrarotthermometer erfasst werden kann.
Je nach Anwendung können auch geeignete matte Beschichtungen oder andere Oberflächenbehandlungen mit bekanntem Emissionsgrad verwendet werden.
Klebeband oder Beschichtung müssen für die tatsächliche Temperatur und die Umgebungsbedingungen geeignet sein. Auf sehr heißen Oberflächen, beweglichen Bauteilen, elektrisch gefährlichen Bereichen oder Komponenten, die nicht berührt werden dürfen, sollten solche Materialien nicht ohne geeignete Sicherheitsbewertung angebracht werden.
Reicht die korrekte Einstellung des Emissionsgrades aus?
Unterstützt das Infrarotthermometer einen einstellbaren Emissionsgrad, kann eine korrekte Einstellung die Messgenauigkeit deutlich verbessern. Sie beseitigt jedoch nicht alle möglichen Fehlerquellen.
Niedrig emittierende Oberflächen bleiben grundsätzlich empfindlich gegenüber reflektierter Wärmestrahlung.
Selbst bei korrekt eingestelltem Emissionsgrad können heiße Maschinen, Personen oder andere thermische Quellen aus der Umgebung das Messergebnis beeinflussen.
Bei Aluminium, Kupfer und anderen stark reflektierenden Metallen sollten daher gleichzeitig folgende Punkte berücksichtigt werden:
● Ist der tatsächliche Emissionsgrad der Oberfläche bekannt?
● Ist der Emissionsgrad am Messgerät passend eingestellt?
● Befinden sich in der Umgebung deutlich wärmere oder kältere Strahlungsquellen?
● Begünstigt der Messwinkel starke Reflexionen?
● Ist das Messobjekt ausreichend groß?
● Ist der Messabstand geeignet?
Die Einstellung des Emissionsgrades ist daher nur ein Teil der gesamten Messbedingungen.
Warum ist auch der Messabstand wichtig?
Auch bei korrekt eingestelltem Emissionsgrad kann ein ungeeigneter Messabstand zu falschen Messergebnissen führen.
Ein Infrarotthermometer misst nicht ausschließlich den vom Laser markierten Punkt. Erfasst wird vielmehr die mittlere Infrarotstrahlung innerhalb eines bestimmten Messflecks. Mit zunehmendem Messabstand wird dieser Messfleck in der Regel größer.
Ist beispielsweise ein Kupferrohr, eine Aluminiumschiene, eine Stromschiene oder ein Metallkontakt kleiner als der tatsächliche Messfleck, nimmt das Gerät gleichzeitig Strahlung aus dem Hintergrund auf.
Wird ein dünnes Kupferrohr aus zu großer Entfernung gemessen, kann der Messfleck sowohl das Rohr als auch die dahinterliegende Wand erfassen. Der angezeigte Wert entsteht dann aus der kombinierten Strahlung mehrerer Flächen und entspricht nicht ausschließlich der Temperatur des Kupferrohrs.
Der Messabstand sollte deshalb entsprechend dem Distanz-zu-Messfleck-Verhältnis (D:S) des Geräts gewählt werden. Das Messobjekt sollte deutlich größer als der tatsächliche Messfleck sein.
Bei welchen Anwendungen mit Aluminium und Kupfer ist besondere Vorsicht erforderlich?
Folgende Situationen sind besonders anfällig für größere Messfehler:
● stark polierte Aluminium- oder Kupferplatten;
● neu bearbeitete, glänzende Kupfer- oder Aluminiumschienen;
● spiegelnde oder nahezu spiegelnde Metallbauteile;
● Messstellen in der Nähe von Öfen, Heizelementen oder anderen heißen Anlagen;
● kleine Messobjekte bei zu großem Messabstand;
● Metalloberflächen mit gleichzeitig oxidierten und blanken Bereichen;
● Labor-, Qualitätsprüf- oder Prozessanwendungen mit hohen Anforderungen an die absolute Temperaturgenauigkeit.
Wenn Emissionsgrad und reflektierte Hintergrundstrahlung nicht ausreichend bekannt oder kontrollierbar sind, sollte ein einzelner Infrarotmesswert nicht als alleinige Grundlage für eine präzise Temperaturbestimmung verwendet werden.
Bei höheren Genauigkeitsanforderungen kann ein geeigneter Kontakt-Temperaturfühler zur Referenz oder Überprüfung eingesetzt werden.
Eignet sich ein Infrarotthermometer für schnelle Temperaturkontrollen an Metall?
Ja. Wichtig ist jedoch die Unterscheidung zwischen einer schnellen Zustandskontrolle und einer präzisen absoluten Temperaturmessung.
In der industriellen Instandhaltung, bei elektrischen Prüfungen und bei der Kontrolle mechanischer Anlagen eignen sich Infrarotthermometer sehr gut, um ungewöhnliche Temperaturunterschiede schnell zu erkennen.
Beispielsweise können mehrere Kupfer- oder Aluminiumschienen, Anschlüsse oder Bauteile mit vergleichbarer Konstruktion und ähnlichem Oberflächenzustand miteinander verglichen werden, um auffällige Erwärmungen zu identifizieren.
In solchen Anwendungen sind relative Temperaturunterschiede häufig aussagekräftiger als ein einzelner absoluter Messwert.
Soll dagegen die genaue Oberflächentemperatur eines blanken Kupfer- oder Aluminiumbauteils bestimmt werden, ist ein unkorrigierter Infrarotwert unter Umständen nicht ausreichend zuverlässig. Emissionsgrad, Hintergrundreflexion, Oberflächenzustand und Messgeometrie müssen dann zusätzlich berücksichtigt werden.
FAQ
Kann ein Infrarotthermometer eine glänzende Aluminiumplatte direkt messen?
● Ein Messwert kann erfasst werden. Glänzendes Aluminium besitzt jedoch meist einen niedrigen Emissionsgrad und eine hohe Reflexion, sodass direkte Messungen erhebliche Abweichungen aufweisen können. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen sollte die Messoberfläche entsprechend vorbereitet oder das Ergebnis mit einer anderen Methode überprüft werden.
Warum schwankt die gemessene Temperatur eines Kupferrohrs?
● Neben realen Temperaturänderungen können reflektierte Umgebungsstrahlung, Änderungen des Messwinkels, ein zu großer Messabstand oder ein zu großer Messfleck die Ursache sein.
Kann schwarzes Klebeband die Messgenauigkeit bei Metall verbessern?
● Innerhalb des zulässigen Temperaturbereichs kann geeignetes schwarzes Klebeband eine Oberfläche mit relativ stabilem, hohem Emissionsgrad und geringerer Reflexion erzeugen. Vor der Messung sollte es thermisches Gleichgewicht mit dem Metall erreicht haben.
Ist eine Aluminiumoberfläche bei korrekt eingestelltem Emissionsgrad immer genau messbar?
● Nein. Auch bei passender Emissionsgradeinstellung können reflektierte Hintergrundstrahlung, Oxidationszustand, Messwinkel, Zielgröße und Messfleck das Ergebnis beeinflussen.
Können oxidiertes und glänzendes Aluminium mit demselben Emissionsgrad gemessen werden?
● Ein identischer Festwert sollte nicht pauschal angenommen werden. Der Oberflächenzustand kann die Strahlungseigenschaften erheblich verändern, daher sollte der Emissionsgrad an die tatsächliche Oberfläche angepasst werden.
Zeigt der Laserpunkt beim Messen einer Kupferschiene den vollständigen Messbereich?
● Nein. Der Laser dient hauptsächlich zur Ausrichtung und stellt nicht den gesamten infraroten Messbereich dar. Der tatsächliche Messfleck ist in der Regel größer. Deshalb sollte anhand des D:S-Verhältnisses geprüft werden, ob das Messobjekt ausreichend groß ist.
Ist ein Kontaktthermometer bei stark reflektierenden Metallen zuverlässiger?
● Wenn ein sicherer Kontakt möglich ist und die Messbedingungen geeignet sind, kann ein Kontaktfühler eine wichtige Referenz oder Kontrollmessung liefern, insbesondere wenn eine genaue absolute Temperatur bestimmt werden soll.
Zusammenfassung
Infrarotthermometer können Aluminium, Kupfer und andere stark reflektierende Metalle messen. Solche Oberflächen zählen jedoch zu den anspruchsvolleren Messobjekten der berührungslosen Temperaturmessung.
Das Problem besteht nicht darin, dass Metall keine Infrarotstrahlung aussendet. Glänzende Metalle besitzen vielmehr häufig einen niedrigen Emissionsgrad und ein hohes Reflexionsvermögen. Dadurch kann die reflektierte Hintergrundstrahlung einen erheblichen Anteil am vom Messgerät empfangenen Signal ausmachen.
Für zuverlässige Messungen müssen Oberflächenzustand, Emissionsgradeinstellung, reflektierte Hintergrundstrahlung, Messwinkel, Zielgröße und D:S-Verhältnis gemeinsam berücksichtigt werden. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen können schwarzes Klebeband mit bekanntem Emissionsgrad, eine geeignete matte Beschichtung oder eine andere kontrollierte Messoberfläche verwendet werden. Bei Bedarf sollte die Messung durch einen Kontaktfühler überprüft werden.
Für industrielle Inspektionen und schnelle Temperaturvergleiche bleiben Infrarotthermometer äußerst effiziente berührungslose Messgeräte. Bei blankem Aluminium, Kupfer und anderen niedrig emittierenden Oberflächen ist jedoch die Kontrolle der Messbedingungen wichtiger als das bloße Ablesen des angezeigten Temperaturwerts.
