Infrarotthermometer / IR-Thermometer

Welches Infrarot Messsystem ist für Ihre Anwendung am Besten geeignet?
Grundsätzlich können Sie als Kunde immer die technische Beratungs-Hotline von PCE Instruments anrufen: 02903 - 976 99 - 8901. Die Kollegen werden Ihnen gezielte Fragen zu Ihrer Applikation stellen und Ihnen die bestgeeigneten Produkte zur Lösung Ihre Messaufgabe vorschlagen.

Folgend sehen Sie auch noch einige Hinweise, die Sie bei der Auswahl bzw. beim Kauf eines Infrarotthermometer berücksichtigen sollten.

Kriterien bei der Auswahl eines Gerätes / Messsystems

- Handgerät oder stationäres IR-Thermometer
- Emissionsgrad / Genauigkeit
- Messfleckverhältnisse
- Messwertspeicher
- Folgekosten
- Service / Support

Ein Infrarotthermometer / IR-Thermometer wird verwendet um berührungslos die Oberflächentemperatur von definierten Objekten zu bestimmen. In der Praxis können die Metallteile, Bauwerke, Körper in Öfen usw. sein. Doch wie kann man vor dem Kauf herausfinden welches Infrarotthermometer für den vorliegenden Anwendungsfall am besten geeignet ist? Der nachfolgende Text gibt Ihnen eine Hilfestellung vor dem Kauf eines solchen Messgerätes.

Wird ein mobiles oder stationäres Infrarotthermometer benötigt?
Die Antwort der Frage steckt in der Anwendung. Sollen mittels IR-Thermometer die Messwerte sporadisch zu Qualitätssicherungszwecken erfasst werden, sollte ein mobiles Infrarotthermometer verwendet werden. Soll kontinuierlich gemessen und der Messwerte verwendet werden um weitere Prozesse zu steuern, verwenden Sie am besten ein stationäres Infrarotthermometer. Die stationären Pyrometer haben dann Schnittstellen um die Messwerte analog oder digital an ein Prozessleitsystem oder Regler weiter zu geben.

Emissionsgrad
Allerdings kann man zum Infrarotthermometer auch Nachteile finden. Einer davon ist, dass der Emissionsgrad für ein Material, Wellenlänge und Temperatur bekannt sein müssen. Dieser hängt nicht nur vom Material des Messobjekts, sondern auch von der Wellenlänge des verwendeten Infrarotthermometer und daher der Temperatur des Objekts ab. Der andere Nachteil ist, dass bei Messung mittels Infrarotthermometer an Metallen starke Emissionsgrad-Variationen eine genaue Erfassung erschweren (z.B. Kupfer: 0,012 (poliert, 327 °C), 0,78 (stark oxidiert, 25 °C), 0,91 (stark oxidiert, 527 °C)).

Während die meisten organischen Stoffe (Holz, Kunststoff, Papier, Lack) sowie Glas und Keramik sehr hohe Emissionsgrade (um 0,95) im mittleren (MIR) und fernen Infrarot (FIR) aufweisen, emittieren blanke Metalle besser bei kurzen Wellenlängen und haben im nahen (NIR) und mittleren Infrarot (MIR) deutlich niedrigere und daher für Messungen ungünstigere Emissionsgrade (z. B poliertes Gold im MIR-Bereich nur ca. 0,02). Wenn aber Metall z. B. eloxiert (Aluminium) oder stark oxidiert ist, hat es im MIR einen höheren Emissionsgrad um 0,9. Bei lackierten Metallen ist der höhere Emissionsgrad des Lacks für die Temperaturmessung entscheidend. Die Intensität und Lage des Emissionsmaximums hängt von seiner Temperatur ab.

Der Temperaturmessbereich eines Infrarotthermometers ist nach oben deutlich einfacher zu erweitern als nach unten. Infrarotthermometer haben oft eine Einstellungsmöglichkeit für den Emissionsgrad, z. B. als Drehknopf mit einer Skala von 0...1. Einige Infrarotthermometer haben auch einen zusätzlichen Messeingang für einen Kontakt-Temperatursensor (z.B. ein Thermoelement). Soll der Pyrometer für ein unbekanntes Material zur Emissionsgradbestimmung kalibriert werden, kann die Temperatur mit diesem zusätzlichen Sensor gemessen werden. Die Einstellung für den Emissionsgrad am Infrarotthermometer wird dann solange verstellt, bis die kontaktfreie Messung zu demselben Messergebnis führt wie diejenige mit dem Kontaktsensor.

Beeinflussende Faktoren
Temperatur, Messwinkel, Geometrie der Oberfläche (eben, konkav, konvex), Dicke, Oberflächenbeschaffenheit (poliert, rauh, oxidiert, sandgestrahlt), Spektralbereich der Messung, Transmissionsvermögen (z.B. bei dünnen Plastikfolien), Wellenlänge (in µm) bei der gemessen wird.

Was bedeutet die Angabe des Messfleckverhältnisses?
Jedes Infrarottemperaturmessgerät besitzt eine Optik mit einem bestimmten Messfleckverhältnis. Häufig liest man bei einem preiswerten IR-Thermometer Angaben wie 2:1, 10:1 oder 20:1. Bei teuren und hochwertigen Geräten kann die Angabe bis 75:1 steigen. Anders ausgedrückt kann auch x:y sagen. Diese Angabe gibt dann an, dass bei einem Abstand x cm zu einer Oberfläche der Messfleck eine Größe vom Durchmesser y besitzt. Dies kann man sich vorstellen wir der Lichtkegel bei einer Taschenlampe. Gehen Sie mit einer Taschenlampe nah an die Wand heran, dann ist der Lichtkegel kleiner als wenn Sie weiter davon entfernt stehen. Einige Infrarotthermometer bieten die Möglichkeit diesen Messfleck zu verkleinern oder zu vergrößern je nachdem wie Sie Ihn für Ihre Anwendung benötigen.

Sollen die Messwerte vom Infrarotthermometer dokumentiert werden?
Einige Infrarotthermometer bieten die Möglichkeit die Messwerte in einem internen Speicher abzulegen. Dieser Speicher im kann dann später zu Qualitätssicherungszwecken über einen PC mit einer Software ausgelesen werden. Die IR-Thermometer Schnittstelle ist in den meisten Fällen eine USB Schnittstelle häufig werden auch direkt die Messdaten auf einer SD Speicherkarte abgelegt.

Folgekosten
Übliche Kosten, die bei der Verwendung von Infrarotthermometern auftreten können, sind Kalibrierkosten. Sollten Sie beispielsweise eine entsprechende Vorgabe durch Ihr ISO Qualitätsmanagementhandbuch haben, so ist ein standardmäßiges Kalibrierintervall zu erfüllen. Diese Kosten würden demnach für die Kalibrierung bei der Bestellung, wie auch bei der jährlichen Kalibrierung fällig. Auch kann es sein, dass eine Justierung im Laufe der Zeit unumgänglich wird, da auch Messgeräte und deren Sensoren im Laufe der Zeit abdriften können. Auch Verbrauchsmaterialien wie Batterien und Akkus müssen einberechnet werden. Jedoch handelt es sich dabei in der Regel um standardisierte Materialien.

Service / Support
Ein ebenfalls zu beachtender Punkt. Natürlich können Sie von außen die Leistungsfähigkeit einer Firma nicht einfach einschätzen. Sie müssen sich schließlich die Frage stellen, ob Sie in einigen Jahren auch noch Support erhalten oder Ersatzteile bestellen können. Rufen Sie bei PCE Instruments an, sprechen Sie mit einem der Techniker und der Bestellannahme, überzeugen Sie sich von der Qualität der Beratung und vertrauen Sie auf das weltweite Firmennetzwerk von PCE Instruments (seit 1999).

Funktionsprinzip
Die Infrarot-Strahlung ist ein Teil des Sonnenlichtes und kann bei Durchscheinen eines Prismas abgeteilt werden. Diese Strahlung besitzt eine Energie. Anfang des 20-sten Jahrhunderts definierten die Wissenschaftler Planck, Stefan, Boltzmann, Wien und Kirchhoff die Aktivitäten des elektromagnetischen Spektrums und stellten Gleichungen zur Beschreibung der Infrarot-Energie auf. Dies ermöglicht es, die Energie unter Einbeziehung von Emissionskurven eines Schwarzkörpers zu definieren. Objekte mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts strahlen Energie ab. Die Energiemenge wächst proportional zur vierten Potenz der Temperatur. Dieses Konzept bildet die Grundlage für die Infrarot-Temperaturmessung. Mit dem Emissionsfaktor tritt eine Variable in diese Gesetzmäßigkeit ein. Der Emissionsfaktor ist ein Maß für das Verhältnis der Strahlungen, die ein Graukörper und ein Schwarzkörper bei gleicher Temperatur abgeben. Als Graukörper wird ein Objekt bezeichnet, das bei allen Wellenlängen den gleichen Emissionsfaktor hat. Ein NichtGraukörper ist ein Objekt, dessen Emissionsfaktor sich mit der Wellenlänge ändert, z. B. Aluminium. Weiterhin gilt, dass der Emissionsfaktor gleich dem Absorptionsfaktor ist.

Für glänzende Oberflächen kann der Emissionsfaktor am Infrarotthermometer manuell oder automatisch eingestellt werden, um den Messfehler zu korrigieren. In den meisten Anwendungen ist dies sehr einfach möglich. In den Fällen, wo der Emissionsfaktor nicht konstant ist, kann das Problem durch Messung auf zwei oder mehreren Wellenlängen gelöst werden.

Infrarotthermometer werden in vielen Konfigurationen produziert, die sich in Optik, Elektronik, Technologie, Größe und Gehäuse unterscheiden. Allen gemein ist jedoch die Signalverarbeitungskette, an deren Anfang ein IR-Signal und an deren Ende ein elektronisches Ausgangssignal steht. Diese allgemeine Messkette beginnt mit einem optischen System aus Linsen und/oder Lichtwellenleitern, Filtern und dem Detektor.

Was gibt es bei einem IR-Thermometer zu beachten?
Zunächst müssen Sie sich im Klaren sein, dass Sie mit einem Pyrometer, wie das Infrarotthermometer auch genannt wird, lediglich die Oberflächentemperatur von Objekten messen können. Wenn Sie zum Beispiel mit dem Laserthermometer auf einen Stahlwürfel zielen und die Temperatur bestimmen, kann es durchaus sein, dass die gemessene Oberflächentemperatur deutlich höher ist als die tatsächliche Kerntemperatur. Weiterhin sollte darauf geachtet werden, dass es bei hochglänzenden Oberflächen, wie poliertem Metall oder gar Glas, zu Reflektionen und Spiegelungen kommt. Hier gilt „Einfallswinkel = Austrittswinkel“. Wenn Sie nun also mit einem Infrarotthermometer im 45° Winkel auf eine polierte Fläche zielen und messen, messen Sie nicht die Oberfläche, sondern das Objekt, welches im 45° Winkel zu diesem Objekt steht. Ebenso verhält es sich mit Glasflächen.

Kann Ich mit einem Infrarotthermometer durch Glas hindurchmessen?
Prinzipiell muss man diese Frage erst einmal mit einem klaren Nein beantworten. Aber, wie immer, gibt es Ausnahmen. Mit einem IR-Thermometer, welches im Spektralbereich von 8 … 14 µm arbeitet ist es nicht möglich durch eine Glasscheibe hindurch zu messen. Hier verhält es sich wie im zweiten Absatz bereits erwähnt. Wenn Sie nun Beispielsweise mit einem Infrarotthermometer in einem Ofen die Temperatur von temperierten Stoffen die Temperatur berührungslos messen möchten, müssen Sie in die Gehäusewand von dem Ofen ein sog. Infrarotsichtfenster einbauen. Dieses Sichtfenster ist aus einem Material gefertigt, welches die IR-Strahlen im Spektralbereich 8 … 14 µm nicht filtert. Nun können Sie sich direkt die nächste Frage stellen:

Wie wird denn nun mit einem Infrarotthermometer die Temperatur von Glas gemessen?
In der glasproduzierenden Industrie steht man genau vor dieser Schwierigkeit, dass normale IR-Messgeräte nicht geeignet sind. Und würden Sie ein solches Messgerät einsetzen, würde es zu Messfehlern und Falschmessungen kommen. Für diese Anwendung werden Infrarotthermometer eingesetzt, welche einen festen Spektralbereich von bspw. 5 µm, besitzen. Hier ist der Wellenlängenbereich so gewählt, dass die Thermometer nicht direkt die Oberfläche der Glasscheibe messen, sondern minimalst unterhalb des Glases. So können Sie auch mit einem Infrarotthermometer berührungslos die Glastemperatur messen.

Infrarote Strahlung ist nicht sichtbar. Wie wird sichergestellt, dass an Sie mit dem IR-Thermometer der richtigen Stelle gemessen wird?
Um zu gewährleisten, dass Sie immer an der richtigen Stelle die Oberflächentemperatur messen, haben die tragbaren Infrarotthermometer einen Laser als Visierhilfe verbaut. Diese Laservisierhilfe kann im einfachsten Fall ein einfacher Laserpunkt sein. Weitere Formen sind ein Kreuzlaser, mit zwei Laserpunkten die Ihren Abstand zueinander verkleinern oder vergrößern je nach dem in welchem Abstand das IR-Thermometer zu einem Objekt stehen oder aber auch ein Kreislaser, der den genauen Umriss vom Messfleck an die Oberfläche zeichnet.

Messwellenlänge (NIR,MIR,FIR)
Welche Messwellenlänge für eine Messung mittels Infrarotthermometer ideal ist, hängt von dem Material ab und seiner Temperatur ab. Für Werte um die Raumtemperatur sind Längen im Mittleren Infrarot (MIR) am besten. Damit kommen thermische sowie pyroelektrische Sensoren zum Einsatz.

Temperaturen ab ca. 350 °C können im Nahen Infrarot mit IR-Fotodioden mit dem Infrarotthermometer bestimmt werden. So hat eine Germanium-Fotodiode z. B. eine untere Empfangswellenlänge von etwa 1,9 µm. Mit Fotodioden können Temperaturen ab etwa 700 °C im sichtbaren Spektralbereich gemessen werden. Der Empfangswellenlängenbereich von Hochtemperatur-Pyrometern wird oft durch den Fotoempfänger bestimmt. Zum Beispiel ist die unterste Empfangswellenlänge von Silizium-Fotodioden etwa 1,1 µm. Ein Objekt mit einer Temperatur von 3000 K hat sein Strahlungsmaximum, mit ihr können jedoch Temperaturen ab etwa 700 °C gemessen werden.

Ein weiteres Einsatzgebiet der Infrarotthermometer ist auf dem Feld der Medizin. Fiebrige Patienten können so aus der Menge isoliert und auf Erreger untersucht werden. Eine Reihe von Staaten in Asien, Europa sowie in Nordamerika haben Infrarotthermometer im Einsatz. Diese können Temperaturen im Körperwärme-Bereich mit einer hohen Genauigkeit erkennen. Somit kann man schnell entsprechend handeln.

Intelligente Technik
Die Infrarot-Sensoren von PCE Instruments zur Prozessautomatisierung ermöglichen eine kontinuierliche Temperaturüberwachung. Die intelligenten, digitalen Systeme erlauben dem Prozessingenieur die Fernprogrammierung der Infrarot-Thermometer Sensoren sowie die Messdatenübertragung und -aufzeichnung. Von Miniaturmessköpfen bis zu anspruchsvollen Bildsystemen mit kundenspezifischen Schnittstellen - unsere Sensoren gewährleisten die exakte und zuverlässige Überwachung der Temperatur in industriellen Fertigungsprozessen.

Vorteile der Infrarotthermometer
Die Industrie-Sensoren sind zuverlässige, kostengünstige und einfach zu bedienende Lösungen für die präzise Temperaturüberwachung. Durch Senkung der Stillstandszeiten, Verringerung des Ausschusses und Erhöhung der Effektivität und Produktivität der Fertigungsprozesse gewährleisten die Infrarot-Sensoren von PCE Instruments sofortige und wesentliche Einsparungen an Zeit und Geld.

Einsatzgebiete Stahlproduktion / Stahlverarbeitung
Mit Infrarot-Thermometern überwachen und regeln Sie jede Fertigungsstufe bei der Stahlherstellung. Die präzisen Temperaturmessungen geben Ihnen Aufschluß, ob die für die Produktion geltenden Grenzwerte eingehalten werden oder ob regulierend einzugreifen ist. Damit sichern Sie, daß der Stahl die vorgegebenen metallurgischen Eigenschaften erhält. Durch den Einsatz von Infrarotthermometern verbessern Sie nicht nur die Produktqualität, sondern erhöhen die Produktivität, verkürzen Stillstandszeiten und senken die Energiekosten. Sie steigern gleichzeitig die Arbeitssicherheit und vereinfachen die Datenaufzeichnung.

Industrielle Wartung
Fest installierte Messköpfe sind hervorragend für Temperaturmessungen geeignet, um die Produktqualität, die Funktionstüchtigkeit und den Wartungszustand zu kontrollieren sowie die Umgebungstemperatur zu überwachen und Sicherheitsprüfungen auszuführen. Eine übermäßige Erwärmung ist ein Anzeichen für tiefer liegende Probleme, die bei Nichtbeachtung dazu führen können, dass Geräte beschädigt oder sogar Personen verletzt werden. Daher sollte eine regelmäßige Temperaturmessung unbedingt Bestandteil der laufenden Kontrollen sein. Routinemäßig ausgeführte Überprüfungen zeigen genau an, wo potenzielle oder akute Probleme existieren und versetzen Sie in die Lage, im laufenden Betrieb Korrekturen vorzunehmen oder Reparaturen einzuplanen, bevor Abschaltungen erforderlich sind

Wartung an elektrischen Anlagen und Gebäuden
Die Sensoren eines Infrarot-Thermometer können Ihnen helfen zu ermitteln, ob Motoren, Heizkessel, Lager, elektrische Systeme und alle Arten von Betriebseinrichtungen einwandfrei funktionieren und erkennen schleichend entstehende Störungen. So tragen sie zum effizienten Betrieb Ihrer Anlagen bei und verhindert kostenintensive Abschaltungen. Die Temperaturen können aus sicherer Entfernung abgelesen werden. Berührungslos messende IR-Thermometer können ebenfalls eingesetzt werden, um elektrische Betriebsmittel auf übermäßige Erwärmungen zu kontrollieren, die durch lockere Anschlüsse oder Korrosion verursacht werden sowie um Störungen in Schaltfeldern, Vorschaltgeräten, Schaltanlagen und Sicherungsanschlüssen zu erkennen.

Kalibrierung und Zertifizierung der Infrarotthermometer
Für die Infrarotthermometer können Sie ein ISO-Kalibrierzertifikat erwerben. Es wird bei einer Zertifizierung und Laborkalibrierung ein Prüfprotokoll mit den Adressdaten Ihrer Firma ausgestellt, damit Sie z.B. die Geräte in Ihren betriebsinternen ISO-Prüfmittelpool aufnehmen können und bestätigt ist, dass die Geräte auf die nationalen "Normale" zurückführbar sind.

Kalibrieren: Prüfen der Richtigkeit von Messgrößen der Temperaturmessgeräte ohne Eingriff ins Messsystem. Oder: Ermitteln der systematischen Abweichung der Anzeige der Messgeräte vom wahren Wert der Messgröße.

Kalibrierschein oder Kalibrierzertifikat: Dokumentiert die messtechnischen Eigenschaften der Mess- geräte sowie die Rückführbarkeit auf das nationale Normal.

Kalibrierintervall: Um dauerhaft richtige Messungen mittels Infrarot-Thermometer durchführen zu können, müssen die verwendeten Messgeräte in regelmäßigen Abständen überwacht bzw. kalibriert werden. Dieser Zeitraum entspricht dem Kalibrierintervall. Es gibt keine allgemeine Aussage, wann Messgeräte rekalibriert werden sollten. Wichtige Punkte bei der Festlegung des Intervalls sind:

• Meßgröße und zulässiges Toleranzband
• Beanspruchung der Messgeräte und Prüfmittel
• Einsatzhäufigkeit
• Umgebungsbedingungen
• Stabilität der zurückliegenden Kalibrierungen
• Erforderliche Meßgenauigkeit
• Festlegungen des Qualitätssicherungssystemes in den Firmen

Das bedeutet, dass der Abstand zwischen zwei Kalibrierungen letztendlich vom Anwender selbst festgelegt und überwacht werden muß. Unsere Empfehlung für ein Infrarot-Thermometer für das Kalibrierintervall liegt bei 1-3 Jahren. Um den Kunden bei der eventuell teueren Festlegung des Intervalls nicht alleine zu lassen, bieten wir eine Beratung durch unsere Mitarbeiter an.

Die Messung von Temperaturen von Glas oder an Gläser bringt auf Grund der Reflektion und Transmission des Glases einige Schwierigkeiten mit sich. Um die Probleme bei der Messung mit einem Infrarotthermometer einzudämmen gibt es verschiedene Möglichkeiten die Messung der Temperatur durchzuführen.

Die erste Möglichkeit um die Temperatur mit einem IR-Thermometer zu messen ist, ein Infrarotthermometer zu verwenden, welches im Wellenlängenbereich bei 1,0 µm, 2,3 µm oder 3,9 µm liegt. Diese Wellenlängen ermöglichen es allerdings, dass nicht direkt die Oberflächentemperatur gemessen wird, sondern kurz unterhalb der Glasoberfläche. Wellenlängen der IR-Thermometer mit 5 µm und 7,9 µm stellen sicher, dass auch die Oberfläche gemessen wird. Nachteilig bei diesen Wellenlängenbereichen ist, dass die Temperatur des Glases sehr hoch sein muss. Es eignet sich also nicht für die Messung bei Temperaturmessungen im unteren Messbereich.

Eine zweite Variante zur Messung der Temperatur von Gläsern ist, ein Infrarotthermometer mit einer Wellenlänge von 8 … 14 µm zu nutzen. Hier besteht allerdings die Schwierigkeit, dass die Reflexion der Oberfläche durch das IR-Thermometer kompensiert werden muss. Häufig können dies nur sehr preisintensive Infrarotthermometer. Weiterhin ist darauf zu achten den Emmisionsgrad auf 0,85 einzustellen und das das Infrarotthermometer eine schnelle Ansprechzeit besitzt, da Glas auf Grund der schlechten thermischen Eigenschaften die Temperatur schnell ändern kann.

Um mit einem Infrarotthermometer mit einer Wellenlänge von 8 … 14 µm dennoch schnell und einfach die Oberflächentemperatur zu messen können sog. Emmsionsgradaufkleber aufgebracht werden. Diese Aufkleber besitzen einen Emmisionsgrad von 0,95. Sie werden einfach auf das Glas aufgeklebt. Nach einer gewissen Zeit hat der Aufkleber die Temperatur von dem Glas aufgenommen und es kann mit jedem herkömmlichen Laser Infrarotthermometer die Oberflächentemperatur gemessen werden. Es wird dann quasi die Temperatur von dem Glas gemessen. Dies ist eine schnelle, einfache und kostengünstige Methode die Glastemperatur berührungslos zu messen.