Infrarot-Thermometer zur berührungslosen Temperaturmessung sind hochentwickelte Sensoren, die in der industriellen Verarbeitung und Forschung weit verbreitet sind. Dieser Artikel beschreibt in nicht-mathematischer Sprache die Theorie, auf der die Messtechnologie basiert, und wie diese eingesetzt wird, um die Vielzahl von Anwendungen zu bewältigen, mit denen der potenzielle Anwender konfrontiert ist.
Einleitung
Entwürfe für ein Infrarot-Thermometer (IRT) gibt es mindestens seit dem späten 19. Jahrhundert, und verschiedene Konzepte wurden von Charles A. Darling (1) in seinem 1911 veröffentlichten Buch „Pyrometry“ vorgestellt. Allerdings stand erst in den 1930er Jahren die Technologie zur Verfügung, um diese Konzepte in praktische Messinstrumente umzusetzen. Seitdem hat sich das Design erheblich weiterentwickelt und es wurde ein umfangreiches Fachwissen über Messungen und Anwendungen aufgebaut. Heute ist diese Technik allgemein anerkannt und wird in der Industrie und Forschung weit verbreitet eingesetzt.
Messprinzipien
Wie bereits erwähnt, wird IR-Energie von allen Materialien oberhalb von 0 °K abgegeben. Infrarotstrahlung ist Teil des elektromagnetischen Spektrums und nimmt Frequenzen zwischen sichtbarem Licht und Radiowellen ein. Der IR-Teil des Spektrums umfasst Wellenlängen von 0,7 Mikrometern bis 1000 Mikrometern (Mikron). Abbildung 1. Innerhalb dieses Wellenbereichs werden nur Frequenzen von 0,7 Mikrometern bis 20 Mikrometern für die praktische, alltägliche Temperaturmessung verwendet. Der Grund dafür ist, dass die derzeit in der Industrie verfügbaren IR-Detektoren nicht empfindlich genug sind, um die sehr geringen Energiemengen zu erfassen, die bei Wellenlängen über 20 Mikrometern verfügbar sind.
INFRAROTSPEKTRUM 0,7 BIS 1000 MIKROMETER (MIKRON) Elektromagnetisches Spektrum Obwohl IR-Strahlung für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, ist es hilfreich, sie sich als sichtbar vorzustellen, wenn man sich mit den Messprinzipien befasst und Anwendungen in Betracht zieht, da sie sich in vielerlei Hinsicht wie sichtbares Licht verhält. IR-Energie breitet sich in geraden Linien von der Quelle aus und kann von Materialien auf ihrem Weg reflektiert und absorbiert werden. Bei den meisten festen Objekten, die für das menschliche Auge undurchsichtig sind, wird ein Teil der auf die Oberfläche des Objekts treffenden IR-Energie absorbiert und ein Teil reflektiert. Von der vom Objekt absorbierten Energie wird ein Teil wieder abgestrahlt und ein Teil intern reflektiert. Dies gilt auch für Materialien, die für das Auge transparent sind, wie Glas, Gase und dünne, klare Kunststoffe, aber zusätzlich wird ein Teil der IR-Energie auch durch das Objekt hindurchgelassen. Dies ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Phänomene tragen gemeinsam zu dem bei, was als Emissivität des Objekts oder der Materialien bezeichnet wird.
STRAHLUNGSWÄRMEWECHSEL Materialien, die keine IR-Energie reflektieren oder übertragen, werden als Schwarzkörper bezeichnet und kommen in der Natur nicht vor. Für theoretische Berechnungen wird einem echten Schwarzkörper jedoch der Wert 1,0 zugewiesen. Die beste Annäherung an einen Schwarzkörper mit einer Emissivität von 1,0, die in der Realität erreicht werden kann, ist ein IR-undurchlässiger, kugelförmiger Hohlraum mit einem kleinen röhrenförmigen Eingang, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Innenfläche einer solchen Kugel hat eine Emissivität von 0,998.
EMISSIVITÄT Verschiedene Materialien und Gase haben unterschiedliche Emissivitäten und strahlen daher bei einer bestimmten Temperatur IR mit unterschiedlicher Intensität ab. Die Emissivität von Materialien oder Gasen ist eine Funktion ihrer Molekülstruktur und Oberflächeneigenschaften. Sie ist im Allgemeinen keine Funktion der Farbe, es sei denn, die Quelle der Farbe ist eine Substanz, die sich grundlegend vom Hauptteil der Materialien unterscheidet. Ein praktisches Beispiel hierfür sind Metallic-Lacke, die erhebliche Mengen an Aluminium enthalten. Die meisten Lacke haben unabhängig von ihrer Farbe die gleiche Emissivität, aber Aluminium hat eine ganz andere Emissivität, die daher die Emissivität von Metallic-Lacken verändert.
Genau wie bei sichtbarem Licht gilt: Je stärker eine Oberfläche poliert ist, desto mehr IR-Energie reflektiert sie. Die Oberflächeneigenschaften eines Materials beeinflussen daher auch dessen Emissionsgrad. Bei der Temperaturmessung ist dies besonders wichtig bei infrarotundurchlässigen Materialien, die von Natur aus einen niedrigen Emissionsgrad haben. So hat ein hochglanzpoliertes Stück Edelstahl einen viel geringeren Emissionsgrad als dasselbe Stück mit einer rauen, bearbeiteten Oberfläche. Das liegt daran, dass die durch die Bearbeitung entstandenen Rillen verhindern, dass ein Großteil der IR-Energie reflektiert wird. Neben der Molekülstruktur und dem Zustand der Oberfläche gibt es einen dritten Faktor, der den scheinbaren Emissionsgrad von Materialien oder Gasen beeinflusst: die Wellenlängensensitivität des Sensors, auch bekannt als spektrale Empfindlichkeit des Sensors. Wie bereits erwähnt, werden für die praktische Temperaturmessung nur IR-Wellenlängen zwischen 0,7 Mikrometern und 20 Mikrometern verwendet. Innerhalb dieses Gesamtbandes können einzelne Sensoren aus Gründen, die später erläutert werden, nur in einem schmalen Teil des Bandes arbeiten, beispielsweise von 0,78 bis 1,06 oder von 4,8 bis 5,2 Mikrometern.
Theoretische Grundlagen der IR-Temperaturmessung
Die Formeln, auf denen die Infrarot-Temperaturmessung basiert, sind alt, etabliert und bewährt. Es ist unwahrscheinlich, dass die meisten IRT-Anwender diese Formeln verwenden müssen, aber ihre Kenntnis vermittelt ein Verständnis für die gegenseitige Abhängigkeit bestimmter Variablen und dient der Verdeutlichung des vorangegangenen Textes. Die wichtigsten Formeln lauten wie folgt:
- Kirchhoffsches Gesetz Wenn sich ein Objekt im thermischen Gleichgewicht befindet, entspricht die Absorptionsmenge der Emissionsmenge.
- Stephan-Boltzmann-Gesetz Je heißer ein Objekt wird, desto mehr Infrarotenergie strahlt es ab.
- Wien'sches Verschiebungsgesetz: Die Wellenlänge, bei der die maximale Energiemenge emittiert wird, wird mit steigender Temperatur kürzer.
- Plancksche Gleichung: Beschreibt die Beziehung zwischen spektraler Emissivität, Temperatur und Strahlungsenergie.
Aufbau und Konstruktion von Infrarot-Thermometern
Ein einfaches Infrarot-Thermometer (IRT) besteht aus einer Linse, die die vom Zielobjekt abgegebene Energie sammelt, einem Detektor, der die Energie in ein elektrisches Signal umwandelt, einer Emissionsgradanpassung, um die IRT-Kalibrierung an die Emissionseigenschaften des zu messenden Objekts anzupassen, und einer Umgebungstemperatur-Kompensationsschaltung, um sicherzustellen, dass Temperaturschwankungen innerhalb des IRT aufgrund von Umgebungsänderungen nicht auf das Endergebnis übertragen werden. Viele Jahre lang folgten die meisten im Handel erhältlichen IRTs diesem Konzept. Sie waren in ihren Anwendungen äußerst eingeschränkt und lieferten rückblickend betrachtet in den meisten Fällen keine zufriedenstellenden Messergebnisse, obwohl sie sehr langlebig waren und den damaligen Standards entsprachen. Ein solches Konzept ist in Abbildung 4 dargestellt.
Infrarot-Temperaturmessung Das moderne IRT basiert auf diesem Konzept, ist jedoch technologisch ausgefeilter, um den Bereich der Anwendungen zu erweitern. Die wichtigsten Unterschiede liegen in der Verwendung einer größeren Vielfalt an Detektoren, der selektiven Filterung des IR-Signals, der Linearität und Verstärkung des Detektorausgangs sowie der Bereitstellung von Standard-Ausgängen wie 4-20 mA, 0-10 Vdc usw. Abbildung 5 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen modernen IRT. Der wohl wichtigste Fortschritt in der Infrarot-Thermometrie war die Einführung der selektiven Filterung des eingehenden IR-Signals, die durch die Verfügbarkeit empfindlicherer Detektoren und stabilerer Signalverstärker ermöglicht wurde. Während die frühen IRT ein breites Spektralband von IR benötigten, um eine brauchbare Detektorausgabe zu erhalten, haben moderne IRT routinemäßig Spektralempfindlichkeiten von nur 1 Mikrometer. Die Notwendigkeit ausgewählter und schmaler Spektralempfindlichkeiten ergibt sich daraus, dass es oft erforderlich ist, entweder durch eine Form von atmosphärischen oder anderen Störungen im Sichtfeld hindurchzusehen oder tatsächlich eine Messung eines Gases oder einer anderen Substanz zu erhalten, die für ein breites Band von IR-Energie transparent ist.
MODERNES INFRAROT-THERMOMETER Einige gängige Beispiele für selektive Spektralempfindlichkeiten sind 8–14 Mikrometer, wodurch Störungen durch Luftfeuchtigkeit bei Messungen über lange Strecken vermieden werden, 7,9 Mikrometer, die für die Messung einiger dünner Kunststofffolien verwendet werden, und 3,86 Mikrometer, wodurch Störungen durch CO2- und H2O-Dampf in Flammen und Verbrennungsgasen vermieden werden. Die Wahl zwischen einer kürzeren oder längeren spektralen Empfindlichkeit wird auch durch den Messbereich bestimmt, da sich, wie die Plancksche Gleichung zeigt, die Spitzenenergie mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen verschiebt. Die Grafik in Abbildung 6 veranschaulicht dieses Phänomen. Anwendungen, die aus den oben genannten Gründen keine selektive Filterung erfordern, können oft von einer schmalen Spektralempfindlichkeit profitieren, die so nah wie möglich an 0,7 Mikrometern liegt. Dies liegt daran, dass die effektive Emissivität einer Materialart bei kürzeren Wellenlängen am höchsten ist und die Genauigkeit von Sensoren mit schmaler Spektralempfindlichkeit weniger von Änderungen der Emissivität der Zieloberfläche beeinflusst wird.
Aus den vorstehenden Informationen geht hervor, dass die Emissivität ein sehr wichtiger Faktor bei der Infrarot-Temperaturmessung ist. Wenn die Emissivität der zu messenden Materialien nicht bekannt ist und nicht in die Messung einbezogen wird, ist es unwahrscheinlich, dass genaue Daten erhalten werden. Es gibt zwei Methoden, um den Emissionsgrad einer Materialart zu ermitteln:
a) anhand veröffentlichter Tabellen und b) durch Vergleich der IRT-Messung mit einer gleichzeitigen Messung, die mit einem Thermoelement oder Widerstandsthermometer durchgeführt wurde, und Anpassung der Emissionsgrad-Einstellung, bis das IRT denselben Wert anzeigt. Glücklicherweise sind die von den IRT-Herstellern und einigen Forschungsorganisationen veröffentlichten Daten sehr umfangreich, sodass Experimente nur selten erforderlich sind. Als Faustregel gilt, dass die meisten undurchsichtigen, nichtmetallischen Materialien einen hohen und stabilen Emissionsgrad im Messbereich von 0,85 bis 9,0 aufweisen, während die meisten nicht oxidierten, metallischen Materialien einen niedrigen bis mittleren Emissionsgrad von 0,2 bis 0,5 haben, mit Ausnahme von Gold, Silber und Aluminium, die Emissionsgrade in der Größenordnung von 0,02 bis 0,04 aufweisen und daher mit einem IRT nur sehr schwer zu messen sind. Während es fast immer möglich ist, den Emissionsgrad des zu messenden Grundmaterials zu bestimmen, ergeben sich Komplikationen bei Materialien, deren Emissionsgrad sich mit der Temperatur ändert, wie dies bei den meisten Metallen und anderen Materialien wie Silizium und hochreinen Einkristallkeramiken der Fall ist. Einige Anwendungen, bei denen dieses Phänomen auftritt, können mit der Zweifarben-Verhältnis-Methode gelöst werden.
Zweifarben-Verhältnis-Thermometrie
Angesichts der Tatsache, dass die Emissivität eine so wichtige Rolle bei der Ermittlung genauer Temperaturdaten mit Infrarot-Thermometern spielt, ist es nicht verwunderlich, dass Versuche unternommen wurden, Sensoren zu entwickeln, die unabhängig von dieser Variablen messen. Das bekannteste und am häufigsten verwendete dieser Designs ist das Zweifarben-Verhältnis-Thermometer. Diese Technik unterscheidet sich nicht wesentlich von den bisher beschriebenen Infrarot-Thermometern, misst jedoch das Verhältnis der von den Materialien emittierten Infrarotenergie bei zwei Wellenlängen anstelle der absoluten Energie bei einer Wellenlänge oder einem Wellenband. Die Verwendung des Wortes „Farbe” in diesem Zusammenhang ist etwas veraltet, wurde jedoch noch nicht ersetzt. Es stammt aus der alten Praxis, die sichtbare Farbe mit der Temperatur in Verbindung zu bringen, daher „Farbtemperatur”.
Die Grundlage für die Wirksamkeit der Zweifarben-Thermometrie besteht darin, dass alle Änderungen entweder der Emissionseigenschaften der zu messenden Materialoberfläche oder des Sichtwegs zwischen dem Sensor und dem Material von den beiden Detektoren identisch „gesehen” werden und sich daher das Verhältnis und damit die Sensorausgabe nicht ändern. Abbildung 7 zeigt eine schematische Darstellung eines vereinfachten Zweifarben-Thermometers.
ZWEIFARBIGE THERMOMETRIE (Verhältnis-Thermometrie) Da die Verhältnismethode unter bestimmten Umständen Ungenauigkeiten aufgrund von sich ändernder oder unbekannter Emissivität, Verschleierung im Sichtfeld und der Messung von Objekten, die das Sichtfeld nicht ausfüllen, vermeidet, ist sie sehr nützlich für die Lösung einiger schwieriger Anwendungen. Dazu gehören die schnelle Induktionserwärmung von Metallen, die Temperatur in der Brennzone von Zementöfen und Messungen durch Fenster, die zunehmend verschleiert werden, wie beispielsweise beim Vakuumschmelzen von Metallen. Es ist jedoch zu beachten, dass diese dynamischen Veränderungen vom Sensor bei den beiden für das Verhältnis verwendeten Wellenlängen identisch „gesehen” werden müssen, was nicht immer der Fall ist. Die Emissivität aller Materialien ändert sich bei zwei verschiedenen Wellenlängen nicht gleichmäßig. Die Materialien, bei denen dies der Fall ist, werden als „Graukörper” bezeichnet. Diejenigen, bei denen dies nicht der Fall ist, werden als „Nicht-Graukörper” bezeichnet. Auch nicht alle Formen der Sichtbahnverschleierung dämpfen die Verhältniswellenlängen gleichermaßen. Das Vorherrschen von Partikeln in der Sichtbahn, die die gleiche Mikrometergröße wie eine der verwendeten Wellenlängen haben, führt offensichtlich zu einem Ungleichgewicht des Verhältnisses. Phänomene, die nicht dynamischer Natur sind, wie z. B. „Nicht-Graukörper”-Materialien, können durch eine Verzerrung des Verhältnisses behandelt werden, eine Anpassung, die als „Steigung” bezeichnet wird. Die geeignete Steigungseinstellung muss jedoch in der Regel experimentell ermittelt werden. Trotz dieser Einschränkungen funktioniert die Verhältnis-Methode in einer Reihe von etablierten Anwendungen gut und ist in anderen Fällen die beste, wenn nicht sogar die bevorzugte Lösung.
Zusammenfassung
Die Infrarot-Thermometrie ist eine ausgereifte, aber dynamische Technologie, die in vielen Branchen und Institutionen Anerkennung gefunden hat. Sie ist für viele Temperaturmessanwendungen unverzichtbar und für einige andere die bevorzugte Methode. Wenn der Anwender die Technologie ausreichend versteht und alle relevanten Anwendungsparameter richtig berücksichtigt werden, führt dies in der Regel zu einer erfolgreichen Anwendung, vorausgesetzt, die Geräte werden sorgfältig installiert. Eine sorgfältige Installation bedeutet, dass der Sensor innerhalb seiner spezifizierten Umgebungsgrenzen betrieben wird und dass geeignete Maßnahmen getroffen werden, um die Optik sauber und frei von Hindernissen zu halten. Ein Faktor bei der Auswahl eines Herstellers sollte die Verfügbarkeit von Schutz- und Installationszubehör sein, sowie das Ausmaß, in dem dieses Zubehör eine schnelle Entfernung und den Austausch des Sensors für Aufgaben der Wartung ermöglicht. Wenn diese Richtlinien befolgt werden, arbeitet das moderne Infrarot-Thermometer in vielen Fällen zuverlässiger als Thermoelemente oder Widerstandsthermometer.
Referenzen
Darling, Charles R.; „Pyrometry. A Practical Treatise on the Measurement of High Temperatures.” Veröffentlicht von E.&F.N. Spon Ltd. London. 1911.
Autor und Referent: John Merchant, Vertriebsleiter, Mikron Instrument Company Inc.
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