Einleitung
Ein Infrarot-Thermometer misst keinen unendlich kleinen Punkt. Stattdessen erfasst es die von einem definierten Bereich der Zieloberfläche abgegebene Infrarotstrahlung. Die Größe dieses Bereichs hängt vom Sichtfeld (Field of View, FOV) des Geräts ab.
Mit zunehmendem Messabstand wird der erfasste Bereich in der Regel größer. Selbst wenn der Laserpunkt weiterhin auf dem Ziel liegt, können deshalb umliegende Flächen die Messung beeinflussen, wenn das Ziel den tatsächlichen Messbereich nicht vollständig ausfüllt.
Das Verständnis des FOV ist entscheidend, um zu beurteilen, wie groß der tatsächlich erfasste Bereich ist und wie Messabstand, Messfleckgröße und D:S-Verhältnis zusammenhängen.
Das Wichtigste im Überblick
● Das FOV beschreibt den räumlichen Bereich, aus dem das optische System Infrarotstrahlung empfängt.
● Ein Infrarot-Thermometer misst eine Fläche und nicht den Laserpunkt selbst.
● Mit zunehmendem Messabstand wird der Messfleck normalerweise größer.
● Das Messobjekt sollte den tatsächlichen Messbereich vollständig abdecken.
● FOV und D:S-Verhältnis hängen eng zusammen, beschreiben die optische Leistung jedoch auf unterschiedliche Weise.
● Ist das Ziel zu klein oder der Messabstand zu groß, können Hintergrundtemperaturen den Messwert beeinflussen.
Was ist das FOV eines Infrarot-Thermometers?
FOV steht für Field of View, auf Deutsch Sichtfeld.
Bei einem Infrarot-Thermometer beschreibt es den räumlichen Bereich, aus dem das optische System Infrarotstrahlung aufnehmen kann. Vereinfacht lässt sich das Sichtfeld als ein sich nach außen öffnender Messkegel verstehen: Je größer der Abstand zum Ziel, desto größer wird in der Regel die erfasste Fläche.
Wird beispielsweise die Temperatur einer erhitzten Metallplatte gemessen, empfängt der Detektor nicht nur Strahlung von der Position des Laserpunkts. Er erfasst Infrarotenergie aus einem größeren Bereich innerhalb des Sichtfelds.
Damit beantwortet das FOV eine zentrale praktische Frage:
● Wie groß ist bei der aktuellen Entfernung der tatsächlich gemessene Oberflächenbereich?
Dieser Bereich wird üblicherweise als Messfleck bezeichnet.
Warum beeinflusst das FOV die Temperaturmessung?
Ein Infrarot-Thermometer berechnet die Temperatur anhand der Infrarotstrahlung, die den Detektor erreicht. Wird das gesamte Sichtfeld vom gewünschten Messobjekt ausgefüllt, stammt die erfasste Strahlung überwiegend von diesem Objekt.
Reicht der Messfleck jedoch über die Grenzen des Ziels hinaus, kann der Detektor gleichzeitig Strahlung vom Ziel und von der Umgebung erfassen.
Wird beispielsweise ein schmales heißes Rohr aus zu großer Entfernung gemessen, kann der Messfleck größer als der Rohrdurchmesser sein. Der Detektor erfasst dann möglicherweise Strahlung von:
● Der Rohroberfläche;
● Der Wand hinter dem Rohr;
● Benachbarten Maschinen oder anderen Umgebungsflächen.
Der angezeigte Wert entspricht dann möglicherweise nicht mehr zuverlässig der tatsächlichen Oberflächentemperatur des Rohrs.
Dieser Effekt ist besonders relevant, wenn zwischen Ziel und Hintergrund große Temperaturunterschiede bestehen.
Wie hängen Messabstand und FOV zusammen?
Bei den meisten Infrarot-Thermometern nimmt die Größe des Messbereichs mit zunehmender Entfernung zu.
Vereinfacht gilt:
● Kurzer Abstand → kleiner Messfleck;
● Großer Abstand → großer Messfleck.
Gibt der Hersteller den vollständigen Sichtwinkel θ an, kann der Messfleckdurchmesser geometrisch näherungsweise berechnet werden:
Messfleckdurchmesser ≈ 2 × Messabstand × tan(θ ÷ 2)
Dabei bezeichnet θ den vollständigen Sichtwinkel.
Bei tragbaren Infrarot-Thermometern wird in der Praxis jedoch häufiger das D:S-Verhältnis angegeben, da sich damit der Zusammenhang zwischen Messentfernung und Messfleckgröße einfacher beurteilen lässt.
Was ist der Unterschied zwischen FOV und D:S-Verhältnis?
FOV und D:S-Verhältnis beziehen sich beide auf den Messbereich eines Infrarot-Thermometers, verwenden jedoch unterschiedliche Darstellungsformen.
Das FOV beschreibt den optischen Erfassungsbereich hauptsächlich als Winkel. Das D:S-Verhältnis beschreibt dagegen das Verhältnis zwischen Messabstand und Messfleckdurchmesser.
Dabei gilt:
● D steht für Distance, also Messabstand;
● S steht für Spot Size, also Messfleckgröße.
Bei einem D:S-Verhältnis von 12:1 ergibt sich theoretisch beispielsweise:
● Bei etwa 120 mm Abstand beträgt der Messfleckdurchmesser ca. 10 mm;
● Bei etwa 600 mm Abstand beträgt er ca. 50 mm;
● Bei etwa 1200 mm Abstand beträgt er ca. 100 mm.
Ein höheres D:S-Verhältnis ermöglicht es in der Regel, bei gleicher Entfernung kleinere Ziele zu messen.
Das FOV beschreibt somit das optische Sichtfeld, während das D:S-Verhältnis dem Anwender eine besonders praktische Beurteilung von Messabstand und Zielgröße ermöglicht.
Entspricht das FOV dem Laserpunkt?
Nein.
Dies gehört zu den häufigsten Missverständnissen bei der Anwendung von Infrarot-Thermometern.
Der Laser dient hauptsächlich als Zielhilfe. Er zeigt näherungsweise an, wohin das Gerät ausgerichtet ist. Der Laser selbst misst keine Temperatur und stellt auch nicht den vollständigen Erfassungsbereich des Infrarotdetektors dar.
Selbst wenn der sichtbare Laserpunkt nur wenige Millimeter groß ist, kann der tatsächliche Messfleck bereits mehrere Zentimeter Durchmesser erreichen.
Daher gilt:
● Der Laser kennzeichnet die Zielrichtung;
● Das FOV bestimmt den optischen Erfassungsbereich;
● Der Messfleck ist die tatsächliche Fläche, deren Strahlung zur Temperaturmessung beiträgt.
Ein Laserpunkt auf dem Ziel bedeutet daher nicht, dass ausschließlich diese Stelle gemessen wird.
Wie viel größer sollte das Ziel als der Messfleck sein?
Für zuverlässige Messungen sollte das Ziel nicht lediglich genau der theoretischen Messfleckgröße entsprechen.
In der Praxis ist es besser, wenn das Ziel deutlich größer als der Messbereich ist. Dadurch bleibt das gesamte Sichtfeld innerhalb der Zieloberfläche und es besteht zusätzlich eine Reserve für Zielabweichungen, Handbewegungen und die tatsächliche optische Empfindlichkeitsverteilung.
Beträgt der berechnete Messfleckdurchmesser beispielsweise 50 mm, ist ein Ziel mit exakt 50 mm Durchmesser nicht automatisch eine ideale Messbedingung.
Empfehlenswert ist:
● Den Messabstand nach Möglichkeit verringern;
● Einen größeren und möglichst gleichmäßigen Zielbereich wählen;
● Messungen nahe der Zielkante vermeiden;
● Verhindern, dass Hintergrundflächen in das Messfeld gelangen.
Bei kleinen Zielen ist es in der Regel zuverlässiger, näher heranzugehen, anstatt sich ausschließlich am Laserpunkt zu orientieren.
Ist ein kleineres FOV grundsätzlich besser?
Nein.
Ein kleineres FOV führt bei gleichem Abstand normalerweise zu einem kleineren Messfleck und eignet sich daher besonders für:
● Kleine Messobjekte;
● Messungen aus größerer Entfernung;
● Lokale Temperaturmessungen an Rohren oder elektrischen Komponenten;
● Anwendungen mit höheren Anforderungen an die räumliche Auflösung.
Bei der Auswahl eines Infrarot-Thermometers müssen jedoch auch Temperaturbereich, Genauigkeit, Ansprechzeit, Emissionsgradeinstellung, Spektralbereich und die konkrete Anwendung berücksichtigt werden.
Bei großen Messobjekten oder typischen Messungen aus kurzer Entfernung bietet eine sehr hohe optische Auflösung nicht zwangsläufig einen praktischen Vorteil.
FOV beziehungsweise D:S-Verhältnis sollten deshalb nach Zielgröße und tatsächlichem Messabstand ausgewählt werden.
Wann ist das FOV besonders wichtig?
Bei großen Wänden, Böden oder großflächigen Maschinenoberflächen ist das FOV meist unkritisch, solange das Ziel den Messbereich vollständig ausfüllt.
Besonders wichtig ist es dagegen bei:
● Dünnen Rohren oder Leitungen;
● Elektrischen Klemmen, Kontaktstellen und Steckverbindungen;
● Einzelnen Bauteilen auf Leiterplatten;
● Lagern und kleinen mechanischen Komponenten;
● Hochtemperaturgeräten, die aus größerer Entfernung gemessen werden;
● Messungen hinter Sicherheitsabsperrungen;
● Zielen mit deutlich anders temperierten Umgebungsflächen.
Füllt das Ziel den Messbereich in solchen Situationen nicht vollständig aus, kann der Messwert trotz korrekter Ausrichtung von der tatsächlichen Oberflächentemperatur abweichen.
Wie lassen sich FOV-bedingte Messfehler vermeiden?
Zunächst sollte das D:S-Verhältnis oder das optische Diagramm des Herstellers geprüft werden, um die Messfleckgröße bei der vorgesehenen Entfernung abzuschätzen.
Das Ziel sollte anschließend deutlich größer als der Messfleck sein.
In der Praxis empfiehlt sich:
● Aus möglichst kurzer sinnvoller Entfernung messen;
● Für kleine Ziele ein Gerät mit höherem D:S-Verhältnis verwenden;
● Laserpunkt und tatsächlichen Messfleck nicht miteinander verwechseln;
● Möglichst auf die Mitte des Ziels statt auf dessen Rand zielen;
● Hintergrundflächen, Öffnungen oder Objekte mit abweichender Temperatur aus dem Sichtfeld ausschließen;
● Vor Fernmessungen prüfen, ob das Ziel ausreichend groß ist;
● Bei höheren Genauigkeitsanforderungen das optische Diagramm oder die Messfleckdaten des jeweiligen Gerätemodells beachten.
FAQ
Bedeutet ein größeres FOV einen größeren Temperaturmessbereich?
Nein. Ein größeres FOV bedeutet in der Regel, dass bei gleicher Entfernung eine größere Fläche erfasst wird. Der Temperaturmessbereich beschreibt dagegen die niedrigste und höchste messbare Temperatur und ist eine separate Spezifikation.
Sind FOV und D:S-Verhältnis dasselbe?
Nicht vollständig. Das FOV wird üblicherweise als Winkel angegeben, während das D:S-Verhältnis die optische Auflösung als Verhältnis zwischen Messabstand und Messfleckgröße beschreibt. Beide Größen stehen jedoch in direktem Zusammenhang mit der Größe des Messbereichs.
Ist ein Infrarot-Thermometer genauer, wenn es näher am Ziel ist?
Nicht unbedingt im Hinblick auf die spezifizierte Gerätegenauigkeit. Ein kürzerer Abstand erzeugt jedoch meist einen kleineren Messfleck, sodass das Ziel das Sichtfeld leichter vollständig ausfüllt und Umgebungseinflüsse reduziert werden.
Warum kann der Messwert falsch sein, obwohl der Laser auf dem Ziel liegt?
Weil der Laser lediglich als Zielhilfe dient. Ist der tatsächliche Infrarot-Messfleck größer als das Ziel, kann der Detektor zusätzlich Strahlung aus der Umgebung erfassen.
Wann ist ein hohes D:S-Verhältnis sinnvoll?
Vor allem bei kleinen Messobjekten, großen Messentfernungen oder Anwendungen, bei denen umliegende Flächen vom Messbereich ausgeschlossen werden müssen, beispielsweise bei hoch gelegenen Rohren, elektrischen Komponenten, mechanischen Teilen oder Hochtemperaturanlagen.
Fazit
Das FOV eines Infrarot-Thermometers beschreibt den räumlichen Bereich, aus dem das optische System Infrarotstrahlung empfängt. Es bestimmt damit die Größe des tatsächlich erfassten Messbereichs bei unterschiedlichen Entfernungen.
Der wichtigste Grundsatz lautet: Ein Infrarot-Thermometer misst eine Fläche und nicht den Laserpunkt.
Mit zunehmendem Messabstand wird der Messfleck in der Regel größer. Füllt das Ziel das Sichtfeld nicht vollständig aus, kann Infrarotstrahlung von umliegenden Oberflächen in den Detektor gelangen und den Messwert beeinflussen.
Für zuverlässige Messungen sollten deshalb FOV, D:S-Verhältnis, Messabstand und Zielgröße gemeinsam betrachtet werden. Bei kleinen Messobjekten empfiehlt es sich, den Abstand zu verringern oder ein Gerät mit höherem D:S-Verhältnis zu verwenden und sicherzustellen, dass das Ziel den tatsächlichen Messbereich vollständig abdeckt.
