MTS Messtechnik Schaffhausen GmbH: HEITRONICS Infrarot Messtechnik GmbH | Systeme und Lösungen zur Berührungslosen Temperaturmessung von -100°C bis 3000°C

Strahlungsthermometrie – Temperaturen berührungslos messen
Die Temperatur gehört zu den am meisten erfassten Messgrössen, da sie physikalische, chemische und biologische Prozesse entscheidend beeinflusst. Um industrielle Verfahren bewerten, optimieren, wiederholen und vergleichen zu können, müssen Temperaturen genügend genau und weltweit einheitlich gemessenwerden. Dies geschieht mit Hilfe der Festlegungen und Vorschriften der Internationalen Temperaturskala.

(industrietreff) - Die berührungslose Messung von Oberflächentemperaturen mit Strahlungsthermometern ist heute problemlos über einen Temperaturbereich von –100 °C bis zu 3000 °C möglich. Die strahlungsthermometrische Temperaturmessung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber berührenden Methoden. Strahlungsthermometer reagieren sehr schnell und die Messung wird nicht durch Wärmezu- oder -ableitung beeinflusst. Objekte die sich schnell bewegen, unter elektrischer Spannung stehen oder schnelle Temperaturänderungen erfahren können so gemessen werden. Strahlungsthermometrie wird folglich zunehmend zur Überwachungund Steuerung thermischer Prozesse, zur Instandhaltung und in der Gebäudetechnik eingesetzt. Die Existenz der Infrarot Strahlung wurde bereits um 1800 von dem Astronomen William Herschel entdeckt. Damals wurde die Strahlung eher zufällig mit einem Prisma nachgewiesen, welches das Licht der Sonne brechen sollte. Über die Jahre entstanden einige verschiedene Methoden die IR-Strahlung von Objekten zu messen. Heute ist sie ein tragender Baustein der Messtechnik. Zahlreiche Unternehmen haben sich darauf spezialisiert. Dennoch gilt es einige Besonderheiten bei der Anwendung zu beachten. Führendes Unternehmen in diesem Bereich ist HEITRONICS Infrarot Messtechnik GmbH, D-65205 Wiesbaden, Deutschland.

Der für den Menschen nicht sichtbare Bereich der IR-Strahlung folgt den physikalischen Gesetzen der Optik. So kann auch die IR-Strahlung mit Linsen gebündelt oder gestreut bzw. durch einen Spiegel abgelenkt werden. Das Spektrum der IR Strahlung erstreckt sich von 0,7 µm bis 1000 µm. Für die IR-Temperaturmessung ist aber lediglich der Bereich zwischen 1 und 14 µm interessant, da nur in diesem Bereich das Verhalten der Strahlungsenergie linear ist. IR-Thermometer ermitteln die von einem Körper abgestrahlte Energie, ohne diesen selbst zu berühren. Damit sind schnelle und sichere Temperaturmessungen von sich bewegenden, sehr heissen oder schwer zugänglichen Objekten möglich. Während ein Temperaturfühler die Temperatur des Messobjektes beeinflussen kann und das Produkt selbst unter Umständen beschädigt oder verunreinigt wird, gewährleistet das berührungslose Verfahren zu jederzeit präzise Messwerte. Zudem ist der Einsatz von IR-Sensoren auch bei sehr hohen Temperaturen möglich, bei denen ein Kontaktfühler zerstört werden würde oder nur eine geringe Lebensdauer hätte. IR-Sensoren zur Prozessautomatisierung ermöglichen eine kontinuierliche Temperaturüberwachung. Intelligente, digitale Systeme erlauben dem Kunden die Fernprogrammierung der Sensoren sowie die online Messdatenübertragung und -aufzeichnung. Temperaturmessung findet im industriellen Umfeld sehr häufig Anwendung. Überall wo Temperatur als kritische Prozessgrösse gilt ist der Einsatz von IR-Sensoren sinnvoll. Sei es bei er Defekterkennung von Lagern, bei der Bauteilüberwachung in der Elektronikindustrie, messen der Produkttemperatur in der Lebensmittelindustrie oder auch beim Warmwalzen von Blechen. Die berührungslosen Temperatursensoren überzeugen durch die schnelle Arbeitsweise und weil sie keinen Einfluss auf das Messobjekt ausüben.

Prinzip der IR-Temperaturmessung
Infrarote Strahlung geht von jedem Körper aus, dessen Temperatur über den absoluten Nullpunkt liegt. Der IR-Sensor erfasst die abgestrahlte Energie und lenkt diese auf einen oder mehrere Detektoren. Im Detektor wird die Energie der IR-Strahlung in elektrische Signale umgewandelt, die dann auf Grundlage der Kalibrierung des Sensors und des eingestellten Emissionsgrades in Temperaturwerte umgerechnet werden. Basierend auf dieser Auswertung kann die gemessene Temperatur auf einem Display angezeigt, als analoges Signal ausgegeben oder über einen digitalen Ausgang auf einem Computer dargestellt werden. Jeder Körper gibt Infrarote Strahlung auf drei verschiedene Weisen ab. Er kann Strahlung emittieren, sie von der Umgebung reflektieren oder durch ihn hindurch transmittieren. Wie die einzelnen Faktoren zusammenspielen ist vom Material des Messobjekts abhängig. Entscheidend für Messungen ist jedoch nur die emittierte Strahlung. In welchem Verhältnis die einzelnen Strahlungen zueinander stehen wird durch den Emissionsgrad beschrieben. Unterstellt man bei festen Körpern, dass sie vernachlässigbar wenig Strahlung durchlassen, so kann die Transmission mit 0 ersetzt werden. Der Emissionsgrad setzt sich also nur noch aus Emission und Reflexion zusammen. Damit ist nun leicht erkennbar, dass Objekte wie polierte und glänzende Metalle nur eine geringe Emission besitzen können, da an ihnen Strahlung aus der Umgebung stark reflektiert. Im Gegensatz dazu reflektieren Objekte, wie Kleidung oder matte Oberflächen sehr wenig und sind deshalb gut für berührungslose Temperaturmessung geeignet. Welche Intensität die Strahlung des gemessene Körpers aufweist ist demnach von dessen Temperatur und Emissionsgrad abhängig. Bei üblichen Temperatursensoren ist der Emissionsgrad zwischen 0,1 und 1,0 einstellbar, so dass die Temperatur an unterschiedlichen Objekten gemessen werden kann.

Aufbau von IR Sensoren
IR-Sensoren unterscheiden sich im grundlegenden Aufbau kaum. Bedeutender Bestandteil für Auflösung und Messfleckgrösse bei bestimmten Abstand ist die IR-Linse, welche die Strahlen auf den IR Detektor bündelt. Sie legt auch fest, in welchem Verhältnis die Messfleckgrösse zum Abstand zum Sensor steht. Das Detektorelement ist das Herzstück des Sensors. Dafür existieren drei physikalisch unterschiedliche Elemente. Für die Wandlung der Strahlung in elektrische Energie ist entweder ein Bolometer, ein Thermopile oder ein Quantendetektor verantwortlich. Anschliessend folgt ein Verstärkermodul und ein AD-Wandler. Je nach Sensor folgt dann weitere Elektronik, um das Signal zu bearbeiten oder zu stabilisieren. Ein Bolometer ist ein IR sensibles Element, dass über eine Widerstandsänderung des Elements die Strahlungswärme feststellt. Thermopiles oder auch Thermoelemente basieren auf den Seebeck-Effekt. Dabei werden zwei oder mehr unterschiedliche Metalle an einer Stelle miteinander verbunden. Trifft im Sensor IR-Strahlung auf den Verbindungspunkt, erwärmen sich die Metalle unterschiedlich stark und elektrische Spannung tritt auf. Quantendetektoren agieren mit den auftreffenden Photonen. Daraus entstehen Elektronenpaare und damit ein Stromsignal. Ein wichtiger Punkt, den es bei Messungen unbedingt zu beachten gilt ist die Messobjektgrösse. Um eine einwandfreie Messung zu ermöglichen muss das Messobjekt mindestens so gross sein wie der Messfleck. Ist dies nicht der Fall, nimmt der Sensor auch Infrarot-Strahlung aus dem Hintergrund auf und die Messung wäre Wertlos.

Applikationen und Anwendungen von Infrarottemperaturmessgeräten
Die Abbildungen verdeutlichen beispielhaft die Universalität des Einsatzes von Infrarottemperaturmessgeräten in der Metallverarbeitung, in der Glas- und Kunststoffindustrie und in den hochmodernen Verfahren der Laserbearbeitung. Ihre Benutzung dient der Erreichung eines hohen Qualitätsniveaus der Fertigungslinie.


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Datum: 30.01.2023 - 18:47 Uhr
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