Grundlagen der Infrarot-Messtechnik
Warum Infrarotmessungen?
Infrarotmessgeräte bieten große Vorteile bei Messaufgaben, die mit konventionellen Kontaktthermometern nicht gelöst werden können. Dies sind vor allem Messungen:
- von sehr hohen Temperaturen, die keinen Einsatz von Thermoelementen erlauben
- an Oberflächen mit geringer Wärmeleitung und Körpern mit geringer Wärmekapazität
- an sich bewegenden, unzugänglichen oder spannungsführenden Teilen
mit hoher Ansprechgeschwindigkeit (<1s) - an Objekten, die nicht durch Kontaktmessungen beeinflusst werden dürfen
Was ist Infrarot-Strahlung?
Alle Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt senden entsprechend ihrer Temperatur infrarote Strahlung aus, deren Spektrum sich von 0,7 bis 1000 µm Wellenlänge erstreckt. Dieser Bereich liegt unterhalb des langwelligen roten Bereiches und ist für das menschliche Auge unsichtbar. Der für die Messtechnik interessante Bereich liegt zwischen 0,7 und 20 µm.
Die vom Messobjekt ausgesandte Infrarotstrahlung gehorcht den bekannten optischen Gesetzmäßigkeiten, und lässt sich deshalb umlenken, mittels Linsen bündeln oder kann von spiegelnden Flächen reflektiert werden.
Der Emissionsgrad eines Messobjektes gibt an, wieviel infrarote Energie absorbiert oder abgestrahlt wird. Der Wert kann zwischen 0 und 1,0 liegen. Messtechnisch relevant ist die Tatsache, dass der Emissionsgrad von der Wellenlänge abhängig ist. Mit zunehmender Objekttemperatur verschiebt sich zudem das Strahlungsmaximum in den kurzwelligen Bereich. IR-Thermometer sind deshalb mit Filtern ausgerüstet, die nur eine bestimmte Wellenlänge für die Messung durchlassen. Für die Anwendung ist der Spektralbereich für verschiedene Materialien zu berücksichtigen.
So funktionieren Infrarot-Thermometer
Das optische System eines Infrarot-Thermometers fängt die von einem kreisförmigen Messfleck abgestrahlte Energie auf und fokussiert sie auf einen Detektor. Für die Linsen wird ein Material mit hohem Transmissionsgrad verwendet. Die vom Detektor aufgenommene Energie wird elektronisch verstärkt und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die optische Auflösung ergibt sich aus dem Verhältnis der Messentfernung zur Größe des Messflecks.
Dieser muss immer kleiner sein, als das Messobjekt oder die interessierende Messstelle. Je höher die optische Auflösung, desto kleinere Messflecke können in größeren Entfernungen gemessen werden.
Was ist Wechsellichtverfahren?
Das Wechsellichtverfahren eliminiert das thermische Driften und macht die Geräte gegen thermischen Schock unempfindlich. Die daraus resultierende Stabilität, kombiniert mit rauschoptimierter Signalverarbeitung, führt zu einer exzellenten Temperaturauflösung und ermöglicht die Messung kleinster Messobjekte und schnelle Einstellzeiten.
Spezielle Infrarotpyrometer
Quotientenpyrometer ermitteln die Temperatur aus dem Verhältnis der in jeweils zwei Wellenlängenbereichen ausgestrahlten Energiemenge. Dieses Verfahren ermöglicht exakte Messergebnisse selbst bei einer eingeschränkten Sicht auf das Messobjekt durch Rauch, Dampf oder Staub, verschmutzten Fenstern oder Linsen (bis zu 95 % reduziertes Messsignal). Auch Messobjekte kleiner als der Messfleck (z.B. Messung an Drähten) oder niedrige oder sich ändernde Emissionsgrade an sich schnell bewegenden Objekten beeinflussen das Messergebnis nicht.
Linescanner messen die Objekttemperatur entlang einer Linie. Fest installierte Linescanner erstellen farbige Wärmediagramme eines unter dem Messkopf durchlaufenden Produktes (z.B. Bandanlagen, Drehöfen), können aber auch selbst über das Produkt bewegt werden (z.B. Wärmebild einer Hauswand). Der Infarot-Scanner-Messkopf AMiR 7880 tastet bis zu 256 Punkte über einen Winkel von 90° ab. Innerhalb einer Sekunde werden 20 Zeilen erfasst. Eine Messstrecke kann in 3 Sektoren nebeneinander oder überlappend eingeteilt werden.
Was Sie bei Infrarotmessungen beachten sollten
Was tun bei Staub, Rauch und Schwebestoffen am Messort?
Ist die Atmosphäre am Messort durch Staub, Rauch und Schwebestoffe verunreinigt, kann die auf den Sensor auftreffende Strahlungsenergie durch verschmutzte Linsen beeinflusst werden. Dies wird durch den Einsatz eines Luftblasvorsatzes verhindert, der die Linse sauber hält.
Was tun bei hohen Umgebungstemperaturen?
Sollte die Umgebungstemperatur die für den IR-Sensor spezifizierte Messkopftemperatur überschreiten, muss der Messkopf durch die Anbringung einer Luft- oder Wasserkühlung in Verbindung mit einem Luftblasvorsatz (Vermeidung von Kondenswasser-Niederschlag auf der Linse) geschützt werden. Zusätzlich müssen hochtemperaturbeständige Kabel und Kabelführungen verwendet werden.
Was tun bei Wärmequellen in unmittelbarer Nähe des Messobjektes?
Befinden sich Wärmequellen in unmittelbarer Nähe des Messobjektes können diese zusätzliche Energie transmittieren oder reflektieren. Solche Umgebungstrahlungen treten z.B. bei Messungen in Industrieöfen auf, deren Wandtemperatur oft über der des Messobjektes liegt. Bei vielen Infrarotmessgeräten läßt sich die Umgebungstemperatur kompensieren.
Was tun bei Messungen im Vakuum?
Bei Vakuumöfen und ähnlichen Anwendungen ist es notwendig den Messkopf außerhalb des Vakuumbereiches zu installieren und die Messung durch ein Fenster vorzunehmen. Bei der Auswahl eines Messfensters müssen die Transmissionswerte des Fensters auf die spektrale Empfindlichkeit des Sensors abgestimmt sein. Bei hohen Temperaturen kommen zumeist Quarzglas oder Quarz zum Einsatz. Bei niedrigen Temperaturen im 8 bis 14 µm -Band ist die Verwendung eines speziellen IR-durchlässigen Materials wie Germanium, Amtir, Zinkselenid oder Saphir notwendig. Bei der Auswahl des Fensters müssen ebenso Temperaturanforderungen, Fenster-Dicke und Druckdifferenz sowie die Möglichkeit des beiderseitigen Sauberhaltens des Fensters berücksichtigt werden. Zur Erhöhung des Transmissionsvermögens könnte eine zusätzliche reflexmindernde Beschichtung des Fensters angeraten sein. Zu berücksichtigen ist zudem, dass nicht alle Fenstermaterialien im sichtbaren Bereich durchlässig sind.
Warum ist der Emissiongrad so wichtig?
Bei idealen Strahlern ist die reflektierte und transmittierte Energie gleich Null, die emittierte Energie entspricht 100 % der Eigentemperatur. Viele Körper emittieren aber weniger Strahlung bei gleicher Temperatur (“graue Strahler”). Das Verhältnis aus realem Abstrahlwert und dem des idealen Strahlers wird Emissionsgrad ε genannt. So hat beispielsweise ein Spiegel einen Emissionsgrad von 0,1, sogenannte „schwarze Strahler“ einen Emissionsgrad von 1,0. Viele Nichtmetalle wie Holz, Gummi, Stein, organische Materialien haben nur gering reflektierende Oberflächen und damit hohe Emissionsgrade zwischen 0,8 und 0,95. Metalle dagegen, insbesondere mit glänzenden Oberflächen können bei etwa ε = 0,1 liegen. IR-Thermometer verfügen deshalb über eine Einstellung für den Emissionsgrad. Dieser sollte möglichst genau bekannt sein. Wenn ein zu hoher Emissionsgrad eingestellt wurde, wird eine niedrigere als die tatsächliche Temperatur angezeigt, vorausgesetzt die Temperatur des Messobjektes ist höher als die Umgebungstemperatur. Wenn Sie zum Beispiel 0,95 eingestellt haben, der Emissionsgrad jedoch nur 0,9 beträgt, wird eine niedrigere als die tatsächliche Temperatur angezeigt.
Wie kann der Emissionsgrad bestimmt werden?
Zur Bestimmung des Emissionsgrades gibt es verschiedene Methoden. Als erster Anhaltspunkt kann die nachfolgende Emissionsgradtabelle herangezogen werden. Die Tabellenwerte sind lediglich Durchschnittswerte, da der Emissionsgrad eines Materials von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Dazu gehören: Temperatur, Messwinkel, Geometrie der Oberfläche (eben, konkav, konvex), Dicke, Oberflächenbeschaffenheit (poliert, rauh, oxidiert, sandgestrahlt), Spektralbereich der Messung und Transmissionsvermögen (z.B. bei dünnen Plastikfolien).
Anwendungsbeispiele für Infrarot-Thermometer
| Temperaturbereich | Spektrale Empfindlichkeit | Anwendungsbeispiele |
|---|---|---|
| ca. 0 … 800°C | 8 bis 14 µm | Alle Nichtmetalle Holz, Papier, Textilien, Fußbodenbeläge, Asphalt |
| 3 bis 5 µm | Estrich, Lebensmittel, Pharmazeutika sowie Einsatz beim Drucken | |
| 7 bis 15 µm | Beschichten, Laminieren, Trocknen/Härten, bei Schwall- und Reflowlöten, | |
| 7 bis 18 µm | in der Haustechnik, zur Brandüberwachung, bei Deponien usw. | |
| ca. 10 … 360°C | nominal 7,9 µm | Herstellung und Verarbeitung von Polyesterfolien, Fluorplasten, Fluorpolymer, Acryl, Nylon(Polyamid), Azetylzellulose, Polyamiden, Polyurethanen, PVC, Polykarbonaten |
| ca. 260 … 1650°C | nominal 5,0/5,2 µm | Oberflächenmessung an Glas zum Tempern, Aushärten, Umformen, Versiegeln, Kaschieren, Biegen |
| ca. 200 … 1200°C | 3,9 µm | Metallverarbeitung, Brenn-, Schmelz-, Hoch- und Drehöfen, Messungen an dicken Gläsern. Geringer Einfluss bei Messungen durch CO 2 - Atmosphäre (Verbrennungsgase) |
| ca. 30 … 340°C | nominal 3,43 µm | Herstellung und Verarbeitung von Polyethylen-, Polypropylen-, Polystyrol- und anderer Folien |
| ca. 400 … 3000°C | 2 bis 2,7 µm | Eisen- und Nichteisenmetall-Verarbeitung, Induktionsheizer, Glasherstellung, Schmelzöfen, Laborforschung |
| ca. 200 … 1800°C | 1,6 µm | Wärmebehandlung von Stahl, Biegen, Härten, Tempern |
| ca. 500 … 3000°C | 1 µm | Stahlerzeugung, Metallschmelzen, für höchste Genauigkeit bei Metallveredelungs-, Guss- und Verarbeitungsprozessen sowie bei der Verarbeitung von Glas, Keramik, Halbleitern, Chemikalien. |
Kleines Glossar wichtiger Fachbegriffe
Atmosphärische Fenster: Die Wellenlängenbereiche im Infrarotspektrum, in denen die atmosphäre Strahlungsenergie transmittiert und die atmosphärische Absorption minimal ist; ungefähr 3 … 5 µm und 8 … 14 µm.
Brennpunkt, Brennweite: Messentfernung, bei der die optische Auflösung am größten ist.
Fernfeld: gemessene Entfernung, die wesentlich größer als die Brennweite eines Gerätes ist; meistens größer als die zehnfache Brennweite
Gesichtsfeld: die Fläche auf dem Messobjekt, die vom Infrarotthermometer gemessen wird; dabei wird der Messfleckdurchmesser ins Verhältnis zur Entfernung vom Messobjekt gesetzt; oft auch als Winkelgröße am Brennpunkt angegeben; siehe optische Auflösung
grauer Strahler: Strahlung aussendender Körper, dessen Emissionsgrad auf allen Wellenlängen in konstantem Verhältnis zu dem eines schwarzen Strahlers bei gleicher Temperatur liegt und der für Infrarotenergie undurchlässig ist.
Hintergrundtemperatur: aus der Sicht des Messgerätes, die das Objekt umgebende bzw. hinter ihm vorherrschende Temperatur
Messfleck: Durchmesser der Fläche auf dem Messobjekt, für die eine Temperaturbestimmung vorgenommen wird; der Messfleck wird durch die Kreisfläche definiert, die es typischerweise gestattet, 90% der vom Messobjekt auf die optische Eintrittsöffnung des Messgerätes abgestrahlten Infrarotenergie zu sammeln.
Optische Auflösung: Auch Distanzverhältnis genannt: Das Verhältnis von Messentfernung und Messfleckgrösse (Distanzverhältnis E:M) eines IR-Messflecks, wobei die Messentfernung normalerweise als Entfernung vom Scharfpunkt und die Messfleckgröße als Durchmesser des am Scharfpunkt gemessenen IR-Messfleckes definiert wird (typischerweise der 90%-Energie Messfleckdurchmesser); die optische Auflösung kann auch für das Fernfeld definiert werden, indem man die Werte für die Messentfernung und Messfleckgröße im Fernfeld verwendet.
Reflexionsgrad: Verhältnis der von einer Oberfläche reflektierten Strahlungsenergie zu der auf der Oberfläche einfallenden Strahlungsenergie; bei einem perfekten Spiegel ist dieser Wert nahe 1; bei einem schwarzen Strahler ist die Reflexion gleich 0
schwarzer Strahler: engl. Black body, idealer Strahler; Körper, der die gesamte auftreffende Strahlungsenergie aller Wellenlängen aufnimmt und weder reflektiert noch transmittiert; die Oberfläche eines schwarzen Strahlers besitzt einen einheitlichen Emissionsgrad von 1
spektrale Empfindlichkeit: Wellenlängenbereich, in dem ein Infrarotthermometer empfindlich ist.
