WIE KLASSIFIZIERT MAN BERÜHRUNGSLOSE THERMOMETER?
- Breitband-Strahlungsthermometer/Pyrometer
- Schmalband-Strahlungsthermometer/Pyrometer
- Verhältnis-Strahlungsthermometer/Pyrometer
- Optische Pyrometer
- Glasfaser-Strahlungsthermometer/Pyrometer
Diese Klassifizierungen sind nicht starr. Beispielsweise können optische Pyrometer als Untergruppe der Schmalbandgeräte betrachtet werden. Glasfaser-Strahlungsthermometer, die in einem anderen Abschnitt ausführlich behandelt werden, können als Breitband-, Schmalband- oder Verhältnisgeräte klassifiziert werden. Ebenso können Infrarot-Strahlungsthermometer als Untergruppen mehrerer dieser Klassen betrachtet werden. Historisch gesehen bestand ein berührungsloses Strahlungsthermometer aus einem optischen System zum Sammeln der vom Zielobjekt abgegebenen Energie, einem Detektor zur Umwandlung dieser Energie in ein elektrisches Signal, einer Emissionsgradanpassung zur Abstimmung der Kalibrierung des Thermometers auf die spezifischen Emissionseigenschaften des Zielobjekts und einer Umgebungstemperaturkompensationsschaltung, um sicherzustellen, dass Temperaturschwankungen im Inneren des Thermometers aufgrund von Umgebungsbedingungen die Genauigkeit nicht beeinträchtigten.
Das moderne Infrarot-Thermometer basiert nach wie vor auf diesem Konzept. Die Technologie ist jedoch mittlerweile so weit fortgeschritten, dass sich der Anwendungsbereich erweitert hat. So ist beispielsweise die Anzahl der verfügbaren IR-Detektoren stark gestiegen, und dank selektiver Filterfunktionen lassen sich diese Detektoren effizienter an bestimmte Anwendungen anpassen, wodurch die Messleistung verbessert wird.
Die berührungslose Temperaturmessung ist die bevorzugte Technik für kleine, sich bewegende oder unzugängliche Objekte, dynamische Prozesse, die eine schnelle Reaktion erfordern, und Temperaturen von 1000 °C (1832 °F). Um das beste berührungslose Temperaturmessgerät für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, ist es wichtig, die Grundlagen der Messtechnologie, die Temperaturmessparameter und die Funktionen der verschiedenen derzeit verfügbaren Messsysteme zu verstehen.
Breitband-Strahlung-Sensoren Breitband-berührungslose Thermometer sind in der Regel die einfachsten Geräte, am kostengünstigsten und können eine Empfindlichkeit von 0,3 Mikrometern Wellenlänge bis zu einer Obergrenze von 2,5 bis 20 Mikrometern haben. Die unteren und oberen Grenzwerte des Breitbandthermometers hängen vom verwendeten optischen System ab. Sie werden als breitbandig bezeichnet, weil sie einen erheblichen Teil der von dem Objekt abgegebenen Wärmestrahlung im normalen Temperaturbereich messen.
Breitband-Infrarot-Thermometer sind von der Gesamtemissivität der zu messenden Oberfläche abhängig. Abbildung 3-2 zeigt den Messfehler für verschiedene Emissivitäten und Temperaturen, wenn ein Breitbandgerät für einen schwarzen Körper kalibriert ist. Mit einer Emissionsgradsteuerung kann der Benutzer diese Fehler kompensieren, solange sich die Emissivität nicht ändert.
Der Weg zum Zielobjekt muss frei von Hindernissen sein. Wasserdampf, Staub, Rauch, Dampf und strahlungsabsorbierende Gase in der Atmosphäre können die vom Zielobjekt abgegebene Strahlung abschwächen und zu niedrigen Messwerten des Thermometers führen. 
Bildunterschrift Titel Das optische System muss sauber gehalten und das Sichtfenster vor korrosiven Stoffen in der Umgebung geschützt werden.
Die Messbereiche umfassen 32 bis 1832 °F (0 bis 1000 °C) und 932 bis 1652 °F (500 bis 900 °C). Die typische Genauigkeit liegt bei 0,5 bis 1 % des Skalenendwerts.
Schmalbandstrahlung Wie der Name schon sagt, arbeiten IR-Thermometer mit Schmalbandstrahlung in einem engen Messbereich. Schmalbandgeräte können auch als Einfarben-Pyrometer bezeichnet werden. Der verwendete Detektor bestimmt die spektrale Empfindlichkeit des jeweiligen Geräts. Beispielsweise hat ein berührungsloses Thermometer mit einem Siliziumzellendetektor eine Empfindlichkeit, die bei etwa 0,9 Mikrometern ihren Höchstwert erreicht, wobei die Obergrenze der Verwendbarkeit bei etwa 1,1 Mikrometern liegt. Ein solches Gerät eignet sich zur Messung von Temperaturen über 600 °C (1102 °F). Schmalband-Thermometer haben in der Regel eine spektrale Empfindlichkeit von weniger als 1 Mikrometer.
Schmalband-Berührungslos-Thermometer verwenden Filter, um die Empfindlichkeit auf eine ausgewählte Wellenlänge zu beschränken. Der wohl wichtigste Fortschritt in der Strahlungsthermometrie war die Einleitung der selektiven Filterung der einfallenden Strahlung, wodurch ein Gerät an eine bestimmte Anwendung angepasst werden kann, um eine höhere Genauigkeit der Messungen zu erzielen. Möglich wurde dies durch die Verfügbarkeit empfindlicherer Detektoren und Fortschritte bei Signalverstärkern.
Gängige Beispiele für selektive spektrale Empfindlichkeiten sind 8 bis 14 Mikrometer, wodurch Störungen durch Luftfeuchtigkeit über lange Wege vermieden werden, 7,9 Mikrometer, die für die Messung einiger dünner Kunststofffolien verwendet werden, 5 Mikrometer, die für die Messung von Glasoberflächen verwendet werden, und 3,86 Mikrometer, wodurch Störungen durch Kohlendioxid und Wasserdampf in Flammen und Verbrennungsgasen vermieden werden.
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Die Standard-Messbereiche variieren von Hersteller zu Hersteller, aber einige Beispiele sind: -36 bis 1112 °F (-37,78 bis 600 °C), 32 bis 1832 °F (0 bis 1000 °C), 1112 bis 5432 °F (600 bis 3000 °C) und 932 bis 3632 °F (500 bis 2000 °C). Die typische Genauigkeit beträgt 0,25 % bis 2 % des Skalenendwerts.
Verhältnisstrahlungs-IR-Geräte Diese Geräte, die auch als zweifarbige Infrarot-Berührungslos-Thermometer bezeichnet werden, messen die Strahlungsenergie eines Objekts zwischen zwei schmalen Wellenlängenbändern und berechnen das Verhältnis der beiden Energien, das eine Funktion der Temperatur des Objekts ist. Ursprünglich wurden sie als Zweifarben-Pyrometer bezeichnet, da die beiden Wellenlängen verschiedenen Farben im sichtbaren Spektrum entsprachen (z. B. Rot und Grün). Viele Menschen verwenden den Begriff Zweifarben-Pyrometer auch heute noch und erweitern ihn auf Wellenlängen im Infrarotbereich.
Die berührungslosen Thermometer sind nur vom Verhältnis der beiden gemessenen Energien abhängig und nicht von deren absoluten Werten, wie in Abbildung 3-4 dargestellt. Jeder Parameter, wie z. B. die Zielgröße, der die Energiemenge in jedem Band um einen gleichen Prozentsatz beeinflusst, hat keinen Einfluss auf die Temperaturanzeige. Dadurch ist ein Verhältnis-Thermometer von Natur aus genauer. (Allerdings geht ein Teil der Genauigkeit verloren, wenn Sie kleine Unterschiede in großen Signalen messen).
Die Verhältnis-Technik kann Fehler bei der Temperaturmessung, die durch Änderungen der Emissivität, der Oberflächenbeschaffenheit und energieabsorbierender Materialien wie Wasserdampf zwischen dem Thermometer und dem Zielobjekt verursacht werden, beseitigen oder reduzieren. Diese dynamischen Änderungen müssen vom Detektor bei den beiden verwendeten Wellenlängen identisch wahrgenommen werden.
Die Emissivität aller Materialien ändert sich bei verschiedenen Wellenlängen nicht gleichmäßig. Materialien, deren Emissionsgrad sich bei verschiedenen Wellenlängen gleichmäßig ändert, werden als graue Körper bezeichnet. Materialien, bei denen dies nicht der Fall ist, werden als nicht graue Körper bezeichnet. Darüber hinaus schwächen nicht alle Formen der Sichtbehinderung die Verhältniswellenlängen gleichermaßen ab. Befinden sich beispielsweise Partikel in der Sichtlinie, die die gleiche Größe wie eine der Wellenlängen haben, kann das Verhältnis aus dem Gleichgewicht geraten.
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Zweifarbige berührungslose Thermometer sollten ernsthaft in Betracht gezogen werden für Anwendungen, in denen nicht nur die Wiederholbarkeit, sondern auch die Genauigkeit entscheidend ist oder wenn das Zielobjekt einer physikalischen oder chemischen Veränderung unterliegt.
Verhältnis-Thermometer decken einen großen Messbereich ab. Typische handelsübliche Messbereiche sind 1652 bis 5432* F (900 bis 3000 °C) und 120 bis 6692 °F (50 bis 3700 °C). Die typische Genauigkeit beträgt 0,5 % des Messwerts bei engen Bereichen bis zu 2 % des Skalenendwerts.
Optische Pyrometer Optische Pyrometer messen die Strahlung des Zielobjekts in einem schmalen Wellenlängenbereich des thermischen Spektrums. Die ältesten Geräte nutzen das Prinzip der optischen Helligkeit im sichtbaren roten Spektrum um 0,65 Mikrometer. Diese Instrumente werden auch als Einfarben-Pyrometer bezeichnet. Optische Pyrometer sind heute für berührungslose Messungen mit Wellenlängen verfügbar, die bis in den Infrarotbereich reichen. Der Begriff „Einfarbenpyrometer” wurde von einigen Autoren erweitert und umfasst nun auch Schmalband-Strahlungsthermometer.
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Einige optische Designs werden manuell betrieben, wie in Abbildung 3-8 dargestellt. Der Bediener richtet das Pyrometer auf das Ziel. Gleichzeitig sieht er das Bild eines internen Lampenfadens im Okular. Bei einem Design passt der Bediener die Leistung des Glühfadens an und verändert dessen Farbe, bis sie mit der Farbe des Ziels übereinstimmt. Die Temperatur des Ziels wird anhand der vom internen Glühfaden verbrauchten Leistung gemessen. Ein anderes Design hält einen konstanten Strom zum Glühfaden aufrecht und verändert die Helligkeit des Ziels mittels eines drehbaren, energieabsorbierenden optischen Keils. Die Objekttemperatur hängt von der vom Keil absorbierten Energiemenge ab, die eine Funktion seiner ringförmigen Position ist.
Es sind auch automatische optische Pyrometer erhältlich, die für Messungen im Infrarotbereich sensibilisiert sind. Diese Instrumente verwenden anstelle des menschlichen Auges einen elektrischen Strahlungsdetektor. Dieses Gerät vergleicht die vom Zielobjekt abgegebene Strahlungsmenge mit der von einer intern gesteuerten Referenzquelle abgegebenen Strahlungsmenge. Der Ausgang des Instruments ist proportional zur Differenz zwischen der Strahlung des Zielobjekts und der Referenzquelle.
Glasfaserstrahlung
Obwohl es sich nicht um eine eigenständige Klasse handelt, verwenden diese Geräte einen Lichtleiter, z. B. eine flexible transparente Faser, um die Strahlung zum Detektor zu leiten. Sie werden im Kapitel ab Seite 43 näher beschrieben. Das Spektralempfindlichkeitsbereich dieser Fasern erstreckt sich bis etwa 2 Mikrometer und kann bei der Messung von Objekttemperaturen bis zu 210 °F (100 °C) nützlich sein. Diese Geräte sind natürlich besonders nützlich, wenn es schwierig oder unmöglich ist, einen klaren Sichtweg zum Ziel zu erhalten, wie beispielsweise in einer Druckkammer.
Definition der Begriffe
Allgemeines Glossar für berührungslose Thermometer IR-Strahlung. Infrarot ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der über den für das menschliche Auge sichtbaren Bereich (blau bis rot, 0,4–0,75 µm) hinausgeht. IR-Wellenlängen reichen von 0,75 µm bis 1000 µm, wo die kürzesten Mikrowellen (Radar) beginnen. Da IR-Strahlung überwiegend durch Wärme erzeugt wird, wird sie als Wärmestrahlung bezeichnet.
For non contact thermometers, only portions of the IR spectrum are important. The spectrum is frequently divided into “atmospheric windows” that provide maximum loss-free transmission through water vapor in air: 0.7-1.3 µm; 1.4-1.8 µm; 2.0-2.5 µm; 3.2-4.3 µm; 4.8-5.3 µm; 8-14 µm
Für berührungslose Thermometer sind nur Teile des IR-Spektrums von Bedeutung. Das Spektrum wird häufig in „atmosphärische Fenster” unterteilt, die eine maximale verlustfreie Übertragung durch Wasserdampf in der Luft ermöglichen: 0,7–1,3 µm; 1,4–1,8 µm; 2,0–2,5 µm; 3,2–4,3 µm; 4,8–5,3 µm; 8–14 µm. Emissionsgrad. Diese Eigenschaft definiert den Anteil der von einem Objekt abgegebenen Strahlung im Vergleich zu der von einem perfekten Strahler (Schwarzkörper) bei derselben Temperatur abgegebenen Strahlung. Der Emissionsgrad wird zum Teil durch die Art der Materialien und deren Oberflächenbeschaffenheit bestimmt und kann von nahe Null (bei einem stark reflektierenden Spiegel) bis fast 1 (bei einem Schwarzkörpersimulator) variieren. Der Emissionsgrad wird verwendet, um die tatsächliche Temperatur eines Objekts aus der gemessenen Helligkeit oder spektralen Strahlungsintensität zu berechnen. Da der Emissionsgrad eines Objekts auch mit der Wellenlänge variieren kann, sollte für eine bestimmte Anwendung ein Strahlungsthermometer mit einer spektralen Empfindlichkeit gewählt werden, die den Bereichen mit hohem Emissionsgrad entspricht. Emissionsgradwerte sind in der Literatur für eine Vielzahl von Materialien und Spektralbändern aufgeführt oder können empirisch ermittelt werden.
Helligkeit/Einfarbenpyrometer. Diese Geräte messen und bewerten die Intensität oder Helligkeit der aufgefangenen Wärmestrahlung. Die Intensität oder, allgemeiner gesagt, die spektrale Strahlungsdichte wird in einem schmalen Wellenlängenbereich des thermischen Spektrums gemessen. Die Auswahl des Bandes hängt vom Messbereich und der Art der zu messenden Materialien ab.
Verhältnis-/Zweifarben-Pyrometer. Dieses berührungslose Thermometer misst Temperaturen auf der Grundlage von zwei (oder mehr) diskreten Wellenlängen. Das Verhältnis der Helligkeiten in separaten Wellenlängen entspricht der Farbe im sichtbaren Spektrum. Die Verwendung von zwei unterschiedlichen, sichtbaren Farben – typischerweise Rot und Grün – ist seit langem beliebt, um Farbtemperaturen abzuleiten.
Strahlungsdetektion
Emissionsgradanpassung. Die Genauigkeit der Temperaturmessung hängt von der korrekten Einstellung des Geräts auf den Emissionsgrad des Ziels ab. Voreingestellte Emissionsgradwerte können für Online-Sensoren verwendet werden, um Ziele mit konstantem Emissionsgrad zu überwachen. Messungen an Materialien mit sich änderndem Emissionsgrad erfordern eine genaue und reproduzierbare Emissionsgradanpassung.
Umgebungstemperatur. Die thermische Zielstrahlung enthält immer Streustrahlung, die von der Umgebung des Zielbereichs emittiert und von der Oberfläche des Ziels reflektiert wird. In der Praxis wird häufig davon ausgegangen, dass die Umgebungstemperatur der Temperatur des Sensors entspricht. Wenn das Ziel einer anderen thermischen Umgebung ausgesetzt ist, z. B. in einem beheizten Ofen, in einer gekühlten Kammer oder im Freien unter freiem Himmel, sind Anpassungen für eine genaue Messung erforderlich. Für die automatische Temperaturberechnung können separate Sensoren für den Bereich um das Ziel herum verwendet werden.
Bildunterschrift Titel Sichtverhinderung. Gase, Wasserdampf, Staub und andere Aerosole im Sichtfeld eines Sensors können die Temperaturmessung beeinträchtigen. Die Verwendung eines der „atmosphärischen Fenster” im IR-Bereich reduziert Messfehler erheblich. Da beide optischen Kanäle gleichermaßen gedämpft werden, sind Verhältnis-Pyrometer im Allgemeinen unempfindlich gegenüber Sichtbehinderungen, und das Signalverhältnis bleibt unbeeinträchtigt.
Umgebungstemperaturdrift. Aufgrund ihrer Konstruktion werden berührungslose Thermometer stark von Änderungen der Umgebungstemperatur beeinflusst. Um eine hohe Genauigkeit der Messungen zu gewährleisten, ist eine Präzision bei der Kompensation dieser Temperaturdrift erforderlich. Die Temperaturdrift wird in Fehler/°C oder Fehler/°F der Umgebungstemperaturänderung angegeben. Optische Systeme Optik. In berührungslosen Thermometern werden reflektierende (Spiegel) und refraktive (Linsen) Optiken verwendet, um die Strahlung vom gemessenen Zielobjekt zu isolieren und zu definieren.
Sichtfeld. Das Sichtfeld (FOV) wird in Raumwinkeln oder in Radianten angegeben. Das Sichtfeld ermöglicht eine einfache Berechnung der minimalen Zielgröße für jeden Arbeitsabstand. Eine praktische Maßeinheit ist das Verhältnis von Abstand zu Ziel, z. B. 20:1, was ein minimales Ziel von 1 Zoll bei einem Messabstand von 20 Zoll angibt.
Fokussierung auf das Zielobjekt. Die Optik in berührungslosen Temperatursensoren ist in der Regel fest fokussiert. Eine Fokussierung bei größeren Messabständen ist nicht erforderlich, wenn der Zielbereich kleiner als die Eintrittsöffnung (Linsendurchmesser) des Geräts ist.
Faseroptik. Die Faseroptik ermöglicht eine physische Trennung der Linsenbaugruppe vom Detektor und der Signalverarbeitungselektronik in beengten Räumen oder rauen Umgebungen. Der nutzbare Messbereich von Glasfasern beginnt bei 400 °C (750 °F). Die Mindestzielflächen sind wie oben definiert.
Ausrichtung auf das Ziel. Bei berührungslosen Thermometern kommen verschiedene optische Ausrichtungstechniken zum Einsatz:
- Einfache Perlen- und Rillenvisiere
- Integrierte oder abnehmbare optische Sucher
- Durchsichtvisiere
- Integrierte oder abnehmbare Lichtstrahlmarkierungen
Bildunterschrift Titel Signalverarbeitung Direkte Ausgabe. Berührungslose Thermometer wandeln die aufgefangene Wärmestrahlung in ein elektrisches Signal um, das proportional zur von der Zieloberfläche abgegebenen spektralen Strahlungsintensität ist.
Linearisierte Ausgabe. Ein elektronisches Netzwerk wandelt das Wärmestrahlungssignal in einen zur Temperatur proportionalen elektrischen Strom/eine proportionale Spannung um.
Abtasten und Halten. Der durch einen externen Trigger ausgewählte momentane Temperaturmesswert wird gehalten (eingefroren), bis er im nächsten Abtastzyklus durch einen neuen Wert ersetzt wird.
Maximalwert oder Spitzenwert halten. Der höchste Temperaturmesswert über den spezifischen Messzeitraum wird angezeigt. Das Zurücksetzen wird durch ein externes Signal ausgelöst.
Minimalwert oder Talwertspeicherung. Der niedrigste Temperaturmesswert während eines bestimmten Messzeitraums wird angezeigt. Das Zurücksetzen wird durch ein externes Signal ausgelöst.
Spitze-Spitze-Wert. Die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Temperaturmesswert während eines bestimmten Messzeitraums wird angezeigt.
Ansprechzeit. Eine kurze Ansprechzeit ist erforderlich, um schnell wechselnden dynamischen Temperaturprozessen zu folgen. Eine lange Ansprechzeit integriert alle Signalschwankungen während eines bestimmten Messzeitraums und verbessert die Temperaturauflösung, um wechselnde Werte zu mitteln oder die Präzision der Messung zu verbessern.
Automatischer Trigger (Wellenfunktion). Der höchste Temperaturmesswert wird erfasst und angezeigt. Der Reset wird automatisch ausgelöst, wenn das Signal einen einstellbaren Schwellenwert erreicht, aber der letzte Spitzenwert bleibt auf dem Display angezeigt, bis er durch den folgenden Spitzenwert ersetzt wird. Diese Technik eignet sich für die schnelle Abtastung und Analyse von intermittierenden Zielwerten ohne Verwendung externer Triggersignale.
Alarmkontakte. Ein Ausgangssignal (Relais) wird aktiviert, wenn das Signal einen voreingestellten Temperaturwert erreicht. In der Regel sind zwei unabhängige Sollwerte – HI/LO – vorgesehen.
Zubehör für berührungslose Thermometer Wasserkühlbare Mäntel. Durch die Wasserkühlung wird der Messbereich des Sensors auf bis zu 400 °C (752 °F) oder mehr erweitert.
Luftspülanschlüsse. Objektivtubusse oder Aufsätze mit Anschlüssen für Druckluft dienen dazu, einen sauberen Luftstrom über die Linsenoberfläche zu leiten. Sie halten die optischen Sichtwege frei von Dämpfen, Rauch und Staub.
Kalibratoren für berührungslose Thermometer Tiefe Hohlräume, die auf eine homogen verteilte Temperatur geregelt werden, dienen als Schwarzkörpersimulatoren für die Kalibrierung von Strahlungsthermometern. Um den unterschiedlichen Instrumenten gerecht zu werden, bieten sie eine effektive Öffnung von ~ 1 Zoll (25 mm) und sind für ihren Messbereich der Betriebstemperatur optimiert:
- Rührwasserbad: 30–100 °C (86–212 °F)
- Aluminiumkern: 50–400 °C (122–752 °F)
- Edelstahlkern: 350–1000 °C (662–1832 °F )
- Tragbarer, batteriebetriebener Feldkalibrator: feste Temperaturwahl von 40 °C bis 100 °C (104 bis 212 °F)
Online-Geräte. Diese Geräte werden in der Regel zur kontinuierlichen Prozessüberwachung und -steuerung eingesetzt. Sie sind als Modelle für niedrige und hohe Temperaturen erhältlich, die jeweils eigene Spezifikationen für den Betrieb haben (siehe Tabelle 1).
Tragbare Geräte. Tragbare Geräte werden in der Regel für Prozesskontrollen, vorbeugende/vorausschauende Wartung, thermische Untersuchungen, Forschung und Entwicklung sowie vorübergehende Temperaturüberwachung bevorzugt. Die Versionen für niedrige und hohe Temperaturen unterscheiden sich in ihrer Leistung, wie in Tabelle 2 dargestellt.
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