Infrarot-Thermometer / Pyrometer – Sicher und präzise Temperaturen messen
Es gibt in der täglichen Praxis, ob beruflich oder privat, viele Situationen, in denen es erforderlich ist, Temperaturen berührungslos zu messen. Sei es, weil man nicht direkt an das Messobjekt herankommt, weil es sich um sehr heiße bzw. sehr kalte oder um rotierende oder anders bewegliche bis hin zu stromführenden Messobjekten handelt. Auch sehr kleine Messobjekte sind vielfach nicht durch herkömmliche Temperatursensoren zugänglich bzw. nicht vollständig zugänglich. Ebenfalls ist diese Art der Messtechnik wichtig in der Laborchemie und der Lebensmittelindustrie, um Kontaminationen zu vermeiden.
Aus dem privaten Bereich kennen wir IR-Thermometer vielfach vor allem als Infrarot-Fieberthermometer, auch als kontaktloses Fieberthermometer bezeichnet. Es kommt entweder als Distanz-Thermometer (Stirn-Fieberthermometer / Stirnthermometer) oder als IR-Ohr-Fieberthermometer zum Einsatz.
Hier hilft die Infrarot-Messtechnik. Ein hinter einer Optik liegender Infrarot-Sensor empfängt die vom Messobjekt abgestrahlte Wärmestrahlung und wertet deren Intensität aus. Das ist das Grundprinzip aller IR-Thermometer, auch manchmal als Oberflächenthermometer bezeichnet.
Infrarot-Temperaturmessgeräte gibt es in zahlreichen Ausführungen, Genauigkeitsklassen, mit Zusatzausstattungen – vom einfachen Allrounder für Alltag, Hobby und Werkstatt bis zum hochpräzisen Referenz-Messgerät.
Die Funktion des Infrarot-Thermometers
Jedes Objekt mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts strahlt Energie in Form von Wärme ab. Thermometer mit Kabel-Temperatursensoren nehmen diese Objekttemperatur direkt durch mechanischen Kontakt oder indirekt über die Umgebungstemperatur auf. All dies bedingt, dass der Sensor unmittelbar am Messobjekt anliegt oder innerhalb des Mediums (Luft, Wasser, Dampf usw.) platziert wird. Zudem muss sich der Sensor selbst erst an die Temperatur des Messobjekts anpassen, dies braucht eine gewisse Zeit und kann bei zeitkritischen Vorgängen stören.
Da diese Sensorplatzierung aus o. a. Gründen manchmal nicht möglich ist, hilft hier der auf einen recht schmalen Spektralbereich ausgelegte Sensor, der im Infrarotbereich angesiedelt ist. Der Infrarot-Bereich geht von 7 nm (,7 µm) Wellenlänge bis 1 µm. In der Infrarot-Messpraxis nutzen wir jedoch in den allermeisten Fällen nur den Bereich bis 2 µm.
Weil der Infrarot-Sensor lediglich die vom Messobjekt oder Messmedium abgestrahlte IR-Strahlung aufnimmt, ist seine Ansprechzeit sehr kurz. Somit ist die IR-Temperaturmessung auch sehr schnell.
In der Praxis richtet man die Optik des IR-Thermometers auf das Messobjekt, die Optik bündelt die ankommende Strahlung und fokussiert diese auf den Infrarot-Sensor. Dieser wandelt die empfangene Energiemenge in ein elektrisches Signal um. Das elektrische Signal wird wiederum verstärkt sowie in ein digitales Signal umgesetzt und so schließlich auf einem Display angezeigt.
Infrarot-Thermometer liefern sehr präzise Messwerte, vorausgesetzt, es werden einige Faktoren bei der Messung beachtet.
Der Emissionswert und die Umgebungstemperatur
Jedes Objekt, jedes Medium und Material strahlt seine Temperatur anders ab. Die IR-Strahlung wird mit unterschiedlicher Intensität abgestrahlt. Die ideale Abstrahlung geben undurchsichtige Objekte mit perfektem Reflexionsverhalten, etwa blanke, nicht beschichtete Metalle ab. Die reale Abstrahlung ist jedoch bei vielen Materialien eine andere, nämlich abhängig von der Intensität der Reflexion.
Es gibt Materialien, die einen Teil der IR-Strahlung absorbieren, also nicht abstrahlen wie etwa durchlässige oder dunkle Materialien. Und es gibt Materialien mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit – eine glatte Fläche strahlt mehr ab (bzw. reflektiert) als eine raue oder poröse Oberfläche.
Diese Eigenschaften, also das Verhältnis zwischen idealer und realer Abstrahlung, werden als Emissionswert bezeichnet. Jedes Material hat einen eigenen Emissionswert, auch als Emissionsfaktor und mit dem griechischen Buchstaben Epsilon (ϵ) gekennzeichnet.
Nahezu jedem IR-Thermometer liegt eine ausführliche Tabelle über oft vorkommende Materialien bei. Und bei nahezu jedem Gerät ist es möglich, den Emissionsfaktor einzustellen, sodass dieser in die Berechnung der angezeigten Werte eingeht und so die Messung exakter wird.
Hochwertige Geräte verfügen zusätzlich über einen integrierten Spektralfilter, der bestimmte Fehlerwerte kompensieren kann, indem der Spektralbereich des Sensors bei bestimmten Messungen schmaler gefasst und so die Messgenauigkeit erhöht wird. Dies verwendet man u. a. bei der Messung von IR-durchlässigen Materialien oder zur Ausblendung von weiteren Umweltfaktoren wie der Luftfeuchte auf dem Messweg.
Natürlich beeinflusst auch die Umgebungstemperatur den Messwert, einmal über deren Einfluss auf die vom Messobjekt abgestrahlte Strahlung und einmal über deren Einfluss auf den Sensor bzw. das Messgerät insgesamt. Deshalb verfügen viele Geräte über eine interne, automatische Temperaturkompensation. Einige Geräte können die Umgebungstemperatur auch zusätzlich über externe Sensoren messen.
Der Ziellaser und die Messfläche
Quasi alle IR-Thermometer, die für die Messung an Materialien und Medien und nicht etwa für die Fiebermessung eingesetzt werden, verfügen über einen oder mehrere mit der Optik abgestimmte Ziellaser (deshalb werden die Geräte auch manchmal fälschlich in der Umgangssprache „Laser-Temperaturmessgerät” bzw. „Laser-Temperaturmesser“ oder „Laser-Thermometer“ genannt).
Mit diesen kann man den Messpunkt genau anvisieren, wenn man einen Punktlaser, einen Doppellaser oder einen Kreislaser einsetzt. Dabei bildet sich je nach Entfernung zum Messobjekt ein mehr oder weniger großer Laserfleck, der sogenannte Messfleck ab. Ist dieser scharf abgebildet, hat man die ideale Messentfernung. Doppel- und Kreislaser liefern dabei exaktere Ergebnisse, da sich mit ihnen der Messfleck genauer anvisieren lässt.
Will man die Messung noch genauer gestalten, bietet sich der Einsatz eines Gerätes mit (Doppel-) Kreuzlaser. Der Doppel-Kreuzlaser ermöglicht eine sehr genaue Eingrenzung des Messflecks für den IR-Sensor. Die beiden Laserpunkte zeigen die obere und untere Begrenzung des aktuellen (runden) Messflecks an. Am Kreuzungspunkt der beiden Laser wird der minimal mögliche Messfleck markiert. Vor und nach diesem Minimum erweitern sich die Messflecken entsprechend der Lasermarkierungen. So kann man genau begrenzte Messfelder anvisieren wie etwa ein kleines Bauelement an einem Kühlkörper, der mehrere Bauteile kühlt, oder einen überhitzten SMD-Widerstand auf einer Platine gegenüber seiner Umgebung.
Ein anderes Beispiel wäre eine punktuelle Materialermüdung in einem Behälter oder Rohr, die durch ein genau begrenztes Wärmeleck markiert ist, das man mit diesem Messverfahren sehr genau lokalisieren kann.
IR-Thermometer mit Wärmebildkamera
Eine Wärmebildkamera basiert im Grundprinzip auf einem als Array angeordneten Feld mehrerer IR-empfindlicher Sensoren. Diese werden durch einen Mikrorechner ausgewertet sowie als Flächenbild abgebildet und können die unterschiedliche Temperaturabstrahlung eines größeren Abtastbereiches erfassen und darstellen. Je nach Auflösung des Sensor-Arrays kann dabei das Messareal mehr oder weniger detailliert dargestellt werden – bis hin zur fotorealistischen Darstellung. Dabei wandelt der Mikrorechner unterschiedliche Temperaturwerte in unterschiedliche Farbdarstellungen im Display um und stellt so übersichtlich warme und kalte Bereiche dar.
Mittels eines fest platzierten oder einstellbaren Messspots im Beobachtungsfeld kann man in jedem Bildfeld die spezifische Temperatur erfassen und so etwa Hotspots oder Kältebrücken finden.
Sehr komfortable Geräte verfügen zusätzlich über eine optische Kamera, die das Messfeld als Realbild aufnimmt und im Messbild hinterlegen kann.
