Optisches Pyrometer: Glühfaden, Emissionsgrad, Messfehler

Im Prüfbericht eines japanischen Lieferanten zum Ofen steht als Messgerät ein Hikari-Kōonkei (光高温計, optisches Pyrometer) und als Wert eine Kido-ondo (輝度温度, Helligkeitstemperatur), zum Beispiel „1.000 °C“. Ihre Prozessvorgabe verlangt jedoch die tatsächliche Temperatur des Stahls, und Ihr eigenes Handinfrarotthermometer zeigt etwas anderes an. Beide Geräte können trotzdem einwandfrei arbeiten.

Eine Helligkeitstemperatur ist nicht die wahre Oberflächentemperatur. Sie ist die Temperatur, die ein idealer schwarzer Körper haben müsste, um bei der Wellenlänge des Geräts gleich hell zu erscheinen. Bei einer Oberfläche mit einem Emissionsgrad unter 1 liegt sie niedriger als die wahre Temperatur, sofern reflektierte Strahlung vernachlässigt werden kann.

Dieser Beitrag erklärt, wie ein Glühfadenpyrometer arbeitet und wie es sich von Infrarot- und Zweifarbenpyrometern (Quotientenpyrometern) unterscheidet. Außerdem zeigt er, wo Emissionsgrad, Beobachtungsfenster, Rauch und Reflexionen den Messwert verschieben. Gegen Ende finden Sie eine Checkliste und eine E-Mail-Vorlage für die japanische Seite.

Inhalt

1. Was ist ein optisches Pyrometer?
2. So arbeitet ein Glühfadenpyrometer
3. Helligkeitstemperatur und wahre Temperatur
4. Vorteile und Grenzen optischer Pyrometer
5. Kalibrierung und Rückführbarkeit
6. Wenn Messwerte abweichen: die Ursache eingrenzen
7. Checkliste und Fragen an die japanische Seite
8. Grenzen dieses Beitrags
9. FAQ
10. Quellen

Was ist ein optisches Pyrometer?

Ein optisches Pyrometer bestimmt die Temperatur eines heißen Objekts berührungslos aus dessen Wärmestrahlung. Es ist eine Bauart des Strahlungsthermometers (Hōsha-ondokei, 放射温度計). Die klassische visuelle Ausführung ist das Glühfadenpyrometer (Pyrometer mit verschwindendem Faden, Senjō-shōshitsu-gata, 線条消失形), bei dem das Auge des Bedieners als Vergleichsdetektor dient.

Der Bediener überlagert das Bild des Objekts mit dem Glühfaden einer Lampe im Gerät. Er stellt den Lampenstrom so ein, dass beide in einem schmalen roten Wellenlängenbereich gleich hell erscheinen. Das Gerät rechnet diesen Strom dann in eine Temperatur um. Der Glühfaden ist der dünne Draht der Lampe, der bei Stromfluss glüht.

Auch andere Strahlungsthermometer nutzen die Strahlung des Objekts, etwa Infrarotgeräte mit elektronischem Detektor. Unterschiedlich sind der gemessene Wellenlängenbereich, die Art der Detektion und die Bildung des Messwerts.

Einsatz: heiße, glühende Objekte

Ein visuelles optisches Pyrometer braucht ein Objekt, das heiß genug ist, um im sichtbaren Licht hell zu glühen. Typisch sind Metallschmelzen, Material im Ofen und erhitzter Draht oder Stab, also überall dort, wo freie Sicht auf das Objekt besteht.

Ein Beispiel ist das IR-URN der CHINO Corporation, ein Glühfadenpyrometer mit Digitalanzeige. Es misst bei 0,65 µm und deckt mit drei umschaltbaren Bereichen 700 bis 3.500 °C ab. Diese Werte gehören zu diesem Modell und gelten nicht für jedes optische Pyrometer.

Das Gerät kann so hohe Temperaturen erfassen, weil es nur das Licht des Objekts aufnimmt und selbst nicht diese Temperatur annehmen muss. Es hat aber einen eigenen zulässigen Umgebungstemperaturbereich. Ein hoher Messbereich bedeutet nicht, dass Sie das Gerät dauerhaft vor einer Ofenöffnung der Strahlungswärme aussetzen dürfen.

Batteriebetriebene tragbare Modelle erlauben es, in der Halle zwischen Messstellen zu wechseln. Wählen Sie dann Positionen, an denen Sie denselben Abstand und dieselbe Blickrichtung wiederholen können, damit der heutige Wert mit dem letzten vergleichbar bleibt.

Bei Stahl hängt die Qualität neben der Erwärmungstemperatur auch von Haltezeit und Abkühlung ab. Wenn Sie eine Wärmebehandlung wie Härten und Anlassen überwachen, trennen Sie den einzelnen Oberflächenwert von der Prüfung aller Prozessbedingungen.

Optisches Pyrometer, Infrarotthermometer und Zweifarbenpyrometer im Vergleich

Ein typisches Strahlungsthermometer mit elektronischem Detektor, etwa ein Handinfrarotthermometer, verarbeitet das Detektorsignal und zeigt eine Temperatur an. Beim visuellen Glühfadenpyrometer zielt eine Person auf das Objekt, stellt den Lampenstrom ein und beurteilt, wann die Helligkeiten übereinstimmen.

Eine Digitalanzeige ändert daran nichts. Wird die Helligkeit weiterhin mit dem Auge abgeglichen, bleibt der menschliche Beurteilungsschritt bestehen. „Digitale Anzeige“ und „automatische Detektion“ sind deshalb zwei getrennte Merkmale.

Ein Zweifarbenpyrometer (Nishoku-ondokei, 二色温度計), auch Quotienten- oder Verhältnispyrometer genannt, nutzt das Verhältnis der Strahlung in zwei Wellenlängenbereichen. Das Vergleichen von Glühfaden und Objekt ist kein „Messen von zwei Farben“. Ein Glühfadenpyrometer ist daher kein Zweifarbengerät. Abbildung 1 stellt die wichtigsten Verfahren gegenüber.

Abbildung 1: Kontaktmessung, visuelle und elektronische Verfahren kommen auf unterschiedlichen Wegen zur Temperatur

Berührungslos heißt nicht, dass es nur eine Detektionsart gibt. „Optisches Pyrometer“ meint hier das visuelle Glühfadenpyrometer.

Verfahren	Was aufgenommen wird	Weg zur Temperatur	Wichtigste Bedingungen zur Prüfung
Berührungsthermometer	Wärme, die vom Objekt zum Sensorelement geleitet wird	Umrechnung von Thermospannung, Widerstand usw. in Temperatur	Einbau, Wärmekontakt, Schutzrohr, Verdrahtung
Visuelles optisches Pyrometer	Sichtbare Strahlung des Objekts	Helligkeitsabgleich mit dem Glühfaden, Ablesung über den kalibrierten Strom	Anvisieren, Fokus, Beurteilung des Abgleichs, Emissionsgrad
Elektronisches Strahlungsthermometer (z. B. Infrarot)	Strahlung im laut Spezifikation festgelegten Band	Verarbeitung des Detektorsignals, Anzeige oder Ausgabe	Messfeld, Objektgröße, Emissionsgrad, Strahlengang
Zweifarbenpyrometer (Quotientenpyrometer)	Strahlung in zwei Wellenlängenbereichen	Berechnung aus dem Verhältnis der beiden Signale	Verhältnis der Emissionsgrade bei beiden Wellenlängen, Transmission des Strahlengangs

Auch bei Zweifarbengeräten müssen Emissionsgrad und Strahlengang geprüft werden. Zwei Wellenlängen beseitigen nicht bei jedem Objekt den Fehler.

Der Pyrometerhersteller KELLER erklärt, wo Quotientengeräte helfen und wo nicht:

• Wo sie helfen: Staub, Rauch oder ein verschmutztes Fenster, die alle Wellenlängen gleich stark schwächen, lassen das Verhältnis und damit den Messwert stabil.
• Die Annahme: Der Messwert entspricht nur dann der wahren Temperatur, wenn der Emissionsgrad bei beiden Wellenlängen gleich ist. KELLER weist darauf hin, dass dies in der Praxis selten zutrifft.
• Wo sie schlechter abschneiden können: Unterscheidet sich der Emissionsgrad bei den beiden Wellenlängen und schwankt, kann der Fehler größer sein als bei einem Einfarbenpyrometer, besonders bei Nichteisenmetallen.

So arbeitet ein Glühfadenpyrometer

Um das Funktionsprinzip zu verstehen, trennen Sie zwei Lichtquellen: das Licht des Objekts und das Licht, das das Gerät selbst erzeugt. Das Pyrometer wandelt die Objekttemperatur nicht direkt in einen Strom um. Stattdessen stellt der Bediener den Strom einer Vergleichslampe ein.

Das Objektiv erzeugt ein Bild des Objekts in derselben Ebene wie der Lampenfaden. Durch Filter und Okular vergleicht der Bediener beide Helligkeiten in einem Gesichtsfeld.

Der Rotfilter beschränkt den Vergleich auf ein schmales Band roter Wellenlängen. Entscheidend ist der Helligkeitsvergleich in einem festgelegten Band, nicht die Frage, ob der Gesamtfarbeindruck ähnlich wirkt. Erst dadurch lässt sich der Messwert einer Temperatur zuordnen.

Reale Geräte enthalten außerdem Filter, die das Lichtniveau für die Umschaltung der Messbereiche abschwächen. Abbildung 2 zeigt nur den Zusammenhang von Bild und Vergleich. Welche Filter in welcher Anordnung verbaut sind, entnehmen Sie der Optik des jeweiligen Geräts.

Abbildung 2: Das Objektbild wird auf die Fadenebene abgebildet und in einem roten Band verglichen

Zwei repräsentative Strahlen verlaufen von der Oberkante des Objekts zur Fadenebene. Die blau gestrichelte Linie zeigt nur die Okularseite; es handelt sich nicht um eine Strahlverfolgung.

Der Faden glüht selbst und wird zusammen mit dem Objektbild beobachtet. Die Wahl eines roten Bands und die Lichtabschwächung sind Messfunktionen der Optik. Die Abbildung bedeutet nicht, dass der Filter den Augenschutz ersetzt.

Dunkler, verschwindender und heller Glühfaden

Ist der Fadenstrom niedrig und der Faden dunkler als das Objekt, sehen Sie eine dunkle Linie vor hellem Hintergrund. Erhöhen Sie den Strom, wird der Faden heller und der Kontrast zum Hintergrund geringer.

Ist der Strom zu hoch, wird der Faden heller als das Objekt und erscheint als helle Linie. Verringern Sie dann den Strom und suchen Sie den Abgleichpunkt zwischen der dunklen und der hellen Einstellung.

Sind Objekt und Faden gleich hell, ist die Kante des Fadens vor dem Objekt kaum noch zu erkennen. Das ist der „verschwindende Faden“. Die Lampe brennt weiter, und es verschwindet nichts physisch.

Stellen Sie Okular und Fokus auf das Objekt ein, damit der Vergleich leichtfällt. Bei unscharfem Bild oder wenn der Faden über der Objektkante liegt, wird schon die Beurteilung des Abgleichs unsicher. Abbildung 3 zeigt die drei Ansichten.

Abbildung 3: Der Faden „verschwindet“, wenn seine Helligkeit der des Hintergrunds entspricht

Die Objekthelligkeit bleibt konstant. Die gebogene Linie in jeder Ansicht ist derselbe Faden.

Farben und Linienbreiten dienen der Veranschaulichung. In der mittleren Ansicht ist die Lampe weiterhin eingeschaltet; der Faden geht lediglich im Hintergrund auf.

Warum sich der Lampenstrom in eine Temperatur umrechnen lässt

Ein höherer Strom verändert Temperatur und Strahlung des Fadens. Allein daraus ergibt sich aber nicht automatisch die Objekttemperatur. Das Gerät braucht eine Kalibrierung, die dem Strom beim Abgleich eine Helligkeitstemperatur zuordnet.

Bei der Kalibrierung verwendet das Labor eine Normallampe oder einen schwarzen Strahler mit bekannter Helligkeitstemperatur und ermittelt den Strom, bei dem der Faden des Geräts abgleicht. Skala oder interne Umrechnung nutzen diese Zuordnung, um die Temperatur auszugeben.

Ändern sich Lampe oder Optik, kann derselbe Strom anders erscheinen. In der Instandhaltung sollten Sie deshalb zwei Prüfungen trennen: „Der Faden leuchtet“ und „Der Messwert stimmt mit einer Referenz überein“.

Die Lampe, mit der bei der Messung verglichen wird, und die Normallampe der Kalibrierung haben unterschiedliche Aufgaben. Die Kalibrierung verknüpft die Temperaturanzeige aus dem Strom der Vergleichslampe mit einer Referenz aus Normallampe oder schwarzem Strahler.

0,65 µm ist nicht das Maximum der Wärmestrahlung

Wird ein Körper heißer, nimmt seine Wärmestrahlung im sichtbaren Bereich zu, bis er sichtbar rot glüht. Mit steigender Temperatur wandert das Maximum des Spektrums eines schwarzen Körpers zu kürzeren Wellenlängen. Ein Körper, der gerade zu glühen beginnt, strahlt aber nicht im sichtbaren Bereich am stärksten.

Das Wiensche Verschiebungsgesetz liefert näherungsweise das Maximum der spektralen Strahldichte eines schwarzen Körpers pro Wellenlängeneinheit. Mit der Wellenlänge in µm und der thermodynamischen Temperatur in K beträgt die Konstante etwa 2898 µm·K.

Für einen schwarzen Körper bei 700 °C liegt das Maximum bei etwa 2,98 µm, also deutlich im Infraroten. Das Pyrometer kann dennoch die Helligkeit im sichtbaren Bereich vergleichen. Maximum-Wellenlänge und Messwellenlänge des Geräts sind deshalb zwei getrennte Größen.

Ebenso bedeutet 650 nm (0,65 µm) nicht, dass der Filter bei wechselnder Temperatur zum Maximum wandert. Das Beispielmodell nutzt ein rotes Band bei 0,65 µm, die effektive Wellenlänge hängt jedoch unter anderem vom Filter und von der Empfindlichkeit des Auges ab. Abbildung 4 trägt diese Werte auf einer Achse auf.

Abbildung 4: Das rote Messband und das Strahlungsmaximum eines schwarzen Körpers sind zu unterscheiden

Die Wellenlängenachse ist linear. Die Punkte markieren die berechneten Lagen der Maxima, nicht die Strahlungsintensität.

Die Breite des roten Bands dient der Veranschaulichung und ist nicht der tatsächliche Durchlassbereich eines Modells. Der Vergleich der Maxima berücksichtigt keine durch den Emissionsgrad veränderte spektrale Verteilung.

Helligkeitstemperatur und wahre Temperatur

Die Helligkeitstemperatur (Kido-ondo) ist die Temperatur eines schwarzen Körpers, der bei einer bestimmten Wellenlänge genauso hell erscheint wie das Objekt. Ein schwarzer Körper ist ein idealer Körper, der alle auftreffende Strahlung absorbiert. Er dient als Bezug für den Vergleich der Wärmestrahlung realer Körper bei gleicher Temperatur.

Ein Objekt mit einem Emissionsgrad (Hōsharitsu, 放射率) unter 1 strahlt weniger als ein schwarzer Körper gleicher Temperatur. Lassen sich Reflexionen der Umgebung vernachlässigen, liegt die auf den schwarzen Körper bezogene Helligkeitstemperatur unter der wahren Temperatur.

Wenn Sie den Emissionsgrad korrigieren, verwenden Sie einen Wert, der zur Messwellenlänge und zum Oberflächenzustand passt. Legen Sie den Wert nicht allein nach dem Werkstoffnamen fest, sondern prüfen Sie, wie Zunderschicht, Rauheit, Temperatur und Blickwinkel ihn verändern.

Rechenbeispiel: Wie stark der Emissionsgrad den Messwert verschiebt

In der Wienschen Näherung hängen Helligkeitstemperatur und wahre Temperatur über die Gleichung zusammen, die ein Vorlesungsskript der IIT Madras als ideale Pyrometergleichung bezeichnet (siehe unten). Die Zahlen sind fiktiv und zeigen nur die Größenordnung des Effekts.

Die Wellenlänge spielt dabei eine Rolle. Setzen Sie denselben Wert ε = 0,80 für ein hypothetisches Gerät mit 1,6 µm ein, liegt die wahre Temperatur hinter einem Messwert von 1.000 °C bei etwa 1.042 °C. Eine kürzere Wellenlänge macht den Messwert unempfindlicher gegen einen Fehler im Emissionsgrad. KELLER empfiehlt für Metalle ebenfalls Pyrometer mit kurzer Wellenlänge.

Das ist auch ein Grund, warum ein Infrarotthermometer und ein optisches Pyrometer auf derselben Oberfläche abweichen können, selbst wenn beide kalibriert sind. Vergleichen Sie erst Wellenlängen und Emissionsgrad-Einstellungen, bevor Sie einen Defekt vermuten.

Oberflächenwert und Innentemperatur

Bei undurchsichtigem Stahl empfängt ein optisches Pyrometer die Strahlung hauptsächlich von der sichtbaren Oberfläche. Es kann weder den Kern eines dicken Teils noch die Temperatur hinter einer Wand direkt ablesen.

Beim Erwärmen wird zuerst die Oberfläche heiß, und die Wärme braucht Zeit bis in den Kern. Hat der Oberflächenwert den Sollwert erreicht, ist das Teil damit noch nicht durchgehend gleichmäßig temperiert.

Berührungsthermometer haben dasselbe Problem: An der falschen Stelle gemessen, liefern sie nicht die benötigte Temperatur. Bei Fluidtemperaturen stellen Einbaulänge und Ansprechverhalten eines Schutzrohrs dieselbe Frage, nämlich wo der Sensor seine Wärme tatsächlich aufnimmt.

Bei lichtdurchlässigen Materialien wie Glas kann Strahlung aus dem Inneren oder von hinter dem Objekt hinzukommen. Gehen Sie nicht davon aus, dass ein Pyrometer bei jedem Werkstoff nur die Oberfläche erfasst. Prüfen Sie, ob das Objekt bei der Messwellenlänge undurchsichtig ist.

Das Gleiche gilt für gedämmte Rohrleitungen: Die Temperatur der Außenhülle ist nicht die Temperatur des Fluids im Inneren. Berücksichtigen Sie den Zusammenhang von Dämmdicke, Wärmeverlust und Oberflächentemperatur und prüfen Sie, ob die gemessene Fläche der Temperatur entspricht, die Sie regeln wollen.

Reflexionen, Fenster, Rauch und Objektgröße

Wird Strahlung einer Ofenwand an glänzendem Metall ins Gerät reflektiert, kommt zum Eigenlicht des Objekts ein reflektierter Anteil hinzu. Dann können Sie nicht einfach annehmen, ein niedriger Emissionsgrad führe immer zu einem niedrigen Messwert. Abbildung 5 trennt die Wege.

Abbildung 5: Das Licht, das das Gerät erreicht, hängt nicht nur von der Objekttemperatur ab

Trennen Sie die Eigenstrahlung des Objekts, die Reflexion des Hintergrunds sowie Fenster und Rauch dazwischen. Die beiden Wege sind zur besseren Lesbarkeit versetzt gezeichnet.

Die Pfeile unterscheiden nur die Wege; Strahlungsmengen und Reflexionswinkel sind nicht maßstäblich dargestellt. Wie stark Fenster, Rauch und Hintergrund den Messwert beeinflussen, hängt von deren Absorption, Emission und Intensität ab.

Jeder Punkt im Strahlengang braucht eine eigene Prüfung:

• Beobachtungsfenster: Entscheidend ist, wie viel Licht das Fenster bei der Messwellenlänge durchlässt. Ein Fenster, das für das Auge klar wirkt, hat nicht automatisch einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Messwert. KELLER beschreibt, einen bekannten Fensterverlust über die Emissionsgrad-Einstellung auszugleichen (Geräteeinstellung = Emissionsgrad des Objekts × Transmissionsgrad des Strahlengangs).
• Schmutz, Beschlag und Ablagerungen: Nehmen sie zu, ändert sich das vom Objekt ankommende Licht, und der Messwert verschiebt sich. KELLER weist darauf hin, dass Ablagerungen auf der Linse den Messwert senken. Dokumentieren Sie Fensterzustand und Visierweg, damit Sie dies von einer echten Temperaturänderung unterscheiden können.
• Hintergrundreflexion: Zielen Sie, wenn möglich, auf eine Stelle, die die Strahlung der Ofenwand nicht erreicht.
• Kleine Objekte: Die Optik des visuellen Verfahrens kann hier helfen. Prüfen Sie aber, ob die Objektfläche unter dem Faden deutlich sichtbar ist und ob Vergrößerung und Brennweite des Geräts dazu passen.
• Elektronische Geräte: Das Objekt muss das angegebene Messfeld ausfüllen. Betrachten Sie den Laserpunkt nicht als Messfläche, sondern prüfen Sie die Objektgröße anhand des Verhältnisses von Messabstand zu Messfleckdurchmesser in der Spezifikation.

Vorteile und Grenzen optischer Pyrometer

Der wichtigste Vorteil: Sie erhalten die Temperatur aus der Strahlung eines heißen Teils, ohne einen Sensor daran anzubringen. Sie vermeiden die Beeinflussung des Objekts durch Kontakt, und der Sensor selbst muss der hohen Temperatur nicht ausgesetzt werden.

Bei Berührungssensoren hängt die Haltbarkeit von Sensortyp, Schutzrohr, Atmosphäre und Dauerbetriebsbedingungen ab. Pauschale Grenzen wie „alle Thermoelemente bis 2.000 °C“ oder „alle Widerstandsthermometer bis 700 °C“ taugen nicht zur Auswahl.

Liegt eine Temperatur im Messbereich eines optischen Pyrometers, ist das Pyrometer nicht automatisch besser als ein Berührungssensor. Wählen Sie nach der benötigten Messstelle und nach dem Verwendungszweck der Messung.

Stichprobe oder Dauerüberwachung

Der visuelle Vergleich eignet sich für Messungen, bei denen eine Person anvisiert und den Abgleich beurteilt. Müssen Sie schnell veränderliche Temperaturen kontinuierlich aufzeichnen und in eine automatische Regelung einspeisen, prüfen Sie ein elektronisches Gerät oder einen anderen Typ mit dem benötigten Ausgang.

Für eine PID-Regelung genügt die Maximaltemperatur des Geräts nicht als Auswahlkriterium. Ansprechzeit, Aktualisierungsrate, Ausgang und die Wartung gegen Verschmutzung des Strahlengangs müssen zum Bedarf des Regelkreises passen.

Eine feine Anzeigeauflösung bedeutet nicht, dass die wahre Temperatur ebenso fein gemessen wird. Das gilt auch für Berührungsgeräte wie Quarzthermometer: Beurteilen Sie die Messqualität nicht allein nach der Stellenzahl.

Wenn Sie mehrere Thermometer vergleichen, prüfen Sie zuerst, ob sie dieselbe Stelle unter denselben Bedingungen messen. Ein Doppelelement-Sensor liefert zwei Messkanäle, stimmt aber nicht automatisch mit einem berührungslosen Wert von einer anderen Oberfläche überein.

Kalibrierung und Rückführbarkeit

Die Kalibrierung ermittelt die Abweichung des Geräts von einer Referenz. Auch ein kalibriertes Gerät kann im Betrieb andere Werte liefern, wenn sich Messstelle, Emissionsgrad oder Beobachtungsfenster ändern.

Beim Lesen japanischer Kalibrierunterlagen zu einem Pyrometer helfen einige Hinweise:

• ITS-90: Oberhalb des Erstarrungspunkts von Silber (961,78 °C) definiert die Internationale Temperaturskala von 1990 die Temperatur über das Plancksche Strahlungsgesetz, bezogen auf den Erstarrungspunkt von Silber, Gold (1.064,18 °C) oder Kupfer (1.084,62 °C). Oberhalb dieses Punkts wird die Skala selbst mit Strahlungsthermometern realisiert.
• JCSS: Das japanische akkreditierte Kalibriersystem (Japan Calibration Service System) umfasst Strahlungsthermometer. Fragen Sie, ob es sich um eine JCSS-Kalibrierung handelt und ob der Schein das ilac-MRA-Zeichen trägt, wenn Sie internationale Anerkennung benötigen. Das Gegenstück in Deutschland wäre ein DAkkS-Kalibrierschein; ob ein JCSS-Schein in Ihrem Qualitätssystem akzeptiert wird, entscheiden Ihre eigenen und die Kundenanforderungen.
• ITS-90 oder thermodynamische Temperatur: Eine Mitteilung der NITE vom Januar 2020 an JCSS-Labore besagt, dass das japanische Metrologieinstitut NMIJ seine Normale für Strahlungsthermometer von 960 °C bis 2.800 °C von ITS-90 auf Werte auf Basis der thermodynamischen Temperatur umgestellt hat. Die Labore sollten auf dem Schein angeben, welche Basis für jeden Wert gilt. Prüfen Sie daher diese Angabe.
• Kalibrierbereich: Gehen Sie nicht davon aus, dass sich die Abweichung an den kalibrierten Punkten außerhalb davon fortsetzt. Vergleichen Sie die Punkte auf dem Schein mit Ihrem Arbeitsbereich.

Japanische Datenblätter zu Strahlungsthermometern nennen mitunter JIS C 1612:2023, die japanische Norm zu Leistungsprüfverfahren für Strahlungsthermometer. International begegnen Ihnen ASTM E1256 (Prüfverfahren für Strahlungsthermometer mit einem Wellenlängenband) und IEC TS 62492-1 (technische Angaben, die ein Datenblatt enthalten sollte).

Im deutschsprachigen Raum ist zusätzlich die Richtlinienreihe VDI/VDE 3511 Blatt 4 zur Strahlungsthermometrie üblich, mit Grundlagen, Hinweisen zur richtigen Anwendung (Blatt 4.2 und 4.5) und einer Richtlinie zur Kalibrierung von Strahlungsthermometern (Blatt 4.4, Ausgabe 2025-05). Eine feste Zuordnung zwischen JIS C 1612, den IEC-/ASTM-Dokumenten und diesen Richtlinien haben wir nicht bestätigt. Fragen Sie den Lieferanten, nach welcher Norm und unter welchen Prüfbedingungen die Kennwerte ermittelt wurden.

Wenn Sie ein Gerät zur Kalibrierung geben, nennen Sie Temperaturbereich und Messbereichseinstellungen Ihres Einsatzes und prüfen Sie die Abweichung unter diesen Bedingungen. Halten Sie die Abweichung gegenüber dem Normal getrennt von den Fehlerquellen in der Anwendung fest.

Wenn Messwerte abweichen: die Ursache eingrenzen

Weichen zwei Geräte voneinander ab oder unterscheidet sich der heutige Wert vom Wert der Vorwoche, ordnen Sie die Ursache nach Messstelle, Strahlengang und Ablesung. Dokumentieren Sie Temperaturunterschiede und Bedingungsunterschiede getrennt, und gleichen Sie die Vergleichsbedingungen an, bevor Sie eine Einstellung ändern. Abbildung 6 zeigt die vier Bereiche.

Abbildung 6: Ursachen nach Messstelle, Strahlengang und Ablesung trennen

Halten Sie Temperaturunterschiede und Unterschiede der Messbedingungen auseinander. Gleichen Sie die Vergleichsbedingungen an, bevor Sie eine Einstellung ändern.

MessstelleWelche Fläche und welche Position am Werkstoff? Vor dem Vergleich mit einem Berührungssensor den Unterschied zwischen Oberflächen- und Innentemperatur klären.

ObjektoberflächeHaben sich Zunderschicht, Ablagerungen oder Rauheit verändert? Einen Emissionsgrad verwenden, der zu Messwellenlänge und Oberfläche passt.

StrahlengangHaben sich Fensterverschmutzung, Rauch oder Hintergrundreflexion verändert? Strahlengang und Korrektur mit der letzten Aufzeichnung abgleichen.

Gerät und AblesungMessbereich, Fokus, Fadenzustand und Beurteilung des Abgleichs prüfen. Die Abweichung gegenüber einer Referenz über die Kalibrierung bewerten.

Wer den Emissionsgrad nur anpasst, um eine Abweichung zu schließen, verdeckt die eigentliche Ursache. Verwenden Sie Werte, die zu Objekt und Referenzbedingungen gehören.

Führen Sie Aufzeichnungen, mit denen sich die Messung wiederholen lässt:

• Wo und wie Sie anvisiert haben: Geräte-ID, Messwert, Objektposition und Blickrichtung, einschließlich der verwendeten Ofenöffnung und des anvisierten Werkstückbereichs.
• Einstellungen: Messbereich, Emissionsgrad-Einstellung sowie Fenster- und Filterbedingungen.
• Änderungen im Zeitverlauf: Zeitpunkt der Fensterreinigung und Veränderungen der Objektoberfläche, damit Sie diese von Änderungen der Betriebsbedingungen trennen können.
• Streuung: Ist ein einzelner visueller Abgleich schwer zu beurteilen, prüfen Sie, ob das Objekt stabil ist, und betrachten Sie die Streuung wiederholter Messwerte. Trennen Sie Schwankungen des Objekts von Schwankungen bei Anvisieren und Abgleich.
• Einheitliches Vorgehen der Bediener: Wechseln die Bediener in der Schicht, gleichen Sie Fokussierung und Vergleichsstelle an. Tragen Sie einen Messwert von der hellsten Stelle nicht als dieselbe Messstelle ein wie einen Wert von einer anderen Stelle.

Checkliste und Fragen an die japanische Seite

Nutzen Sie diese Checkliste, wenn eine japanische Spezifikation, ein Prüfbericht oder eine Ofenanleitung den Messwert eines optischen Pyrometers nennt:

• Gerätetyp: visuelles Glühfadenpyrometer, Einbandinfrarot oder Zweifarben
• Mess- (effektive) Wellenlänge, zum Beispiel 0,65 µm
• Ob der angegebene Wert eine Helligkeitstemperatur (Kido-ondo) oder eine um den Emissionsgrad korrigierte Temperatur ist
• Verwendete Emissionsgrad-Einstellung und wie sie gewählt wurde (Oberflächenzustand, Wellenlänge)
• Beobachtungsfenster: Werkstoff, Zustand und ob sein Transmissionsgrad korrigiert wurde
• Messstelle: welche Fläche, Position und Ofenöffnung, und die Blickrichtung
• Mögliche Reflexionen von Ofenwänden oder Heizelementen an dieser Stelle
• Rauch, Dampf oder Staub im Visierweg
• Kalibrierschein: JCSS oder nicht, Kalibrierpunkte im Vergleich zu Ihrem Arbeitsbereich, ilac-MRA-Zeichen falls erforderlich
• Ob die Werte im Schein auf ITS-90 oder auf der thermodynamischen Temperatur beruhen (der von der NITE-Mitteilung erfasste Bereich von 960 bis 2.800 °C)
• Ob Ihre Prozessspezifikation die Oberflächen-, die Innen- oder die Ofentemperatur verlangt

Fehlen Angaben, klärt meist eine kurze E-Mail die Lücken. Passen Sie die folgende Vorlage an und ersetzen Sie die Angaben in eckigen Klammern. Wenn Ihr Ansprechpartner kein Deutsch spricht, übersetzen Sie sie ins Englische.

Grenzen dieses Beitrags

• Messbereich, Genauigkeit, Wellenlänge und Ausstattung sind modellabhängig. Die Angaben zum CHINO IR-URN sind ein Beispiel und keine allgemeinen Kennwerte.
• Das Rechenbeispiel verwendet fiktive Werte für Emissionsgrad und Transmissionsgrad und vernachlässigt reflektierte Strahlung. Der reale Emissionsgrad hängt von Werkstoff, Oberflächenzustand, Temperatur, Wellenlänge und Blickwinkel ab.
• Der Beitrag nennt keine Emissionsgrade für bestimmte Werkstoffe. Beziehen Sie diese vom Gerätehersteller oder aus Messungen an Ihren eigenen Teilen.
• Kalibrierpraxis und Formulierungen auf Kalibrierscheinen unterscheiden sich je nach Labor. Ob ein japanischer Schein in Ihrem Qualitätssystem akzeptiert wird, hängt von Ihren eigenen Anforderungen und denen Ihres Kunden ab. Die Hinweise zu VDI/VDE 3511 und DAkkS sind als Orientierung gedacht; prüfen Sie die aktuellen Ausgaben.
• Der Beitrag ist keine Arbeitsanweisung für den Blick in Öfen. Augenschutz und sichere Beobachtungspositionen richten sich nach Gefährdungsbeurteilung und den Sicherheitsregeln Ihres Standorts (zum Beispiel zur künstlichen optischen Strahlung).

FAQ

Kann man die Temperatur allein an der Glühfarbe erkennen?

Nein. Der Eindruck hängt auch vom Umgebungslicht und von der Adaptation der Augen ab, die Farbe allein ersetzt also kein Messgerät. Ein Glühfadenpyrometer vergleicht die Helligkeit in einem festgelegten Band mit einem Referenzfaden und liest die Temperatur über eine kalibrierte Zuordnung ab.

Ist das Objekt ein schwarzer Körper, wenn der Faden verschwindet?

Nein. Ein verschwindender Faden bedeutet nur, dass das vom Objekt ankommende Licht dieselbe Helligkeit hat wie der Faden. Er sagt nichts darüber aus, ob das Objekt ein schwarzer Körper ist. Für die wahre Temperatur prüfen Sie Emissionsgrad und Strahlengang.

Lässt sich mit einem optischen Pyrometer ein bewegtes Objekt messen?

Ja, solange Sie das Objekt im Blickfeld halten und seine Helligkeit beurteilen können. Berücksichtigen Sie Geschwindigkeit, Sichtdauer und Objektgröße. Wenn Sie kontinuierlich messen müssen, wählen Sie Detektionsverfahren und Ansprechzeit entsprechend.

Zeigt ein kalibriertes Pyrometer durch ein Fenster denselben Wert?

Nicht unbedingt. Die Kalibrierung betrifft nur das Gerät, während Transmissionsgrad und Verschmutzung eines Fensters das ankommende Licht verändern. Vergleichen Sie die Kalibrierbedingungen mit dem tatsächlichen Visierweg und entscheiden Sie dann, welche Korrektur und Prüfung nötig sind.

Warum weichen mein Infrarotthermometer und das optische Pyrometer voneinander ab?

Meist liegt es an unterschiedlichen Wellenlängen, Emissionsgrad-Einstellungen und Messfleckgrößen. Derselbe Fehler im Emissionsgrad verschiebt den Wert eines Geräts mit größerer Wellenlänge stärker als den eines Geräts mit 0,65 µm. Vergleichen Sie daher die Einstellungen beider Geräte und zielen Sie auf dieselbe Stelle, bevor Sie eines der Geräte verdächtigen.

Quellen

• Verschwindender Faden, Helligkeitstemperatur, Grundlagen der Wärmestrahlung: NBS/NIST, Self-Study Manual on Optical Radiation Measurements, Technical Note 910-8 (1985), §8.2
• Ideale Pyrometergleichung, effektive Wellenlänge, Betrieb mit verschwindendem Faden: S. P. Venkateshan, Mechanical Measurements, IIT Madras (NPTEL)
• Messprinzip und Spezifikationen des IR-URN: CHINO Corporation, digitales optisches Pyrometer (Japanisch)
• Optik und Messband des IR-URN: CHINO Corporation, Katalog CP-107-02 (Japanisch)
• Helligkeitstemperatur und wahre Temperatur: Ushio, „Basics of halogen lamps“, §8(1) (Japanisch)
• Wiensche Verschiebungskonstante: NIST, CODATA-Werte 2022 (in diesem Beitrag auf 2898 µm·K gerundet)
• Hintergrundreflexion, Transmission des Strahlengangs, Quotientenpyrometer: KELLER, „Metrological errors“
• Emissionsgrad und Wellenlänge: KELLER, „Definition and influence of emissivity“
• ITS-90 oberhalb des Silberpunkts: BIPM/CCT, Guide to the Realization of the ITS-90: Radiation Thermometry (2018)
• JCSS-Strahlungsthermometer, thermodynamische Temperatur von 960 °C bis 2.800 °C: NITE, Mitteilung an JCSS-Labore für Strahlungsthermometrie, 30. Januar 2020 (Japanisch)
• Prüfverfahren für Strahlungsthermometer mit einem Wellenlängenband: ASTM E1256-17(2022)
• Datenblattangaben für Strahlungsthermometer: IEC TS 62492-1:2008
• Kalibrierung von Strahlungsthermometern (Ausgabe 2025-05): VDI/VDE 3511 Blatt 4.4