Infrarot-Temperatursensor: Temperaturmessung an verschiedenen Oberflächen möglich

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Ein Infrarot-Temperatursensor ist die perfekte Methode der kontaktlosen Temperaturmessung. Doch was lässt sich mit den Messdaten erschaffen?

Temperaturmessung mit dem Infrarot-Temperatursensor

Temperaturmessung mit dem Infrarot-Temperatursensor(#01)

Infrarot-Temperatursensor: Was ist die Infrarotmessung?

Die Zeit ist sicherlich die am häufigsten gemessene Größe, doch gleich darauf folgt die Temperatur. Diese physikalische Größe wird dank der Weiterentwicklung der Temperaturmessung nicht mehr mit einem analogen Thermometer und auch immer seltener mit einem digitalen Messgerät ermittelt. Heute ist es der Infrarot-Temperatursensor, der am häufigsten zum Einsatz kommt und im industriellen und gewerblichen Bereich ebenso zu finden ist wie im privaten Umfeld.

Die Messung erfolgt berührungslos und kann damit auch bei heißen Oberflächen oder in aggressiven Materialien und Flüssigkeiten erfolgen. Sogar in Verbindung mit Spannung ist die Temperaturmessung möglich, weil kein direkter Kontakt zum Messobjekt besteht.

Ausgegangen wurde bei der Entwicklung der Infrarotmessung und bei der Verwendung der Infrarot-Temperatursensoren davon, dass ein Körper eine elektromagnetische Eigenstrahlung besitzt, sofern seine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt. Diese wiederum ist mit -273,15 °C oder 0 K angegeben.

Die Strahlung, die der Körper aussendet, liegt proportional zu seiner Temperatur. Ein Teil dieser Strahlung kann als Infrarotstrahlung gemessen werden. Diese kann die Atmosphäre durchdringen und über eine Linse bzw. über die Messoptik des Laserthermometers auf den Detektor fokussiert werden. Dieses Element wandelt die Strahlung in einen elektrischen Impuls um. Danach wiederum erfolgt die Umwandlung in eine festgelegte Ausgabegröße, wobei bei modernen Thermometern zwischen Celsius und Fahrenheit gewählt werden kann.

Durch die digitale Verarbeitung des elektrischen Signals kann der gemessene Wert auf dem Display des Geräts erscheinen und dort abgelesen werden.

Damit Einflüsse aus der Umgebung kompensiert werden können, besitzt das mit einem Infrarot-Temperatursensor ausgestattete Thermometer einen zweiten Detektor. Dieser erfasst die Temperatur des Messgeräts selbst bzw. bestimmt er die Temperatur des optischen Kanals.

Damit erfolgt die Berechnung der Temperatur in drei Schritten:

  • Umwandlung der Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal
  • Kompensation von Umgebungseinflüssen
  • Ausgabe der Messwerte

Viele der heute erhältlichen Messgeräte mit einem Infrarot-Temperatursensor besitzen eine Schnittstelle zur Übertragung der Daten per USB oder Bluetooth. Außerdem ist die smarte Steuerung möglich, sodass über das Smartphone und die darauf installierte App von jedem Ort der Welt aus auf die Messdaten zugegriffen werden kann und diese zur Auswertung bereitstehen. Das „intelligente Pyrometer“ kommt vor allem bei industriellen Anwendungen zum Einsatz.

Damit der Infrarot-Temperatursensor korrekt und präzise funktionieren kann und die Messung das richtige Ergebnis anzeigt, muss der Emissionsgrad der jeweils zu messenden Oberfläche bekannt sein. Er gibt das Verhältnis von schwarzem Strahler und realem Abstrahlwert eines Körpers an, wobei dies bei gleicher Temperatur überprüft wird.

Der schwarze Strahler kann einen maximalen Wert von 1 aufweisen. Diesem Ideal entspricht allerdings kaum ein Körper in der Realität, daher sind in der Praxis auch Strahlerflächen zur Kalibrierung der Thermometer nutzbar, die einen Emissionsgrad von 0,99 aufweisen.

Der Emissionsgrad ist bei vielen Oberflächen konstant. Die Körper emittieren jedoch weniger Strahlung als ein schwarzer Körper, wobei diese als „graue Strahler“ bezeichnet werden. Steht der Emissionsgrad in Abhängigkeit zur Temperatur, werden die Körper als „selektive Strahler“ bezeichnet.

Ein Beispiel dafür sind Metalle. Der Strahlenanteil, der jeweils fehlt, wird als Emissionsgrad kompensiert. Bei der Messung muss allerdings darauf geachtet erden, dass der jeweilige Wellenbereich der Strahlung berücksichtigt wird. So müssen Metalle so kurzwellig wie möglich gemessen werden.

Temperaturmessung mit dem Infrarot-Temperatursensor an verschiedenen Oberflächen

Temperaturmessung an einem Motor

Temperaturmessung an einem Motor(#02)

Bei mehrmaliger kontaktloser Messung der Oberflächentemperatur an Metallen können immer wieder verschiedene Ergebnisse die Folge sein. Der Grund kann darin liegen, dass das Pyrometer die Infrarotstrahlung in einer Wellenlänge misst, in der die Metalle keinen hohen Emissionsgrad haben. Ein Fehler, denn genau umgekehrt sollte es der Fall sein.

Für Metalle ist die kürzeste verfügbare Wellenlänge die beste Wahl, denn mit Zunahme der Wellenlänge vergrößert sich das Risiko von Messfehlern. Die optimale Wellenlänge liegt bei hohen Temperaturen zwischen 0,8 und 1,0 µm, was an der Grenze zum sichtbaren Bereich ist.

Soll berührungslos die Temperatur von Kunststoffen bestimmt werden, so ist auch hier zu beachten, dass die Emissionsgrade mit der Wellenlänge variieren. Dünne Materialien sind durchlässiger als dicke, das Verhältnis der Durchlässigkeit ist also umgekehrt proportional. Die besten Messungen werden bei Wellenlängen durchgeführt, bei denen der Emissionsgrad annähernd null ist.

Nylon und Polyethylen sind für Infrarot undurchlässig, wenn die Wellenlänge rund 3,43 µm beträgt. Bei pigmentierten Folien und Kunststoffen, die dicker als 0,4 mm sind, sollte die Wellenlänge zwischen 8 und 14 µm liegen.

Wer sich dabei unsicher ist, sollte in die Gebrauchsanleitung des Thermometers mit Infrarot-Temperatursensor schauen, denn hier sind nähere Erläuterungen zu den Emissionsgraden und Wellenlängen zu finden. Berücksichtigt werden muss überdies der Reflexionsgrad, der bei Kunststoffen zwischen 5 und 10 Prozent liegt.

Soll der Infrarot-Temperatursensor bei einer Temperaturmessung an Glas angewendet werden, spielt neben dem Emissionsgrad wiederum die Reflexion eine große Rolle. Bei Messungen der Oberflächentemperaturen sollten Wellenlängen zwischen 5 und 7,9 µm gewählt werden. Der Emissionsgrad sollte hier 0,85 betragen, um die Reflexionen zu kompensieren.

Es ist hierbei besonders wichtig, dass Geräte gewählt werden, deren Temperatursensor eine sehr kurze Ansprechzeit hat. Glast ist ein schlechter Wärmeleiter und die Oberflächentemperatur kann sich rasch ändern. Die Messungen wären fehlerbehaftet.

Infrarot-Temperatursensor für verschiedene Anwendungen

Temperaturmessung in der Küche

Temperaturmessung in der Küche(#03)

Bei vielen Kontakten ist die regelmäßige Überwachung der Temperatur (teils mit einem Roboter) nötig. Hier kann es gerade bei großen elektrischen Leistungen zu Überhitzungen und nichtsymmetrischen Lastverteilungen kommen. Diese würden ein Sicherheitsproblem darstellen. Grund für die Probleme können lockere Kontakte sein, die durch mechanische Bewegungen entstanden sind oder durch zyklische Erwärmungen. Auch Schmutz und Korrosion können Übergangwiderstände verursachen.

Wird nun per Infrarot-Temperatursensor die Temperatur der belasteten Kontakte regelmäßig überwacht und mit der Umgebungstemperatur abgeglichen, lassen sich Rückschlüsse auf mögliche Sicherheitsprobleme ziehen. Eine Differenz von 10 K ist problematisch, eine Differenz von 30 K gilt als gefährlich.

Auch in der Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik wird der Temperatursensor, der auf Infrarot basiert, angewendet. Hier lassen zugige Räume oder ein zu feuchtes Klima Anlagen schneller verschleißen und es treten Fehlerquellen auf. Diese müssen binnen kurzer Zeit lokalisiert werden, damit es nicht zu einer außerplanmäßigen Abschaltung der Anlage aus Sicherheitsgründen kommt. Um Lecks, verstopfte Filter oder vereiste Kühlschlangen zu finden, ist der Infrarot-Temperatursensor von großem Vorteil.

Teilweise wird hier auch mit Wärmebildkameras gearbeitet, die die Temperaturunterschiede farblich unterlegt darstellen. Auch sie sind berührungslos einsetzbar. Außerdem haben die Infrarot-Thermometer den Vorteil, dass sie keine lange Angleichzeit benötigt und damit wertvolle Arbeitszeit sparen. Sie messen in Sekundenschnelle die Oberflächentemperaturen und sind dabei erstaunlich präzise.

Bei der Kontrolle der Luftkanäle erweisen sich vor allem die Verbindungsstellen zwischen den Kanälen als problematisch, denn von ihnen geht das höchste Risiko für einen Defekt aus. Grund ist das ständige Ändern der Ausdehnung durch Erwärmung und Abkühlung beim Betrieb der Anlage, was das Material auf Dauer ermüdet. Risse führen zu Überlastungen des Klimaaggregats und können sogar zu dessen Ausfall führen. Ein Thermometer mit Infrarot-Temperatursensor findet Lecks und Schwachstellen binnen kürzester Zeit und ermöglicht so das Eingreifen durch den Techniker, noch ehe ein Defekt auftritt.

Weitere Einsatzgebiete für den Infrarot-Temperatursensor sind unter anderem:

  • Kontrolle von Ölheizungen und Gaskesseln
  • Überprüfung von Brennern
  • Fehlerquellensuche bei Rennautos
  • Diagnose von Motorstörungen
  • Überprüfung von Katalysatoren, Kühlsystemen und Einspritzsystemen
  • Überprüfung von Photovoltaik-Anlagen

Diese Auflistung stellt nur einen Auszug der vielfältigen Anwendungen der Pyrometer dar, die mit einem Infrarot-Temperatursensor ausgestattet sind und in Industrie und Gewerbe in zunehmender Zahl eingesetzt werden. Auch Wärmebildkameras mit ihrem ausgezeichneten Temperatursensor werden hinzugezogen, um Temperaturunterschiede auf den ersten Blick erkennbar zu machen und zum Beispiel Leckagen in Heizungen oder Solaranlagen zu finden.

Stationäre Pyrometer sowie Handgeräte: Was ist besser?

Diese Frage lässt sich nicht pauschal beantworten, denn die Geräte sind für unterschiedliche Einsatzzwecke konzipiert worden. Berührungslos arbeiten beide, das stationäre Pyrometer kann allerdings auch von einem Roboter bedient und geschaltet werden. Zu den Vorteilen bei Anwendungen von Infrarotthermometern, die mit einem Handgerät durchgeführt werden, zählt vor allem die einfache Bedienung der Geräte.

Sie lassen die Arbeiten berührungsfrei durchführbar werden und sind daher auch für Messungen an schwer zugänglichen Stellen geeignet. Sie lassen Temperaturbestimmungen sogar an Komponenten durch, die unter Spannung stehen oder unter Last arbeiten und ermöglichen das rechtzeitige Lokalisieren von Fehlerquellen vor einem Defekt. Sie helfen dabei, Schwachstellen verschiedener Systeme aufzuspüren, noch ehe sie ein Problem werden.

Im privaten Bereich findet das Fieberthermometer Anwendung, welches auf Basis des Infrarot-Temperatursensors funktioniert und die Messung der Körpertemperatur ebenfalls ohne jegliche Berührung zulässt (z. B. Stirnthermometer).

Stationäre Thermometer mit Infrarot-Temperatursensor werden vor allem in Fertigungslinien verwendet und lassen teilweise die zusätzliche Steuerung der Prozesstemperaturen durch Roboter zu. Die Anpassung derartiger Infrarot-Temperatursensoren ist sehr umfassend möglich, sodass sie für den jeweiligen Einsatzzwecke exakt passend installiert werden können.

Stationäre Thermometer auf Infrarot-Basis erlauben die permanente Bestimmung der Temperatur und geben ein akustisches oder optisches Signal ab, wenn es zu Auffälligkeiten oder Problemen kommen sollte. Damit ist eine rechtzeitige Reaktion möglich, sodass größere Schäden oder gar ein Betriebsausfall verhindert werden können.

Für den privaten Bereich eignen sich derartige stationäre Laserthermometer weniger, hier können sie am ehesten in Kombination mit einem Hygrometer zur Überwachung der Feuchtigkeit von Wänden (zum Beispiel im Keller) genutzt werden. Ein möglicher Einsatzzweck besteht auch in der Überwachung einer eventuellen Schimmelbildung im Haus.

Die Bautechnik kennt verschiedene Anwendungen für ein Thermometer mit Infrarot-Temperatursensor, die Beratung durch professionelle Handwerker ist hier auch für den Heimwerker vor dem Kauf der Thermometer sinnvoll.


Bildnachweis:&copy,Shutterstock-Titelbild: Romaset  -#01: nikkytok -#02: O.PASH -#03: _Romaset

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