Wie funktioniert ein Infrarot Thermometer (Pyrometer)

Aufbau und Funktionsweise eines Infrarot ThermometerGrundsätzlich sendet jedes Objekt dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von  -273,15°C (0 Kelvin) liegt Infrarotstrahlung (auch Wärmestrahlung) aus. Infrarot-Messgeräte können diese Strahlung, auch von vermeintlich kalten Körpern, aufnehmen und verarbeiten. Für das menschliche Auge ist IR-Strahlung nicht sichtbar, da es den zugrunde liegenden Wellenlängenbereich nicht wahrnehmen kann.

Es gibt verschiedene Infrarot-Messgeräte und Anwendungsbereiche. Am bekanntesten sind Infrarot Thermometer und Wärmebildkameras, welche häufig in Haushalt und Handwerk zur Temperaturmessung und Thermografie genutzt werden. In der Industrie werden Messergebnisse auch direkt in angeschlossene Regelsysteme übertragen und zur Prozesssteuerung genutzt.

 

Aufbau und Funktionsweise eines Infrarot Thermometers

Je höher die Temperatur eines Objektes ist, desto mehr Infrarotstrahlung sendet es aus. Abstrahiert man Aufbau und Funktionsweise eines Infrarot Thermometers, so lassen sich 5 wesentliche Bestandteile der Temperaturmessung identifizieren. Die schematische Darstellung verdeutlicht, wie die IR-Strahlung aufgenommen, verarbeitet und als Messwert ausgegeben wird.

 

Schematische Aufbau und Funktionsweise eines Infrarot-Messgerät
Schematische Darstellung zum Aufbau und Funktionsweise eines Infrarot-Messgeräts

 

  • MESSOBJEKT: Das Objekt sendet elektromagnetische Strahlung aus, wovon ein Teil Infrarotstrahlung ist. Ein bestimmter Bereich (Messfleck) wird mit dem Infrarot Thermometer anvisiert um dessen Temperatur zu messen.
  • OPTIK: Die Linse des Infrarot-Messgeräts sammelt die abgegeben Strahlung des Messobjekts und fokussiert sie auf den Sensor.
  • SENSOR: Die auf den Sensor auftreffende Infrarotstrahlung wird in ein elektronisches Signal umgewandelt und an die Elektronik weiter geleitet.
  • ELEKTRONIK: Das eingehende Signal wird von der Elektronik verstärkt, elektronisch interpretiert und zur beabsichtigten Ausgabegröße (°C oder °F) weiterverarbeitet.
  • DISPLAY: Die gemessene Temperatur wird auf dem Display des Infrarot Thermometers dargestellt. Andere Infrarot-Messgeräte wie Wärmebildkameras visualisieren die IR-Strahlung als Thermografie Wärmebild auf dem Display.

 

Was sollte man bei der Infrarot – Temperaturmessung beachten

Ausgangspunkt für die Temperaturmessung mit einem Infrarot Thermometer ist die vom Messobjekt emittierte Infrarotstrahlung. Betrachtet man aber die Vielzahl an möglichen Objekten und deren unterschiedliche Aggregatszustände wie fest, flüssig, gasförmig wird schnell klar, dass ein Infrarotsensor weitere Faktoren bei der Messung berücksichtigen muss.

Die von einem Infrarot-Messgerät aufgenommene Strahlung setzt sich zusammen aus der eigenen Emission des Messobjekts, der Reflexion von Fremdstrahlung und der Strahlung die durch das Objekt hindurch geht (Transmission). In einer idealen Versuchsanordnung ohne Reflexion und Transmission würde ein Messobjekt nur seine eigene Infrarotstrahlung abgeben. Dieser Ideale Messkörper wird in der Physik auch als „Schwarzer Strahler“ bezeichnet und hat einen Emissionsgrad von 1.

Unter realen Bedingungen wir der Emissionsgrad eines Körpers aber immer kleiner 1 sein, da Reflexion und Transmission die Infrarotmessung stets beeinflussen. Solch ein normaler, in der Natur vorkommender Körper wird dann als „Grauer Strahler“ bezeichnet. Aufgrund seiner verringerten Strahlungsemission, sollte für ein präzises Messergebnis der Emissionsgrad am Infrarot-Messgerät angepasst werden.

In den meisten Infrarot Thermometern ist ein Emissionsgrad von 0,95 standardmäßig voreingestellt. Mit dieser Einstellung kann die Mehrheit an organischen Stoffen und Flüssigkeiten mit einer geringen Standardabweichung gemessen werden. Eine Ausnahme bilden Metalle mit spiegelnden Oberflächen. Um eine präzise Temperaturmessung zu gewährleisten sollte der Emissionsgrad angepasst, oder die Oberflächenstruktur des Objekts z.B. durch eine Lackierung oder einen Messaufkleber angepasst werden.

Ein günstiges Infrarot Thermometer mit einstellbaren Emissionsgrad bietet die Firma Janisa mit dem Modell Janisa AD6530D*. Eine Tabelle mit den verschiedenen Emissionswerten ist in der Infrarot Thermometer Bedienungsanleitung zu finden oder kann hier eingesehen werden.

 

Wenn du genauer wissen möchtest, wie man ein Infrarot-Messverfahren optimieren kann, dann schau dir auch unseren Beitrag – 3 Schritte für eine präzise Temperaturmessung mit Infrarot Thermometern an.

 

Quellenangabe

Der vorliegende Beitrag und die Grafik zum Aufbau eines Infrarot-Thermometers basieren auf den Quellen der renommierten Hersteller – Testo und Optris.