Berührungslose Temperaturmessung Die Temperaturmessung eines Körpers erfolgt mittels Infrarotstrahlung. Dieses Verfahren eignet sich besonders für kleine, bewegliche oder schwer zugängliche Objekte sowie für dynamische Prozesse, die eine schnelle Reaktion erfordern. Kenntnisse der Grundlagen der Temperaturmesstechnik, ihrer Parameter und der verschiedenen verfügbaren Funktionen helfen bei der Auswahl des optimalen berührungslosen Temperaturmessgeräts für eine bestimmte Anwendung. Ein berührungsloses Thermometer ermittelt die Oberflächentemperatur eines Objekts durch Messung der von ihm abgegebenen Infrarotstrahlung. Infrarot ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der außerhalb des sichtbaren Bereichs des menschlichen Auges liegt. Die Wellenlängen im Infrarotbereich reichen von 0,75 µm bis 1000 µm.
Die Temperatur spielt in verschiedenen Branchen eine wichtige Rolle, beispielsweise in der Fertigung, der Qualitätskontrolle und der Medizintechnik. Eine präzise Temperaturüberwachung verbessert die Produktqualität und steigert die Produktivität. Infrarot-Technologie wird seit vielen Jahren erfolgreich in Industrie und Forschung eingesetzt. Neue technische Innovationen haben jedoch die Kosten gesenkt und neue Anwender und Anwendungen gewonnen. Die Hauptvorteile der berührungslosen IR-Thermometrie sind Geschwindigkeit, Störungsfreiheit und die Möglichkeit, in hohen Temperaturbereichen bis 3000 °C zu messen. Infrarot-Thermometer können auch für bewegliche und unzugängliche Objekte eingesetzt werden. Allerdings eignet sich Infrarot-Technologie nur zur Messung von Oberflächentemperaturen.
Abhängig von ihrer Temperatur emittiert jede Materieform oberhalb des absoluten Nullpunkts Infrarotstrahlung. Die Temperatur eines Objekts hängt von der Intensität seiner Molekularbewegung ab. Die vom Objekt emittierte Infrarotstrahlung kann zur Bestimmung seiner Oberflächentemperatur genutzt werden. Pyrometer Infrarotthermometer werden verwendet, um diese Infrarotstrahlung zu erfassen und die Temperatur zu bestimmen. Je nach Anwendungsbereich sind heute verschiedene Pyrometer erhältlich und werden unterschiedlich hergestellt.
Quotientenpyrometer oder Quotientenpyrometer messen die Temperatur auf Basis zweier (oder mehrerer) diskreter Wellenlängen. Der Hauptvorteil von Quotientenpyrometern besteht darin, dass die Messung unabhängig vom Emissionsgrad ist und daher Emissionsgradschwankungen keinen Einfluss auf die Temperaturmessung haben. Die Temperaturmessung hängt in diesem Fall vom Emissionsgradverhältnis des Materials bei den beiden diskreten Wellenlängen ab.
Emissions- und Strahlungsthermometer
Der Emissionsgrad definiert den Anteil der von einem Objekt emittierten Strahlung im Vergleich zu der eines schwarzen Körpers gleicher Temperatur. Der Emissionsgrad hängt von der Art des Materials und dessen Oberflächenbeschaffenheit ab. Bei bestimmten Materialien kann er von nahe null bis nahezu eins variieren. Die Kenntnis des Emissionsgrads eines Objekts ist erforderlich, um dessen korrekte Temperatur zu bestimmen. Emissionsgrade sind in der Literatur für verschiedene Materialien und Spektralbänder aufgeführt oder können auch selbst bestimmt werden.
Einfarbpyrometer messen und bewerten die Intensität der aufgenommenen Infrarotstrahlung. Die Intensität wird im schmalen Wellenlängenbereich gemessen. Die Wahl des Wellenlängenbereichs hängt vom Temperaturbereich und der Art des zu messenden Materials ab.
Genaue Messung
Die Genauigkeit der Temperaturmessung hängt maßgeblich von der richtigen Einstellung der erforderlichen Parameter ab. Die Einstellung des Emissionsgrads ist dabei ein kritischer Punkt.
Thermische Zielstrahlung enthält immer Streustrahlung, die von der Umgebung des Zielbereichs emittiert und von der Zieloberfläche reflektiert wird. Im Allgemeinen wird angenommen, dass die Umgebungstemperatur der Sensortemperatur entspricht. Ist das Ziel anderen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, z. B. in einem beheizten Ofen oder einer Heißkammer, sind für eine genaue Messung Anpassungen erforderlich. Gase, Wasserdampf, Staub und andere Partikel im Sichtfeld eines Sensors können die Temperaturmessung beeinflussen. Da beide optischen Kanäle gleichermaßen betroffen sind, sind Quotientenpyrometer im Allgemeinen unempfindlich gegenüber Sichtfeldbedeckungen, und das Signalfarbverhältnis bleibt unverändert.
Strahlungsthermometer werden stark von Änderungen der Umgebungstemperatur beeinflusst. Um eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten, ist eine präzise Kompensation dieser Temperaturdrift erforderlich.
Optik
Die Optik von Strahlungsthermometern ist üblicherweise vom Typ mit festem Fokus. Der von einem Pyrometer gemessene Zielbereich wird als Messfleckgröße bezeichnet. Für eine genaue Messung mit einem Einfarbpyrometer sollte die Messfleckgröße kleiner sein als das Objekt. Ein Quotientenpyrometer kann jedoch die Temperatur eines Objekts messen, dessen Größe kleiner ist als seine Messfleckgröße. Details zur Messfleckgröße und Optik des Pyrometers sind immer beim Hersteller des Pyrometers erhältlich. Anhand der Angaben zum Sichtfeld des Pyrometers lässt sich die Messfleckgröße bei einer bestimmten Entfernung berechnen und somit die Messdistanz des Pyrometers festlegen. Das Sichtfeld ermöglicht eine einfache Berechnung der minimalen Zielgröße für jeden Arbeitsabstand. Ein praktisches Maß ist das Distanz-Ziel-Verhältnis, z. B. 50:1, was bei einer Messdistanz von 50 mm ein minimales Ziel von 1 mm angibt.
Faseroptisches Pyrometer Sie wird für Anwendungen mit starken elektrischen oder magnetischen Störfeldern eingesetzt. Dadurch kann das elektronische System außerhalb der Gefahrenzone platziert werden. Glasfasertechnik ermöglicht die physikalische Trennung der Linsenbaugruppe von Detektor und Signalverarbeitungselektronik.
Messobjekte
Strahlungsthermometer werden heutzutage in verschiedenen Branchen und für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt. Sie werden zur Temperaturmessung von Metallen, Kunststoffen und Glas sowie in der Medizintechnik eingesetzt.
Da Metalle oft reflektieren, weisen sie in der Regel einen geringen Emissionsgrad auf. Ein geringer Emissionsgrad bedeutet, dass die Metalloberfläche nur sehr wenig Energie abgibt, was zu unzuverlässigen Ergebnissen führen kann. Die Wahl eines Messgeräts, das die Infrarotstrahlung bei einer bestimmten Wellenlänge und in einem bestimmten Temperaturbereich misst, in dem die Metalle den höchstmöglichen Emissionsgrad aufweisen, kann Fehler minimieren. Die optimale Wellenlänge für hohe Temperaturen liegt bei Metallen bei etwa 0,8 bis 1,0 µm. Wellenlängen von 1,6, 2,2 und 3,9 µm sind ebenfalls möglich.
Bei der Messung der Glastemperatur mit einem Infrarot-Thermometer sollten sowohl Reflexion als auch Transmission berücksichtigt werden. Durch die Wahl der Wellenlänge können sowohl die Oberflächentemperatur als auch die Temperatur in der Tiefe gemessen werden. Für Messungen unterhalb der Oberfläche sollte ein Sensor für 1,0, 2,2 oder 3,9 µm Wellenlänge verwendet werden. Für Oberflächentemperaturen in Glas wird ein Sensor für 5 µm empfohlen. Da Glas ein schlechter Wärmeleiter ist und sich die Oberflächentemperatur schnell ändern kann, empfiehlt sich ein Messgerät mit kurzer Reaktionszeit.
