Der Begriff „Pyrometer“ leitet sich vom griechischen Wort „pyro“ ab, was „Feuer“ bedeutet. Ursprünglich bezeichnete der Begriff „Pyrometer“ ein Gerät, mit dem Temperaturen von Objekten gemessen werden konnten, die über der Glühpunktgrenze lagen und für das menschliche Auge hell leuchteten. Die ursprünglichen Infrarot-Pyrometer waren berührungslose optische Geräte, die die von glühenden Objekten abgegebene sichtbare Strahlung auffingen und auswerteten.
Eine moderne und korrektere Definition wäre jedes berührungslose Gerät, das die von einem Objekt abgegebene Wärmestrahlung auffängt und misst, um die Oberflächentemperatur zu bestimmen. Der Begriff „Thermometer”, ebenfalls vom griechischen Wort „thermos” abgeleitet, das „heiß” bedeutet, wird verwendet, um eine Vielzahl von Geräten zu beschreiben, die zur Temperaturmessung dienen. Somit ist ein Pyrometer eine Art von Infrarot-Thermometer. Die Bezeichnung Strahlungsthermometer hat sich in den letzten zehn Jahren als Alternative zum optischen Pyrometer entwickelt. Daher werden die Begriffe Infrarot-Pyrometer und Strahlungsthermometer in vielen Referenzen synonym verwendet.
Ein Strahlungsthermometer besteht, vereinfacht gesagt, aus einem optischen System und einem Detektor. Das optische System fokussiert die von einem Objekt abgegebene Energie auf den Detektor, der empfindlich auf die Strahlung reagiert. Die Ausgabe des Detektors ist proportional zur vom Zielobjekt abgestrahlten Energiemenge (abzüglich der vom optischen System absorbierten Menge) und der Reaktion des Detektors auf die spezifischen Strahlungswellenlängen. Diese Ausgabe kann verwendet werden, um die Temperatur des Objekts abzuleiten. Die Emittivität oder Emittanz des Objekts ist eine wichtige Variable bei der Umwandlung der Detektorausgabe in ein genaues Temperatursignal.
Infrarot-Pyrometer, die speziell die von einem Objekt im Wellenlängenbereich von 0,7 bis 20 Mikrometern abgestrahlte Energie messen, sind eine Untergruppe der Strahlungsthermometer. Diese Geräte können diese Strahlung aus der Entfernung messen. Es ist kein direkter Kontakt zwischen dem Strahlungsthermometer und dem Objekt erforderlich, wie dies bei Thermoelementen und Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) der Fall ist. Strahlungspyrometer eignen sich besonders für die Messung von beweglichen Objekten oder Oberflächen, die nicht erreicht oder berührt werden können.
Die Vorteile der Strahlungsthermometrie haben jedoch ihren Preis. Selbst die einfachsten Geräte sind teurer als eine Standard-Thermoelement- oder Widerstandstemperaturfühler-Baugruppe (RTD), und die Installationskosten können die einer Standard-Tauchhülse übersteigen. Die Geräte sind robust, erfordern jedoch eine regelmäßige Wartung, um den Sichtweg frei und die optischen Elemente sauber zu halten. Pyrometersysteme, die für schwierigere Anwendungen eingesetzt werden, können über eine kompliziertere Optik, möglicherweise rotierende oder bewegliche Teile und Mikroprozessor-gesteuerte Elektronik verfügen. Es gibt keine branchenweit anerkannten Kurven für die Kalibrierung von Strahlungsthermometern, wie sie für Thermoelemente und RTDs existieren. Darüber hinaus muss der Anwender die Anwendung möglicherweise eingehend untersuchen, um die optimale Technologie, die Methode der Installation und die für das gemessene Signal erforderliche Kompensation auszuwählen und die gewünschte Leistung zu erzielen.
Was sind Emissivität, Emittanz und der N-Faktor?
In einem früheren Kapitel wurde die Emittanz als kritischer Parameter für die genaue Umwandlung der Ausgabe des in einem Strahlungsthermometer verwendeten Detektors in einen Wert identifiziert, der die Objekttemperatur darstellt. V (T) = e K TN
Die Begriffe Emittanz und Emissivität werden oft synonym verwendet. Es gibt jedoch einen technischen Unterschied. Der Emissionsgrad bezieht sich auf die Eigenschaften der Materialien, die Emittanz hingegen auf die Eigenschaften eines bestimmten Objekts. In diesem Sinne ist der Emissionsgrad nur eine Komponente bei der Bestimmung der Emittanz. Andere Faktoren, darunter die Form des Objekts, Oxidation und Oberflächenbeschaffenheit, müssen ebenfalls berücksichtigt werden.
Die scheinbare Emittanz der Materialien hängt auch von der Temperatur, bei der sie bestimmt wird, und der Wellenlänge, bei der die Messung erfolgt, ab. Der Zustand der Oberfläche beeinflusst den Emissionsgrad eines Objekts, wobei polierte Oberflächen niedrigere Werte und raue oder matte Oberflächen höhere Werte aufweisen. Darüber hinaus nimmt der Emissionsgrad mit zunehmender Oxidation der Materialien tendenziell zu, während die Abhängigkeit vom Zustand der Oberfläche abnimmt. Repräsentative Emissionsgradwerte für einen Messbereich gängiger Metalle und Nichtmetalle bei verschiedenen Temperaturen sind in den Tabellen ab Seite 72 aufgeführt.
DIE GRUNDLEGENDE GLEICHUNG ZUR BESCHREIBUNG DER AUSGÄNGE EINES STRAHLUNGSTHERMOMETERS LAUTET:
Wobei:
Um die geringste Abhängigkeit von Änderungen der Emissivität des Zielobjekts zu erzielen, sollte ein Strahlungsthermometer mit dem höchsten N-Wert (kürzestmögliche äquivalente Wellenlänge) ausgewählt werden. Die Vorteile eines Geräts mit hohem N-Wert erstrecken sich auf alle Parameter, die den Ausgang V beeinflussen. Ein verschmutztes optisches System oder die Absorption von Energie durch Gase im Sichtfeld haben weniger Einfluss auf die angezeigte Temperatur, wenn N einen hohen Wert hat.
Die Werte für die Oberflächenemissivität fast aller Stoffe sind bekannt und in der Fachliteratur veröffentlicht.
Die unter Laborbedingungen ermittelte Emissivität stimmt jedoch selten mit der tatsächlichen Emittanz eines Objekts unter realen Betriebsbedingungen überein. Aus diesem Grund wird man wahrscheinlich veröffentlichte Emissivitätsdaten verwenden, wenn die Werte hoch sind.
Als Faustregel gilt, dass die meisten undurchsichtigen nichtmetallischen Materialien eine hohe und stabile Emissivität (0,85 bis 0,90) aufweisen. Die meisten nicht oxidierten metallischen Materialien haben einen niedrigen bis mittleren Emissivitätswert (0,2 bis 0,5). Ausnahmen bilden Gold, Silber und Aluminium mit Emissivitätswerten im Messbereich von 0,02 bis 0,04. Die Temperatur dieser Metalle ist mit einem Strahlungsthermometer nur sehr schwer zu messen.
Eine Möglichkeit, die Oberflächenemissivität experimentell zu bestimmen, besteht darin, die Strahlungsthermometer-Messung eines Zielobjekts mit der gleichzeitig mit einem Thermoelement oder einem RTD erhaltenen Messung zu vergleichen. Der Unterschied in den Messwerten ist auf die Emissivität zurückzuführen, die natürlich kleiner als eins ist. Bei Temperaturen bis zu 500 °F (260 °C) können die Emissionsgradwerte experimentell bestimmt werden, indem ein Stück schwarzes Klebeband auf die Oberfläche des Zielobjekts geklebt wird. Messen Sie mit einem auf einen Emissionsgrad von 0,95 eingestellten Strahlungspyrometer die Temperatur der Klebebandoberfläche (warten Sie dabei, bis sich ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat). Messen Sie dann die Temperatur der Oberfläche des Zielobjekts ohne Klebeband. Die Differenz zwischen den Messwerten ergibt den tatsächlichen Wert für die Emissivität des Ziels.
Viele Instrumente verfügen heute über kalibrierte Emissivitätsanpassungen. Die Anpassung kann auf einen Emissivitätswert eingestellt werden, der aus Tabellen oder experimentell ermittelt wurde, wie im vorigen Absatz beschrieben. Für höchste Genauigkeit kann eine unabhängige Bestimmung der Emissivität in einem Labor bei der Wellenlänge, bei der das Thermometer misst, und möglicherweise bei der erwarteten Temperatur des Ziels erforderlich sein.
Die Emissionsgradwerte in den Tabellen wurden mit einem Pyrometer ermittelt, das senkrecht zum Ziel ausgerichtet war. Wenn der tatsächliche Sichtwinkel mehr als 30 oder 40 Grad von der Normalen zum Ziel abweicht, kann eine Labormessung des Emissionsgrades erforderlich sein.
Wenn das Strahlungspyrometer durch ein Fenster zielt, muss außerdem eine Emissionsgradkorrektur für den Energieverlust durch Reflexion an den beiden Oberflächen des Fensters sowie für die Absorption im Fenster vorgenommen werden. Beispielsweise werden etwa 4 % der Strahlung im Infrarotbereich von Glasoberflächen reflektiert, sodass die effektive Durchlässigkeit 0,92 beträgt. Der Verlust durch andere Materialien kann anhand des Brechungsindexes des Materials bei der Messwellenlänge bestimmt werden.
Die Unsicherheiten hinsichtlich der Emissivität können durch den Einsatz von Kurzwellen- oder Verhältnis-Strahlungsthermometern verringert werden. Kurzwellen um 0,7 Mikrometer sind nützlich, da die Signalverstärkung in diesem Bereich hoch ist. Die höhere Ausgangsleistung bei kurzen Wellenlängen neigt dazu, die Auswirkungen von Emissivitätsschwankungen zu überdecken. Die hohe Verstärkung der abgestrahlten Energie neigt ebenfalls dazu, die Absorptionseffekte von Dampf, Staub oder Wasserdampf im Sichtfeld zum Ziel zu überdecken. Wenn beispielsweise die Wellenlänge auf einen solchen Bereich eingestellt wird, misst der Sensor bei einem Emissionsgrad der Materialien von 0,9 (+/-0,05) innerhalb von +/-5 bis +/-10 Grad der absoluten Temperatur. Dies entspricht einer Genauigkeit von etwa 1 % bis 2 %.
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