Infrarotthermometer

Ein Infrarotthermometer misst die Temperatur anhand eines Teils der Wärmestrahlung , auch Schwarzkörperstrahlung genannt, die vom Messobjekt abgegeben wird. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Manchmal werden sie auch Laserthermometer genannt , da ein Laser zur Ausrichtung verwendet wird. Alternativ werden sie auch berührungslose Thermometer oder Temperaturpistolen genannt, um ihre Fähigkeit zur berührungslosen Temperaturmessung zu beschreiben. Kennt man die vom Objekt abgegebene Infrarotstrahlung und seinen Emissionsgrad , lässt sich die Temperatur des Objekts oft innerhalb eines bestimmten Bereichs um die tatsächliche Temperatur bestimmen. Infrarotthermometer gehören zur Gruppe der Wärmestrahlungsthermometer. ^{[ 2 ]}

Manchmal, insbesondere bei Temperaturen nahe der Umgebungstemperatur, können Messwerte aufgrund der Reflexion von Strahlung von einem heißeren Körper oder aufgrund einer falsch angenommenen Emissionsfähigkeit fehlerhaft sein. ^{[ 2 ]}

Das Design besteht im Wesentlichen aus einer Linse, die die Infrarot -Wärmestrahlung auf einen Detektor fokussiert . Dieser wandelt die Strahlungsleistung in ein elektrisches Signal um, das nach Kompensation der Umgebungstemperatur in Temperatureinheiten angezeigt werden kann. Dadurch ist eine berührungslose Temperaturmessung aus der Ferne möglich. Ein berührungsloses Infrarot-Thermometer ist nützlich, wenn Thermoelemente oder andere Sondensensoren aus verschiedenen Gründen nicht eingesetzt werden können oder keine genauen Daten liefern. ^{[ 2 ]}

Typische Anwendungsfälle sind beispielsweise, wenn sich das zu messende Objekt bewegt; wenn das Objekt von einem elektromagnetischen Feld umgeben ist , wie bei der Induktionserwärmung ; wenn sich das Objekt in einem Vakuum oder einer anderen kontrollierten Atmosphäre befindet ; oder in Anwendungen, bei denen eine schnelle Reaktion erforderlich ist, die genaue Oberflächentemperatur gewünscht wird oder die Objekttemperatur über dem empfohlenen Einsatzpunkt für Kontaktsensoren liegt oder der Kontakt mit einem Sensor das Objekt oder den Sensor beschädigen oder einen signifikanten Temperaturgradienten auf der Oberfläche des Objekts hervorrufen würde.

Infrarotthermometer eignen sich für vielfältige Temperaturüberwachungsaufgaben. Beispiele hierfür sind die Wolkenerkennung für den Betrieb von Fernteleskopen, die Überprüfung von mechanischen und elektrischen Geräten auf Temperatur und Hotspots, die berührungslose Temperaturmessung von Patienten im Krankenhaus, die Temperaturkontrolle von Heizgeräten und Öfen zur Kalibrierung und Steuerung, die Suche nach Hotspots bei der Brandbekämpfung, die Überwachung von Materialien in Heiz- und Kühlprozessen sowie die Temperaturmessung von Vulkanen. Bei Epidemien fieberhafter Krankheiten wie SARS und Ebola wurden Infrarotthermometer eingesetzt, um ankommende Reisende auf Fieber zu untersuchen, ohne dabei eine Ansteckung zu riskieren. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Als die COVID-19-Pandemie 2020 die Welt traf, wurden Infrarotthermometer eingesetzt, um die Temperatur von Personen zu messen und ihnen den Zutritt zu potenziellen Ansteckungsorten zu verweigern, wenn sie Fiebersymptome zeigten. Gesundheitsbehörden wie die FDA in den Vereinigten Staaten veröffentlichten Regeln, um die Genauigkeit und Vergleichbarkeit der Infrarotthermometer zu gewährleisten. ^{[ 5 ]}

Es gibt viele verschiedene Arten von Infrarot-Temperaturmessgeräten, sowohl für den tragbaren und handlichen Einsatz als auch für feste Installationen.

Infrarotthermometer zeichnen sich durch Spezifikationen wie Genauigkeit und Messwinkel aus. Einfachere Geräte können einen Messfehler von etwa ± 2 °C (3,6 °F) aufweisen.

Das Abstand-zu-Messfleck-Verhältnis (D:S) beschreibt das Verhältnis des Abstands zur Messfläche zum Durchmesser des Temperaturmessbereichs. Beträgt das D:S-Verhältnis beispielsweise 12:1, so entspricht der Durchmesser des Messbereichs einem Zwölftel des Abstands zum Objekt. Ein Thermometer mit einem höheren D:S-Verhältnis kann eine präzisere, kleinere Fläche in größerer Entfernung erfassen als ein Gerät mit einem niedrigeren Verhältnis. Ein Gerät mit einem D:S-Verhältnis von 12:1 kann einen Kreis mit einem Durchmesser von 2,54 cm (1 Zoll) in 30,4 cm (1 Fuß) Entfernung messen, während ein Gerät mit einem D:S-Verhältnis von 10:1 denselben Kreis in 25,4 cm (10 Zoll) Entfernung und einen größeren, weniger präzisen Kreis mit einem Durchmesser von 3 cm (1,2 Zoll) in 30,4 cm (12 Zoll) Entfernung erfasst.

Der ideale Messbereich sollte mindestens doppelt so groß sein wie der Fleck in dieser Entfernung ^{[ 6 ].} Kleinere Bereiche im Verhältnis zur Entfernung führen zu ungenaueren Messungen. Ein Infrarotthermometer sollte nicht zu nah an ein heißes Objekt gehalten werden, da sich sonst im Gehäuse des Thermometers Wärme stauen und der Sensor beschädigen kann. Der Messfehler verringert sich im Allgemeinen nur aufgrund von Reflexionseffekten und der Einbeziehung anderer Wärmequellen in das Sichtfeld des Sensors mit zunehmender Entfernung ^{[ 7 ] [ 8 ] .}

Gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ist die Strahlungsleistung proportional zur vierten Potenz der Temperatur. Wenn die Messfläche sowohl warme als auch kalte Bereiche aufweist, kann die angezeigte Temperatur höher als die tatsächliche Durchschnittstemperatur sein und näher am Mittelwert vierter Potenz liegen . ^{[ 9 ]}

Die meisten Oberflächen weisen einen hohen Emissionsgrad auf (über 0,9 bei den meisten biologischen Oberflächen), und die meisten Infrarot-Thermometer basieren auf dieser vereinfachenden Annahme. Reflektierende Oberflächen haben jedoch einen geringeren Emissionsgrad als nichtreflektierende. Einige Sensoren verfügen über eine einstellbare Emissionsgrad-Einstellung, mit der die Temperatur sowohl reflektierender als auch nichtreflektierender Oberflächen gemessen werden kann. Ein nicht einstellbares Thermometer kann zur Temperaturmessung einer reflektierenden Oberfläche verwendet werden, indem man eine nichtreflektierende Farbe oder ein Klebeband aufträgt, allerdings mit einem gewissen Genauigkeitsverlust.

Ein Sensor mit einstellbarem Emissionsgrad kann zur Kalibrierung für eine bestimmte Oberfläche oder zur Messung des Emissionsgrades einer Oberfläche verwendet werden. Ist die Temperatur einer Oberfläche genau bekannt (z. B. durch Messung mit einem Kontaktthermometer), kann der Emissionsgrad des Sensors so eingestellt werden, dass die Temperaturmessung mittels Infrarot mit der kontaktbasierten Temperaturmessung übereinstimmt. Der eingestellte Emissionsgrad gibt den Emissionsgrad der Oberfläche an, der bei späteren Messungen ähnlicher Oberflächen berücksichtigt werden kann (ausschließlich).

Das gebräuchlichste Infrarotthermometer ist das Infrarot-Punktpyrometer , das die Temperatur an einem Punkt auf einer Oberfläche misst (genauer gesagt an einer relativ kleinen Fläche, die durch das Verhältnis von Durchmesser zu Oberfläche bestimmt wird). Üblicherweise projiziert es einen sichtbaren roten Punkt in die Mitte des Messbereichs, der den Messpunkt markiert, aber keinen Einfluss auf die Messung hat. Der tatsächliche Messwinkel variiert je nach Gerät und ist nicht auf den sichtbaren Punkt beschränkt.

Verwandte Geräte, die zwar nicht im engeren Sinne Thermometer sind, umfassen Infrarot-Scansysteme und Infrarot-Wärmebildkameras. Infrarot-Scansysteme scannen einen größeren Bereich, typischerweise mithilfe eines Punktthermometers, das auf einen rotierenden Spiegel gerichtet ist. Diese Geräte werden häufig in der Fertigung eingesetzt, beispielsweise bei Förderbändern oder in Bahnprozessen, wie etwa beim Austritt großer Glas- oder Metallplatten aus einem Ofen, bei Textilien und Papier oder bei kontinuierlichen Materialstapeln auf einem Förderband. Infrarot-Wärmebildkameras oder Infrarotkameras sind im Prinzip Infrarot-Strahlungsthermometer, die die Temperatur an vielen Punkten über einen relativ großen Bereich messen und daraus ein zweidimensionales Bild, ein sogenanntes Thermogramm , erzeugen, wobei jedes Pixel eine Temperatur repräsentiert. Diese Technologie ist rechen- und softwareintensiver als Punkt- oder Scanthermometer und wird zur Überwachung großer Bereiche eingesetzt. Typische Anwendungen sind die Perimeterüberwachung durch Militär- oder Sicherheitspersonal, die Inspektion und Prozessqualitätskontrolle von Fertigungsprozessen sowie die Überwachung von Hotspots oder Coldspots in Anlagen oder geschlossenen Räumen zur Gewährleistung von Sicherheit und Effizienz.

Eine Fotokamera , die Infrarotfilm und ein geeignetes Objektiv usw. verwendet , wird ebenfalls als „Infrarotkamera“ bezeichnet. Sie erfasst nur den nahen Infrarotbereich und ist nicht empfindlich gegenüber der Wärmestrahlung von Objekten mit Raumtemperatur.

• ASTM-Unterkomitee E20.02 für Strahlungsthermometrie
• Bolometer
• Pyrometer
• Sakuma-Hattori-Gleichung
• Wärmebildkamera
• Thermografie

• Vermeidung häufiger Fehler, die ein Infrarot-Inspektionsprogramm gefährden können