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Funktionsweise und Aufbau von Infrarot-Thermometern

Funktionsweise und Aufbau von Infrarot-Thermometern

Infrarot-Thermometer sind gut und schön – aber wie funktionieren die praktischen Messgeräte überhaupt?

Infrarot-Thermometer sind dazu in der Lage, die Temperatur eines Objektes zu bestimmen, ohne dieses zu berühren. Als Grundlage für die Temperaturmessung wird dabei die Infrarotstrahlung genutzt, die das jeweilige Objekt an seine Umwelt abgibt.

Dabei sollte man im Hinterkopf behalten, dass alle Objekte mit einer Temperatur von über 0 Grad Kelvin eine gewisse Infrarotstrahlung abgeben. Diese Infrarotstrahlung ist allerdings nur ein Teil der abgegebenen Strahlung. Die übrige elektromagnetische Strahlung interessiert uns an dieser Stelle allerdings nicht weiter.

Eine Temperatur von 0 Grad Kelvin entspricht dem absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius. Richtig: Selbst Objekte mit einer solch niedrigen Temperatur geben eine gewisse Infrarotstrahlung an ihre Umwelt ab.

Je höher die Temperatur eines Objektes ist, desto mehr Infrarotstrahlung gibt es ab.

Aufbau eines Infrarot-Thermometers

Ein Infrarot-Thermometer besteht grundsätzlich aus einer Linse, einem Sensor, der Elektronik für Berechnungen und einem Display. Doch was genau passiert an welcher Station? Wie kann es sein, dass aus der abgegebenen Infrarotstrahlung am Ende eine Zahl wird?

Aufbau eines Infrarot-Thermometers

Schematischer Aufbau eines Infrarot-Thermometers.

  1. Objekt
    Die Temperatur einer bestimmten Stelle eines Objektes soll mit Hilfe eines Pyrometers bestimmt werden. Zwischen dem Objekt und dem Infrarot-Thermometer sollte sich kein weiterer Gegenstand befinden (zum Beispiel eine Glasscheibe), weil eine korrekte Messung sonst nicht möglich ist.
  2. Linse
    Die Linse ist dafür da, die abgegebene Infrarotstrahlung des Objekts einzufangen und auf dem Sensor abzubilden und zu fokussieren.
  3. Sensor
    Der Sensor empfängt die fokussierte Infrarotstrahlung, verstärkt diese und wandelt sie in ein entsprechendes elektronisches Signal um. Das elektronische Signal wird dann an die Elektronik weitergeleitet.
  4. Elektronik
    Das elektrische Signal wird entsprechend der Einstellungen des IR-Thermometers in eine Ausgabegröße umgerechnet, die der Objekttemperatur entsprechen sollte.
  5. Display
    Das Display ist letztendlich nur noch dafür da, die errechnete Objekttemperatur anzuzeigen.

Grundsätzlich gilt also: Je wärmer ein Objekt ist, desto mehr Infrarotstrahlung gibt es ab, desto stärker ist das Signal, das das IR-Thermometer erkennt und desto höher ist letzten Endes auch die Temperatur, die auf dem Display angezeigt wird.

Temperaturmessung ist nicht immer so einfach!

Bei der berührungslosen Temperaturmessung gibt es allerdings ein Problem: Nicht jedes Objekt besteht aus demselben Material und strahlt im selben Maße Infrarotstrahlung ab. An dieser Stelle kommt der sogenannte Emissionsgrad ins Spiel. Der Emissionsgrad ist das Verhältnis des Abstrahlwertes eines Objekts und dem Abstrahlwert eines „schwarzen Strahlers“.

Um den Begriff Emissionsgrad zu verstehen, muss man sich deshalb des Modells des „schwarzen Strahlers“ bewusst werden. Hierbei handelt es sich um ein theoretisches Objekt, das eine Wärmestrahlung abgibt, die tatsächlich nur von seiner eigenen Temperatur abhängt. Das Material und die Größe der Oberfläche spielen hierbei keine Rolle. Der Emissionsgrad eines „schwarzen Strahler“ ist immer 1 – ein Wert, der in der Realität nicht erreicht werden kann.

Man kann herausfinden, welchen Emissionsgrad man bei welchem Material einstellen muss, indem man einen Blick in entsprechende Tabellen wirft. Wenn man ein Infrarot-Thermometer kauft, das die Einstellungsmöglichkeit des Emissionsgrades anbietet, dann sollten entsprechende Tabellen beiliegen. Ansonsten finden Sie beispielsweise hier eine solche Tabelle für Metalle.

Die Einstellung des korrekten Emissionsgrades ist bei manchen Materialien entscheidend, da sonst völlig falsche Temperaturangaben gemacht werden.

Quellenangabe

Dieser Artikel und die enthaltene Grafik des Aufbaus eines Infrarot-Thermometers basieren grundsätzlich auf einem Artikel von optris.de.

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