Einfarbige vs. zweifarbige Pyrometer

Infrarotpyrometer gibt es in zwei Hauptvarianten: Einfarben- und Zweifarbenpyrometer. Zweifarbenpyrometer werden auch als Quotienten- oder Zweiwellenlängenpyrometer bezeichnet. Beide Geräte sind dafür ausgelegt, die von heißen Objekten emittierte Infrarotstrahlung zu erfassen und daraus einen Temperaturmesswert zu bestimmen, arbeiten jedoch nach leicht unterschiedlichen Prinzipien. Ein Einfarbenpyrometer konzentriert sich auf die Messung der Wärmestrahlung bei einer bestimmten Wellenlänge oder in einem schmalen Wellenlängenbereich. Es erfasst im Wesentlichen, wie viel Infrarotstrahlung bei dieser Wellenlänge vom Messobjekt ausgeht, und leitet aus dieser Intensität die Temperatur ab. Bei einer Messung mit nur einer Wellenlänge kann das Pyrometer jedoch nicht zwischen Temperatur und Emissionsgrad unterscheiden. Der Emissionsgrad beschreibt, wie effektiv ein Objekt im Vergleich zu einem idealen schwarzen Strahler Wärme abstrahlt. Wenn der Sensor ein schwächeres Signal erfasst, kann dies daran liegen, dass das Objekt kühler ist oder dass es ein schlechter Strahler ist. Um einen genauen Temperaturmesswert zu erhalten, muss der Benutzer dem Einfarbenpyrometer den Emissionsgrad des Objekts vorgeben oder es entsprechend kalibrieren. In der Praxis bedeutet dies, dass der Benutzer einen Emissionsgrad einstellt, der auf dem bekannten Emissionsgrad des Materials oder auf durchgeführten Messungen basiert. Auch wenn die Notwendigkeit, den Emissionsgrad zu kennen, als Einschränkung der Einfarbenpyrometrie angesehen werden kann, ist dies in der Praxis weniger problematisch, als es zunächst scheint. Viele Materialien weisen unter bestimmten Bedingungen bekannte oder konstante Emissionsgrade auf. Wenn der industrielle Prozess stabil ist, kann ein Einfarbenpyrometer äußerst genau und zuverlässig arbeiten. Wenn der Emissionsgrad bekannt und der Messpfad frei ist, kann ein Einwellenlängenpyrometer ebenso gute Ergebnisse liefern wie andere Messverfahren. Aus genau diesen Gründen sind diese Geräte unkompliziert, kostengünstig, robust und in zahlreichen Industriezweigen weit verbreitet.

Zweifarbenpyrometer hingegen messen gleichzeitig die Infrarotstrahlung bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen. Die Elektronik berechnet das Verhältnis der beiden gemessenen Intensitäten und bestimmt anhand dieses Verhältnisses die Temperatur. Das Prinzip ist sehr wirkungsvoll: Durch den Vergleich zweier Wellenlängen kann sich der Einfluss des Emissionsgrads bei der Messung theoretisch herauskürzen.

Jeder Detektor erfasst eine bestimmte Strahlungsintensität, die von der Temperatur des Objekts und dessen Emissionsgrad bei der jeweiligen Wellenlänge abhängt. Ein Zweifarbenpyrometer arbeitet, indem es das Verhältnis dieser beiden Signale vergleicht. Da die Wärmestrahlung eines heißen Objekts mit steigender Temperatur zunimmt, steht dieses Signalverhältnis in erster Linie mit der Temperatur des Objekts in Zusammenhang. Wenn der Emissionsgrad bei beiden Wellenlängen gleich ist, kürzt er sich im Verhältnis heraus, sodass das Ergebnis nur noch die Temperatur widerspiegelt. Das Gerät nutzt dieses Verhältnis anschließend zur Bestimmung der Temperatur, die häufig als „Quotiententemperatur“ bezeichnet wird. Im Wesentlichen löst das Zweifarbenpyrometer zwei Gleichungen, jeweils eine für jede Wellenlänge, um gleichzeitig zwei unbekannte Größen zu bestimmen. Dieses Verfahren vermittelt den Eindruck, dass unbekannte Emissionsgrade kompensiert werden können, was unter bestimmten Bedingungen tatsächlich möglich ist, jedoch nur unter bestimmten Voraussetzungen.

Wenn der Emissionsgrad bei beiden Wellenlängen identisch ist, fällt er aus der Quotientenberechnung heraus, sodass das Pyrometer die tatsächliche Temperatur anzeigen kann, ohne dass der Emissionsgrad bekannt sein muss. Vereinfacht gesagt zielt ein Zweifarbensystem darauf ab, die Temperatur zu bestimmen, ohne dass ein Emissionsgrad eingegeben werden muss, was einen erheblichen Vorteil darstellt. Hersteller bewerben diese Geräte daher häufig als „emissionsgradunabhängig“ oder als Systeme, die direkt die „wahre Temperatur“ messen können. Es ist jedoch entscheidend zu verstehen, dass Zweifarbenpyrometer in der Regel voraussetzen oder erfordern, dass das Verhältnis der Emissionsgrade bei den beiden Wellenlängen konstant bleibt. In der Praxis verfügen viele Quotientenpyrometer über eine Einstellung mit der Bezeichnung „Slope“ oder Emissionsgradverhältnis, über die der Benutzer das erwartete Verhältnis der Emissionsgrade eingeben kann. Ist dieser Wert auf 1,0 eingestellt, was häufig die Standardeinstellung ist, wird davon ausgegangen, dass sich das Objekt wie ein „grauer Strahler“ verhält, also bei beiden Wellenlängen denselben Emissionsgrad aufweist. Wenn sich die Emissionsgrade unterscheiden, muss der Slope-Faktor entsprechend angepasst werden.

Der wichtigste Punkt ist jedoch, dass die Zweifarbenpyrometrie den Emissionsgrad nicht vollständig aus der Gleichung entfernt. Die zentrale Erkenntnis lautet vielmehr: Die Zweifarbenpyrometrie beseitigt das Emissionsgradproblem nicht, sondern reduziert es auf die Annahme eines konstanten Verhältnisses der Emissionsgrade. Das Verfahren ist darauf angewiesen, dass dieses Verhältnis konstant bleibt.

Der Mythos der Emissionsgradunabhängigkeit (und warum er ein Mythos ist)

Es lohnt sich, mit einem weit verbreiteten Vorurteil direkt aufzuräumen: „Zweifarbenpyrometer sind immer besser, weil sie den Emissionsgrad automatisch berücksichtigen.“ Dies ist ein Irrtum.

Bei vielen realen Materialien ändert sich der Emissionsgrad mit der Wellenlänge. Das bedeutet, dass sie keine perfekten grauen Strahler sind; ihre Oberflächeneigenschaften führen dazu, dass sie Infrarotstrahlung bei bestimmten Wellenlängen effizienter emittieren als bei anderen. Wenn fälschlicherweise angenommen wird, dass die Emissionsgrade gleich sind, kann das Zweifarbenpyrometer einen falschen Temperaturwert anzeigen.

Selbst wenn zu Beginn einer Messung das richtige Emissionsgradverhältnis (Slope) berücksichtigt wird, können Veränderungen des Oberflächenzustands des Materials – beispielsweise durch Oxidation, Oberflächenbeschaffenheit oder Temperaturschwankungen – den spektralen Emissionsgrad verändern und dazu führen, dass sich dieses Verhältnis verschiebt. Folglich verändert sich auch der Messwert des Zweifarbenpyrometers.

Somit werden sowohl Einfarben- als auch Zweifarbenpyrometer vom Emissionsgrad beeinflusst: Einfarbenpyrometer durch den absoluten Emissionsgradwert und Zweifarbenpyrometer durch die Stabilität des Emissionsgradverhältnisses.

Neben Änderungen des Slope-Faktors muss auch die Systemgenauigkeit jedes einzelnen Kanals berücksichtigt werden. Da die Quotiententemperatur von den einzelnen Temperaturwerten abhängt, wird die Gleichung für die Quotiententemperatur berechnet, indem für einen einzelnen Kanal ein abweichender Temperaturmesswert angenommen und dessen Einfluss ausgewertet wird. Unsicherheiten der Einfarbenmessung übertragen sich über die annähernd lineare Gleichung zur Empfindlichkeit des Quotientenpyrometers gegenüber dem Emissionsgradverhältnis und können dadurch zu einer größeren Abweichung der Quotiententemperatur führen als beim Betrieb desselben Geräts im Einfarbenmodus. Zweifarbenpyrometer können geringfügige Abweichungen zwischen den Kanälen sowie kleine Fehler im angenommenen Emissionsgradverhältnis verstärken, was eine Folge der effektiven Wellenlänge ist. Die Wahl eng beieinanderliegender Wellenlängen kann das Emissionsgradverhältnis stabilisieren und näher an der Annahme halten, dass es gleich eins ist. Gleichzeitig erhöht sich dadurch jedoch die effektive Wellenlänge, wodurch die Temperatur empfindlicher gegenüber Änderungen des Slope-Faktors und Unterschieden zwischen den Kanälen wird. Als Faustregel gilt: Die Zweifarbentemperatur kann sich deutlich verschieben: Bei einer Differenz von etwa 1 °C zwischen den Kanälen kann sich das Quotientenergebnis um bis zu etwa 10 °C verändern.

Abbildung 1 zeigt, dass eine Änderung des Emissionsgradverhältnisses um ±10 % dazu führt, dass die Zweifarbenmessung von der tatsächlichen Temperatur abweicht, insbesondere am unteren Ende des Temperaturbereichs. Zusätzlich werden die Systemgenauigkeiten berücksichtigt. Bei höheren Temperaturen ist der Einfluss der Emissionsgraddifferenz weniger ausgeprägt, da die absoluten Signalpegel deutlich höher sind und der Quotient in diesem Bereich etwas weniger empfindlich reagiert.

Praxisnahe Betrachtung: Wann Quotientenpyrometer ihre Stärken ausspielen (und wann nicht)

Es gibt bestimmte Szenarien, in denen Quotientenpyrometer trotz ihrer Empfindlichkeit gegenüber dem Emissionsgrad klare praktische Vorteile bieten. Diese beziehen sich vor allem auf schwierige Messbedingungen wie verschmutzte Optiken, Sichtbehinderungen oder Probleme bei der Zielerfassung sowie auf einige Fälle mit unbekanntem Emissionsgrad:

• • Verschmutzte, staubige oder teilweise verdeckte Sicht: Ein großer Vorteil der Zweifarbenmethode ist ihre Fähigkeit, gleichmäßige Signalverluste im optischen Pfad zu kompensieren. Wenn etwas das Infrarotsignal bei beiden Wellenlängen gleichermaßen teilweise blockiert, zum Beispiel ein verschmutztes Sichtfenster, Rauch, Staub oder Dampf, die beide Kanäle ähnlich abschwächen, kann ein Quotientenpyrometer diese Dämpfung weitgehend ausgleichen. Die angezeigte Temperatur bleibt korrekt, da beide Detektoren den gleichen prozentualen Signalabfall erfassen und ihr Verhältnis somit unverändert bleibt. Einkanalpyrometer hingegen würden lediglich ein schwächeres Signal erfassen und in solchen Fällen eine zu niedrige Temperatur anzeigen. Dadurch eignen sich Quotientenpyrometer besonders gut für raue Umgebungen wie Industrieöfen, Brennkammern oder die Überwachung von Schornsteinen. Wichtig: Wenn die Beeinträchtigung bei beiden Wellenlängen nicht gleich ist – z. B. wenn Staub kurze Wellenlängen stärker absorbiert als lange –, kann die Quotientenmethode dies nicht vollständig kompensieren und es entsteht ein Messfehler, ähnlich wie bei einer Änderung des Emissionsgrads. Die Beeinträchtigung muss also „grau“ sein, damit die Kompensation funktioniert.

• • Variierende Zielgröße oder teilweise Ausfüllung des Sichtfelds: Zweifarbenpyrometer reagieren im Allgemeinen weniger empfindlich darauf, wenn das Ziel das Sichtfeld des Sensors nicht vollständig ausfüllt, solange beide Wellenlängen denselben Anteil des Ziels erfassen. Wenn beispielsweise ein kleines, sich bewegendes Metallteil gemessen wird und dieses zeitweise nur die Hälfte des Messflecks abdeckt, würde der Messwert eines Einkanalpyrometers sinken. Ein Quotientenpyrometer hingegen behält ein konstantes Verhältnis bei, da beide Kanäle jeweils nur die Hälfte des Signals empfangen. Dadurch kann es weiterhin die korrekte Temperatur anzeigen, selbst wenn das Ziel das Sichtfeld nur teilweise ausfüllt oder sich leicht darin bewegt. Dies macht Quotientenpyrometer besonders nützlich für bewegte Ziele, kleine Objekte oder Situationen, in denen die Ausrichtung nicht perfekt ist.

• • Schnell wechselnder oder unbekannter Emissionsgrad: Wenn ein Prozess tatsächlich unvorhersehbare Änderungen des Emissionsgrads aufweist, die sich praktisch nicht berücksichtigen lassen, kann ein Zweifarbenpyrometer die Empfindlichkeit gegenüber diesen Änderungen im Vergleich zu einer festen Emissionsgradeinstellung bei einem Einkanalpyrometer zumindest reduzieren. Ein klassisches Beispiel ist die Messung von geschmolzenen Metallen oder Materialien, die ihren Aggregatzustand ändern – ihr Emissionsgrad kann dabei schwanken. Ein Quotientenpyrometer, das von einem konstanten Emissionsgradverhältnis ausgeht, ist bei starken Änderungen des Emissionsgrads möglicherweise nicht zu 100 % genau, kann aber näher am tatsächlichen Wert liegen als eine Einkanalmessung ohne häufige Anpassung des Emissionsgrads.

Ein Zweifarbenpyrometer liefert die besten Ergebnisse, wenn das Ziel bei beiden Wellenlängen den gleichen Emissionsgrad aufweist und mögliche Beeinträchtigungen beide Signale gleichermaßen abschwächen – beispielsweise bei einem „grauen“ Ziel, das durch gleichmäßigen Rauch hindurch betrachtet wird. Unter diesen Bedingungen kann die Quotientenmethode Einkanalgeräte übertreffen.

Sie ist jedoch keine universelle Lösung. Bei nicht-grauen Oberflächen muss das Verhalten des Quotienten weiterhin bekannt sein oder an die Unterschiede im Emissionsgrad angepasst werden. Ebenso wird die Quotientenmessung verfälscht, wenn ein Filter oder ein Sichtmedium eine Wellenlänge stärker beeinflusst als die andere – ähnlich wie bei einem Einkanalpyrometer, wenn auch aus einem anderen Grund. Die Methode bleibt an die physikalischen Eigenschaften des Ziels und des Messpfads gebunden.

Praktische Abwägungen: Präzision, Wiederholbarkeit und Einfachheit

Wie entscheidet man sich angesichts der oben genannten Aspekte zwischen einem Einfarben- und einem Zweifarbenpyrometer für eine bestimmte Anwendung? Entscheidend ist, die Messbedingungen und Prioritäten zu verstehen:

• • Wenn der Emissionsgrad des Messobjekts hinreichend gut bekannt, stabil oder bestimmbar ist und die Messumgebung eine freie Sicht ermöglicht, ist ein Einfarbenpyrometer häufig die beste Wahl. Diese Geräte sind unkompliziert – Emissionsgrad einstellen und messen.
  • Wenn die minimale Temperatur oder die Signalqualität wichtig ist: Einfarbenpyrometer verfügen nur über einen Detektor und ein Signal, sodass das Rauschen geringer und auch die minimale Messtemperatur niedriger sein kann. Unter identischen Bedingungen kann ein Einfarbenpyrometer tatsächlich genauer sein als ein Zweifarbenpyrometer, da keine Quotientenberechnung durchgeführt wird, die Fehler möglicherweise verstärkt.
  • Wenn das Messobjekt oder die Umgebung anspruchsvoll ist – unbekannter oder schwankender Emissionsgrad, verschmutzte Optiken oder eine zeitweise eingeschränkte Sicht – und sich eine konstante Emissionsgradeinstellung nicht aufrechterhalten lässt, kann ein Zweifarbenpyrometer den zusätzlichen Aufwand wert sein. Besonders nützlich sind diese Geräte bei Hochtemperaturanwendungen, bei denen die Messobjekte glühend heiß sind, sich möglicherweise bewegen und es schwierig ist, die Optik sauber zu halten. Zweifarbenpyrometer weisen häufig eine höhere untere Temperaturgrenze auf. Ihre Stärken spielen sie insbesondere dann aus, wenn die Bedingungen den Annahmen der Quotientenmessung entsprechen – beispielsweise bei Messungen durch eine Flamme oder Rauchfahne, die die Sicht gleichmäßig beeinträchtigt, oder bei einem Messobjekt, das in zwei Spektralbereichen ähnlich emittiert. In solchen Fällen kann ein Quotientenpyrometer seine Genauigkeit beibehalten, während ein Einfarbenpyrometer an seine Grenzen stößt.
  • Wartung und Bedienungsfreundlichkeit: Einfarbenpyrometer sind in der Regel einfacher einzurichten, wenn der Emissionsgrad bekannt ist. Zweifarbenpyrometer können mehr Sorgfalt erfordern – der Benutzer muss möglicherweise beide Kanäle kalibrieren, das Emissionsgradverhältnis („Slope“) korrekt für das Material einstellen und sicherstellen, dass beide optischen Pfade sauber und korrekt ausgerichtet sind. Wenn ein Detektor seine Ausrichtung verändert oder stärker verschmutzt als der andere, driftet das Verhältnis. Aus Anwendersicht können Einfarbengeräte daher bei der Wartung weniger anspruchsvoll sein. Aufgrund ihres Zweikanalaufbaus können Quotientenpyrometer über komplexere Optiken und Ausrichthilfen verfügen.

Kurz gesagt ist ein Zweifarbenpyrometer nicht automatisch die bessere Wahl. Wenn der Emissionsgrad die einzige Herausforderung darstellt und kontrolliert werden kann, liefert ein Einfarbengerät häufig gleich gute oder bessere Ergebnisse bei geringerem Rauschen und geringerer Messunsicherheit. In Umgebungen hingegen, in denen Emissionsgrad oder Sichtbedingungen nicht stabil gehalten werden können, kann ein Zweifarbenpyrometer dazu beitragen, diese Probleme zu reduzieren – sie jedoch nicht vollständig zu beseitigen. Als Richtlinie gilt: Verwenden Sie ein Einfarbenpyrometer für stabile Prozesse mit bekanntem Emissionsgrad und freier Sicht; wählen Sie ein Quotientenpyrometer für dynamische Bedingungen, wechselnde Emissionsgrade oder verschmutzte und teilweise verdeckte Messpfade.

Obwohl Quotientenpyrometer leistungsfähige Messgeräte sind, sind sie nicht grundsätzlich überlegen. Kommerzielle Zweifarbensysteme, die mit der Messung der „wahren Temperatur“ beworben werden, können dieses Versprechen nur dann erfüllen, wenn das Emissionsgradverhältnis gut bekannt ist und konstant bleibt. Ist dies unter realen Bedingungen nicht der Fall, liefern sie keine genaueren Ergebnisse als ein korrekt eingesetztes Einfarbenpyrometer – tatsächlich können sie sogar ungenauer sein. Entscheidend ist, das Messgerät passend zur Anwendung auszuwählen. In manchen Fällen bietet ein Quotientenpyrometer gegenüber einem einfacheren Einfarbengerät keinen Vorteil und kann die Messung sogar unnötig verkomplizieren.