Einleitung

Ein Infrarot-Thermometer ermöglicht die berührungslose Messung der Oberflächentemperatur eines Objekts. Eine zentrale Komponente dafür ist der Infrarotdetektor, der häufig auch als Infrarotsensor bezeichnet wird.

Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts sendet elektromagnetische Strahlung aus. Das optische System eines Infrarot-Thermometers erfasst einen Teil dieser Infrarotstrahlung und fokussiert sie auf den Detektor. Dort wird die Strahlungsenergie in ein elektrisches Signal umgewandelt. Anschließend berücksichtigt das Gerät unter anderem Umgebungstemperatur, Emissionsgrad, Kalibrierdaten und interne Berechnungsalgorithmen, um die Oberflächentemperatur zu bestimmen.

Nicht jedes Infrarot-Thermometer verwendet denselben Detektortyp. In handgeführten Universalgeräten kommen häufig Thermosäulen zum Einsatz. Für besonders schnelle Messungen, spezielle Spektralbereiche oder anspruchsvolle industrielle Anwendungen werden dagegen teilweise andere Detektortechnologien verwendet.

Das Wichtigste im Überblick

● Infrarot-Thermometer erfassen die von der Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung und messen die Temperatur nicht unmittelbar.
● Der Infrarotdetektor wandelt die einfallende Strahlungsenergie in ein auswertbares elektrisches Signal um.
● Thermosäulen bzw. Thermopile-Detektoren gehören zu den am häufigsten eingesetzten Sensortypen in handgeführten Infrarot-Thermometern.
● Pyroelektrische und photonische Detektoren können ebenfalls Infrarotstrahlung erfassen, arbeiten jedoch nach anderen Prinzipien.
● Der Detektortyp beeinflusst unter anderem Spektralbereich, Ansprechzeit, Empfindlichkeit, Kosten und mögliche Temperaturbereiche.
● Die Gesamtleistung eines Infrarot-Thermometers hängt zusätzlich von Optik, Signalverarbeitung, Emissionsgradkorrektur, Temperaturkompensation und Kalibrierung ab.

Was ist der Sensor in einem Infrarot-Thermometer?

Mit „Sensor“ ist bei einem Infrarot-Thermometer in der Regel das Bauelement gemeint, das die Infrarotstrahlung des Messobjekts erfasst.

Die vom Zielobjekt ausgesandte Strahlung durchläuft zunächst die Linse beziehungsweise das optische System. Dieses definiert das Sichtfeld, sammelt die Strahlung aus dem Messbereich und fokussiert sie auf den Detektor. Der Detektor wandelt die empfangene Energie anschließend in ein elektrisches Signal um.

Der Messablauf lässt sich vereinfacht wie folgt darstellen:

● Das Zielobjekt sendet Infrarotstrahlung aus.
● Das optische System erfasst die Strahlung aus dem definierten Messbereich.
● Der Infrarotdetektor wandelt die Strahlungsenergie in ein elektrisches Signal um.
● Die Elektronik verstärkt und digitalisiert das Signal.
● Das System berücksichtigt Umgebungstemperatur, Emissionsgrad und weitere Korrekturgrößen.
● Die berechnete Oberflächentemperatur wird angezeigt.

Der Detektor ist damit eine zentrale Komponente der Messkette, bestimmt die Gesamtleistung des Geräts jedoch nicht allein.

Thermosäulen-Detektoren

Die Thermosäule, häufig auch als Thermopile bezeichnet, gehört zu den am weitesten verbreiteten Infrarotdetektoren in handgeführten Infrarot-Thermometern.

Sie zählt zu den thermischen Infrarotdetektoren. Die einfallende Strahlung wird zunächst absorbiert und erzeugt eine Temperaturdifferenz. Diese wird über den thermoelektrischen Effekt in eine elektrische Spannung umgewandelt.

Eine Thermosäule besteht typischerweise aus mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen. Trifft Infrarotstrahlung auf den Absorber, entsteht zwischen Mess- und Referenzstellen eine Temperaturdifferenz. Dadurch wird eine Spannung erzeugt, die mit der aufgenommenen Strahlungsleistung zusammenhängt.

Typische Eigenschaften sind:

● Betrieb bei Raumtemperatur ohne aufwendige Kühlung;
● Breite spektrale Empfindlichkeit in Verbindung mit geeigneter Optik;
● Geringer Energieverbrauch und gute Eignung für batteriebetriebene Geräte;
● Bewährte und zuverlässige Technologie;
● Gute Kombination mit Optik, Filtern und Temperaturkompensation;
● Günstiges Verhältnis zwischen Leistung, Baugröße, Energiebedarf und Kosten.

Diese Eigenschaften machen Thermosäulen besonders geeignet für industrielle Instandhaltung, elektrische Inspektionen, HVAC-Anwendungen, Maschinenprüfung und allgemeine berührungslose Temperaturmessungen.

Da das Ausgangssignal einer Thermosäule sehr klein sein kann, sind zusätzlich rauscharme Verstärker, präzise Analog-Digital-Wandler und geeignete Kompensationsalgorithmen erforderlich.

Warum werden Thermosäulen häufig in handgeführten Infrarot-Thermometern eingesetzt?

Handgeführte Infrarot-Thermometer sollen kompakt, energiesparend, zuverlässig und wirtschaftlich sein. Gleichzeitig müssen sie in einem breiten Bereich von Umgebungstemperaturen stabil arbeiten.

Thermosäulen erfüllen diese Anforderungen sehr gut.

Viele universell eingesetzte Infrarot-Thermometer messen Oberflächentemperaturen von etwa Umgebungstemperatur bis zu mehreren hundert Grad Celsius. Für solche Anwendungen sind extreme Detektorgeschwindigkeit oder eine sehr schmale spektrale Selektivität meist weniger wichtig als Stabilität, Zuverlässigkeit und Mobilität.

In Verbindung mit geeigneten Infrarotoptiken und Filtern stellen Thermosäulen daher eine ausgereifte Lösung für zahlreiche berührungslose Temperaturmessungen dar.

Pyroelektrische Infrarotdetektoren

Pyroelektrische Detektoren gehören ebenfalls zu den thermischen Infrarotdetektoren, arbeiten jedoch nach einem anderen Prinzip als Thermosäulen.

Bestimmte pyroelektrische Materialien verändern bei einer Temperaturänderung ihre elektrische Polarisation beziehungsweise Oberflächenladung. Diese Änderung lässt sich elektrisch erfassen.

Pyroelektrische Detektoren eignen sich daher besonders zur Erkennung von Änderungen der Infrarotstrahlung.

Soll eine kontinuierliche Strahlungsquelle gemessen werden, muss die einfallende Strahlung häufig mechanisch, optisch oder elektronisch moduliert werden.

Typische Merkmale sind:

● Hohe Empfindlichkeit gegenüber zeitlichen Änderungen der Infrarotstrahlung;
● Eignung für relativ breite Spektralbereiche;
● Häufige Verwendung einer Modulation des Eingangssignals;
● Typische Anwendungen in Bewegungsmeldern, Gasanalyse, Spektroskopie und spezialisierten IR-Systemen.

In klassischen handgeführten Punkt-Infrarot-Thermometern sind pyroelektrische Detektoren daher deutlich weniger verbreitet als Thermosäulen.

Photonische Infrarotdetektoren

Eine weitere wichtige Kategorie sind photonische beziehungsweise quantenbasierte Infrarotdetektoren.

Bei diesen Detektoren wechselwirken die einfallenden Infrarotphotonen direkt mit einem Halbleitermaterial. Dadurch verändern sich elektrische Eigenschaften oder Ladungsträgerzustände, die anschließend gemessen werden können.

Je nach erforderlichem Spektralbereich werden unterschiedliche Halbleitermaterialien eingesetzt. Zu den in spezialisierten Systemen verwendeten Materialien zählen beispielsweise InGaAs, InSb oder HgCdTe.

Im Vergleich zu thermischen Detektoren bieten photonische Detektoren häufig:

● Kürzere Ansprechzeiten;
● Hohe Empfindlichkeit in geeigneten Spektralbereichen;
● Gezielte Optimierung für bestimmte Wellenlängen;
● Gute Eignung für schnelle Temperaturänderungen oder spezielle optische Messungen;
● Höhere Anforderungen an Elektronik und Systemdesign.

Einige Bauarten benötigen zudem eine Kühlung, um Rauschen zu reduzieren und die vorgesehene Leistungsfähigkeit zu erreichen. Dadurch steigen Komplexität, Energieverbrauch und Kosten.

Photonische Detektoren finden sich daher häufiger in Hochgeschwindigkeits-Pyrometern, wissenschaftlichen Messsystemen, Spektrometern, Wärmebildsystemen und anderen spezialisierten Infrarotanwendungen als in herkömmlichen Handgeräten.

Was unterscheidet thermische und photonische Detektoren?

Infrarotdetektoren lassen sich grundsätzlich in thermische und photonische Detektoren unterteilen.

Ein thermischer Detektor absorbiert zunächst Infrarotstrahlung, wodurch sich seine Temperatur verändert. Diese Temperaturänderung wird anschließend in ein elektrisches Signal umgesetzt. Thermosäulen und pyroelektrische Detektoren gehören zu dieser Gruppe.

Ein photonischer Detektor reagiert direkter auf die einfallenden Infrarotphotonen und nutzt deren Wechselwirkung mit einem Halbleitermaterial.

Keine der beiden Technologien ist grundsätzlich „besser“ oder „genauer“. Entscheidend ist die jeweilige Anwendung.

Für tragbare, energieeffiziente und universelle industrielle Messungen ist die Thermosäule häufig die praktischere Lösung. Bei sehr schnellen Vorgängen, speziellen Spektralbereichen oder hohen Anforderungen an die Detektorempfindlichkeit können photonische Systeme vorteilhaft sein.

Warum ist der Spektralbereich des Detektors wichtig?

Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen geben ihre Strahlungsenergie nicht in identischer spektraler Verteilung ab. Deshalb muss der verwendete Wellenlängenbereich auf Temperatur, Material und Anwendung abgestimmt sein.

Universelle Infrarot-Thermometer arbeiten häufig im langwelligen Infrarotbereich, da Objekte bei Umgebungs- und mittleren Temperaturen dort eine ausgeprägte Wärmestrahlung emittieren.

Bei hochtemperierten Metallen, Glas, Kunststofffolien oder anderen speziellen Materialien können andere Wellenlängenbereiche erforderlich sein.

Der Detektor darf daher nicht isoliert betrachtet werden. Der nutzbare Spektralbereich des Systems hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

● Spektrale Empfindlichkeit des Detektors;
● Transmissionsbereich des Linsenmaterials;
● Spektrale Eigenschaften der Filter;
● Strahlungseigenschaften der Messoberfläche;
● Vorgesehener Temperaturbereich und Einsatzzweck des Geräts.

Diese Komponenten müssen als Gesamtsystem aufeinander abgestimmt sein.

Wie beeinflusst der Sensortyp die Leistung eines Infrarot-Thermometers?

Der verwendete Detektor ist einer von mehreren Faktoren, die die Leistung eines Infrarot-Thermometers bestimmen.

Ansprechzeit: Verschiedene Detektortechnologien reagieren unterschiedlich schnell. Bei schnellen Temperaturänderungen oder bewegten Objekten kann eine kurze Ansprechzeit entscheidend sein.

Empfindlichkeit: Der Detektor muss kleine Änderungen der Strahlungsleistung erfassen können. Die tatsächlich erreichbare Temperaturauflösung hängt jedoch zusätzlich von Elektronik und Signalverarbeitung ab.

Spektralbereich: Unterschiedliche Detektormaterialien sind für unterschiedliche Wellenlängenbereiche geeignet und beeinflussen damit den nutzbaren Messbereich des Systems.

Umgebungsstabilität: Auch die Temperatur des Detektors selbst beeinflusst das Ausgangssignal. Deshalb verfügen Infrarot-Thermometer üblicherweise über Referenztemperaturmessung und entsprechende Kompensation.

Energiebedarf und Bauweise: Ungekühlte Thermosäulen sind gut für kompakte, batteriebetriebene Geräte geeignet. Gekühlte Hochleistungsdetektoren benötigen hingegen eine komplexere Energieversorgung und Temperaturregelung.

Bestimmt der Sensor die Messgenauigkeit?

Der Detektor ist wichtig, aber ein technisch aufwendigerer Sensor führt nicht automatisch zu einer höheren Messgenauigkeit.

Ein Infrarot-Thermometer ist ein vollständiges optisches, elektronisches, thermisches und rechnerisches Messsystem. Die Genauigkeit wird unter anderem beeinflusst durch:

● Leistungsfähigkeit des Infrarotdetektors;
● Auslegung des optischen Systems;
● D:S-Verhältnis und Messfeld;
● Signalverstärkung und Analog-Digital-Wandlung;
● Umgebungstemperaturkompensation;
● Emissionsgradeinstellung;
● Kalibrierung des Geräts;
● Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts;
● Messabstand und Objektgröße;
● Dampf, Staub, nahe Wärmequellen und andere Umwelteinflüsse.

Selbst ein hochwertiger Detektor kann keine zuverlässige Messung gewährleisten, wenn das Messobjekt kleiner als der Messfleck ist oder der Emissionsgrad deutlich falsch eingestellt wurde.

Die Beurteilung eines Infrarot-Thermometers sollte deshalb immer auf der Gesamtleistung des Geräts basieren.

Was ist der Unterschied zwischen Infrarotdetektor und Umgebungstemperatursensor?

In einem Infrarot-Thermometer befinden sich in der Regel mehrere temperaturbezogene Sensorelemente.

Der Infrarotdetektor erfasst die vom Zielobjekt kommende Infrarotstrahlung und bildet die Grundlage der berührungslosen Messung.

Zusätzlich misst das Gerät normalerweise die eigene interne Temperatur beziehungsweise die Referenztemperatur in der Nähe des Detektors.

Dies ist erforderlich, weil das Ausgangssignal des Infrarotdetektors auch von seiner eigenen thermischen Umgebung abhängt. Für eine korrekte Temperaturberechnung muss das Gerät deshalb die Referenztemperatur kennen und rechnerisch kompensieren.

Beide Sensortypen erfüllen unterschiedliche Aufgaben, arbeiten jedoch innerhalb desselben Messsystems zusammen.

Wie wählt man die passende Infrarotdetektortechnologie?

Für allgemeine industrielle Instandhaltung, elektrische Prüfungen, HVAC-Service und alltägliche Oberflächentemperaturmessungen ist ein Handgerät mit Thermosäulen-Detektor in der Regel eine geeignete Lösung.

Anwendungen mit extrem schnellen Temperaturänderungen, Hochgeschwindigkeitsprozessen, sehr kleinen heißen Objekten, besonderen Werkstoffen oder spezifischen Spektralanforderungen können dagegen spezialisierte Detektortechnologien erfordern.

Bei der Auswahl eines Infrarot-Thermometers sollten daher vor allem die Gesamtparameter des Geräts geprüft werden:

● Passt der Temperaturmessbereich zur Anwendung?
● Erfüllt die spezifizierte Genauigkeit die Anforderungen?
● Ist das D:S-Verhältnis für den vorgesehenen Messabstand ausreichend?
● Ist der Emissionsgrad bei Bedarf einstellbar?
● Ist die Ansprechzeit für die Dynamik des Messobjekts geeignet?
● Passt der Spektralbereich zum zu messenden Material?
● Ist das Gerät für die vorgesehenen Umgebungsbedingungen ausgelegt?

FAQ

Welcher Sensortyp wird in Infrarot-Thermometern am häufigsten verwendet?
Thermosäulen gehören zu den verbreitetsten Detektoren in handgeführten Universal-Infrarot-Thermometern. Sie arbeiten ohne Kühlung, benötigen wenig Energie und bieten eine zuverlässige und praxisgerechte Lösung.

Misst der Infrarotsensor die Temperatur direkt?
Nein. Der Detektor erfasst die Infrarotstrahlung und wandelt sie in ein elektrisches Signal um. Erst danach berechnet die Elektronik unter Einbeziehung von Referenztemperatur, Emissionsgrad und Kalibrierdaten die Oberflächentemperatur.

Sind Thermosäule und Thermoelement dasselbe?
Beide nutzen den thermoelektrischen Effekt, erfüllen jedoch unterschiedliche Aufgaben. Ein konventionelles Thermoelement misst meist durch direkten Kontakt. Eine Thermosäule besteht aus mehreren Thermoelementen und erfasst die durch absorbierte Infrarotstrahlung erzeugte Temperaturdifferenz.

Können pyroelektrische Sensoren für Infrarot-Temperaturmessungen verwendet werden?
Ja, sie können Infrarotstrahlung erfassen. Sie eignen sich jedoch besonders für zeitlich veränderliche oder modulierte Strahlung und werden deshalb in gewöhnlichen Handthermometern seltener eingesetzt.

Sind photonische Detektoren grundsätzlich genauer als Thermosäulen?
Nein. Sie können schneller und empfindlicher sein, doch die Temperaturgenauigkeit hängt vom gesamten Messsystem ab, einschließlich Optik, Signalverarbeitung, Kompensation, Emissionsgrad und Kalibrierung.

Kann durch einen anderen Detektor der Temperaturbereich erweitert werden?
Detektortyp und Spektralbereich beeinflussen den möglichen Messbereich, allerdings spielen auch Optik, Filter, Elektronik und Kalibrierung eine entscheidende Rolle.

Kann ein Infrarotsensor die Temperatur im Inneren eines Objekts messen?
In der Regel nicht. Konventionelle Infrarot-Thermometer messen die Oberflächentemperatur, indem sie die von der Oberfläche ausgesandte Infrarotstrahlung erfassen.

Fazit

Der Infrarotdetektor ist eine zentrale Komponente der berührungslosen Temperaturmessung. Er wandelt die vom Messobjekt abgegebene Infrarotstrahlung in ein elektronisch auswertbares Signal um.

In handgeführten Universalgeräten werden Thermosäulen-Detektoren besonders häufig eingesetzt, da sie ohne Kühlung arbeiten, wenig Energie benötigen, zuverlässig sind und sich gut in kompakte Messgeräte integrieren lassen. Pyroelektrische Detektoren eignen sich vor allem für veränderliche Infrarotsignale, während photonische Detektoren insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten, speziellen Spektralbereichen oder anspruchsvollen Detektionsaufgaben eingesetzt werden.

Die Leistung eines Infrarot-Thermometers wird jedoch niemals nur durch den Detektor bestimmt. Optik, Spektralbereich, Signalverarbeitung, Temperaturkompensation, Emissionsgradeinstellung und Kalibrierung wirken gemeinsam auf das Messergebnis. Deshalb sollte die Geräteauswahl immer anhand der vollständigen technischen Spezifikationen und der konkreten Anwendung erfolgen.