Wie funktioniert die physikalische Messung bei einem kontaktlosen Infrarot-Fieberthermometer?

Die physikalische Messung bei einem kontaktlosen Infrarot-Thermometer (Pyrometer) basiert auf dem Prinzip der Wärmestrahlung. Jedes Objekt, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin bzw. -273,15 °C) liegt, sendet elektromagnetische Strahlung aus.

Hier ist der Schritt-für-Schritt-Prozess der physikalischen Messung:

1. Die Quelle: Infrarotstrahlung (Plancksche Strahlungsgesetz)

Atome und Moleküle in einem Körper bewegen sich ständig. Diese thermische Bewegung führt dazu, dass das Objekt Energie in Form von elektromagnetischen Wellen abgibt. Bei menschlicher Körpertemperatur (ca. 37 °C) liegt das Maximum dieser Strahlung im unsichtbaren Infrarotbereich (Wellenlängen zwischen ca. 7 und 14 Mikrometern).

2. Die Optik: Sammeln der Strahlung

Das Thermometer besitzt eine Linse (meist aus Silizium oder speziellen Kunststoffen, da normales Glas für Infrarotlicht teilweise undurchlässig ist). Diese Linse fängt die Infrarotstrahlen ein, die von der Stirn des Patienten ausgehen, und bündelt sie auf einen winzigen Sensor im Inneren des Geräts.

3. Der Sensor: Die Thermosäule (Thermopile)

Das Herzstück ist der Infrarot-Sensor, meist eine sogenannte Thermosäule. Diese funktioniert nach dem Seebeck-Effekt:

• Die Thermosäule besteht aus vielen kleinen, in Reihe geschalteten Thermoelementen.
• Wenn die gebündelte Infrarotstrahlung auf die Absorptionsfläche des Sensors trifft, erwärmt sich diese minimal.
• Durch den Temperaturunterschied zwischen der warmen Sensorfläche und dem kühleren Gehäuse des Sensors entsteht eine winzige elektrische Spannung (im Millivolt-Bereich).

4. Die Berechnung: Vom Signal zur Temperatur

Die Elektronik im Thermometer verarbeitet die gemessene Spannung. Dabei müssen physikalische Gesetze berücksichtigt werden:

• Stefan-Boltzmann-Gesetz: Die abgestrahlte Energie wächst mit der vierten Potenz der Temperatur ($P \sim T^4$). Das Gerät berechnet daraus die Oberflächentemperatur.
• Emissionsgrad: Nicht jeder Körper strahlt gleich gut. Das Gerät ist auf den Emissionsgrad der menschlichen Haut (nahezu ideal bei ca. 0,98) kalibriert.
• Umgebungstemperatur-Kompensation: Da der Sensor selbst auch Wärme abstrahlt, muss das Thermometer seine eigene Temperatur kennen und diese vom Messergebnis abziehen.

5. Umrechnung auf die Körperkerntemperatur

Da die Hautoberfläche an der Stirn meist kühler ist als das Körperinnere (die eigentliche Fiebertemperatur), nutzt das Gerät einen internen Algorithmus, um von der gemessenen Oberflächentemperatur auf die wahrscheinliche Körperkerntemperatur hochzurechnen.

Zusammenfassung der Komponenten:

1. Infrarot-Strahlung: Vom Körper ausgesendet.
2. Linse: Bündelt die Strahlung.
3. Thermopile-Sensor: Wandelt Wärmeenergie in elektrische Spannung um.
4. Mikroprozessor: Berechnet unter Einbezug der Umgebungstemperatur den Celsius-Wert.

Wichtige Fehlerquellen in der Praxis:

• Abstand: Ist man zu weit weg, misst der Sensor auch die Strahlung der Umgebungsluft mit.
• Schweiß/Make-up: Schweiß kühlt die Haut durch Verdunstung ab, was zu fälschlicherweise zu niedrigen Werten führt.
• Akklimatisierung: Wenn das Gerät direkt aus einem kalten Auto in ein warmes Zimmer gebracht wird, muss sich der interne Referenzsensor erst anpassen.