IRt/c-Infrarot-Thermoelemente – eine revolutionäre neue Temperaturmesstechnik
Die IRt/c-Produktreihe stellt einen bahnbrechenden Fortschritt in der Messtechnologie für Temperaturmessungen an Materialien dar. Die IRt/c-Sensoren sind stromunabhängig, kostengünstig und können die Oberflächentemperatur von Materialien berührungslos messen. Sie können direkt an herkömmlichen Thermoelement-Reglern, SPS, Transmittern und anderen Geräten zur Anzeige installiert werden.
Wie messen sie die Temperatur?
Alle IRt/c verfügen über ein proprietäres Infrarot-Erkennungssystem, das die von den Objekten, auf die der Sensor gerichtet ist, abgestrahlte Wärmeenergie empfängt und die Wärme passiv in ein elektrisches Potential umwandelt. Es entsteht ein Millivolt-Signal, das auf die gewünschten Thermoelement-Eigenschaften skaliert wird.
Da alle IRt/c-Geräte eigenversorgte Geräte sind und sich nur auf die einfallende Infrarotstrahlung verlassen, um das Signal durch thermoelektrische Effekte zu erzeugen, folgt das Signal den Regeln der Strahlungsthermophysik und unterliegt den diesem Prozess innewohnenden Linearitäten.
Allerdings ist die Ausgabe des IRt/c über einen Temperaturbereich hinweg ausreichend linear, um ein Signal zu erzeugen, das direkt mit einem herkömmlichen t/c-Signal ausgetauscht werden kann. Wenn beispielsweise eine Übereinstimmung von 2 % mit der t/c-Linearität angegeben wird, ergibt sich ein Temperaturbereich, in dem das IRt/c ein Signal innerhalb von 2 % des herkömmlichen t/c erzeugt, das in diesem Bereich arbeitet. Bei einer Spezifikation von 5 % ergibt sich ein etwas größerer Messbereich usw.
Jedes IRt/c-Modell ist speziell für eine optimale Leistung im Bereich der besten linearen Anpassung an herkömmliche t/c ausgelegt, kann jedoch durch einfache Kalibrierung des Anzeigegeräts auch außerhalb dieser Messbereiche verwendet werden. Das Ausgangssignal ist über den gesamten Nenntemperaturbereich gleichmäßig und kontinuierlich und behält über den gesamten Messbereich eine Wiederholbarkeit von 1 % bei.
Der Leitfaden zur Temperaturauswahl ist eine Zusammenfassung der linearen Messbereichsleistung jedes IRt/c-Modells. Der Benutzer wählt das IRt/c-Modell und den Typ sowie den Zieltemperaturbereich für die Anwendung aus. Die normalen Offset-Einstellungen am Thermoelement-Anzeige-Gerät werden verwendet, um die Installation hinsichtlich Emissionsgrad und Hintergrundeffekten zu kalibrieren.
Wie zuverlässig sind diese neuen Geräte?
Von grundlegendem Interesse für die Temperaturregelung ist die Fähigkeit des Messgeräts, seine Kalibrierung unter Betriebsbedingungen und über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten. Das IRt/c hat eine Wiederholbarkeit von 1 % (des Messwerts) und weist keine messbaren langfristigen Änderungen bei der Kalibrierung auf, wodurch es sich gut für eine zuverlässige Temperaturregelung eignet. Diese Eigenschaften sind in der grundlegenden Konstruktion und Bauweise jedes IRt/c enthalten.
Wiederholbarkeit ist definiert als die Fähigkeit eines Messgeräts, seine Kalibrierung unter identischen Bedingungen zu reproduzieren. Das IRt/c ist ein solides, hermetisch versiegeltes, vollständig vergossenes System, das sich während des Betriebs weder mechanisch noch metallurgisch verändert. Es gibt keine aktiven elektronischen Komponenten und keine Stromquelle zur Erzeugung des Signals – nur die thermoelektrischen Effekte, die ein Thermoelement-Signal erzeugen. Die Bewertung von 1 % ist ein konservativer Wert, der auf der praktischen Schwierigkeit basiert, unter Testbedingungen engere Toleranzen nachzuweisen, und nicht auf einer tatsächlichen Einschränkung des Geräts.
Die Langzeitgenauigkeit wird von denselben Faktoren beeinflusst, die auch die Wiederholbarkeit beeinflussen: mechanische Veränderungen und metallurgische Veränderungen. Es ist bekannt, dass Thermoelemente aufgrund dieser Effekte im Laufe der Zeit ihre Kalibrierung verändern können. Mechanische Veränderungen treten auf, weil herkömmliche Thermoelemente in der Regel so klein und leicht wie möglich konstruiert sind, um die Ansprechzeit zu verbessern, wodurch sie anfällig für Verformungen sind, die die thermoelektrischen Eigenschaften verändern können. Noch wichtiger ist, dass das herkömmliche Thermoelement bei erhöhter Temperatur betrieben werden muss, da es lediglich seine eigene Temperatur misst.
Die metallurgischen Veränderungen, die die thermoelektrischen Eigenschaften beeinflussen, sind stark temperaturabhängig, bei Raumtemperatur vernachlässigbar und bei hohen Temperaturen von großer Bedeutung.
Das IRt/c löst beide Probleme durch seine Konstruktion und grundlegenden Betrieb. Durch seine solide, vollständig vergossene Konstruktion in einem mechanisch stabilen Edelstahl-Gehäuse und den Betrieb bei nahezu Raumtemperatur werden die klassischen Driftprobleme herkömmlicher Thermoelemente weitgehend beseitigt. Jedes IRt/c wird bei Temperaturen über 100 °C doppelt geglüht, um eine langfristige Stabilität zu gewährleisten, und vor der Verpackung fünfmal getestet. Abgesehen von einer sehr geringen Ausfallquote verfügt das IRt/c über eine nahezu unbegrenzte langfristige Genauigkeit bei der Kalibrierung.
Kurzanleitung zur Installation
Alle infrarotbasierten Sensorsysteme müssen für bestimmte Materialeigenschaften kalibriert werden (z. B. die von der Zieloberfläche abgestrahlte Wärmemenge, Wärmereflexionen aus der Umgebung usw.). Diese Kalibrierung wird durchgeführt, indem die Temperatur der Zieloberfläche mit einem zuverlässigen unabhängigen Oberflächentemperaturfühler gemessen wird. Die einfachste und schnellste Methode zur genauen Kalibrierung dieser Effekte ist die Verwendung eines OMEGA OS91 Hand-Infrarot-Thermometers mit einem patentierten automatischen Emissionsgrad-Kompensationssystem, das unabhängig vom Emissionsgrad einen echten Messwert liefert.
Das folgende Verfahren wird empfohlen:
- Installieren Sie das IRt/c so nah wie möglich am zu messenden Zielmaterial.
- Schließen Sie das IRt/c wie üblich (einschließlich Abschirmung) an den Regler, den SPS-Transmitter usw. an. Wie bei herkömmlichen Thermoelementen ist der rote Draht immer (–).
- Bringen Sie den Prozess auf normale Betriebstemperatur und messen Sie die tatsächliche Temperatur des Zielmaterials mit dem Infrarot-Thermometer der Serie OS90.
- Stellen Sie „Input Offset”, „Zero” und „Low Cal” an der Anzeige so ein, dass sie mit dem Messwert des OS91 übereinstimmen.
Die Installation ist abgeschlossen.
IRt/c-Einrichtung mit automatischen temperaturgeregelten Reglern
In vielen Anwendungen werden Heizelemente eingesetzt, um ein Produkt in einem Ofen, einem Brennofen oder mit Heißluftdüsen zu erwärmen. Herkömmliche Steuergeräte mit Kontaktthermoelementen messen und regeln die Ofenlufttemperatur, die Temperatur des IR-Heizelements oder die Luftstrahltemperatur, um die Produkttemperatur und damit die Qualität aufrechtzuerhalten, oft mit weniger als zufriedenstellenden Ergebnissen.
Durch den Ersatz des Kontakt-Thermoelements (z. B. zur Messung der Ofentemperatur) durch ein berührungsloses IRt/c-Produkt, das die Temperatur direkt misst, wird sichergestellt, dass die Produkttemperatur aufrechterhalten bleibt. Aufgrund der unterschiedlichen Ansprechzeiten der Sensoren (ein IRt/c ist viel schneller) und der im Vergleich zum ursprünglichen Sensor längeren Aufheizzeit des Produkts (langsamer) ist eine gewisse Neuanpassung der Reglerparameter erforderlich. Nach der Installation des IRt/c und der Kalibrierung der Regleranzeige mit einem OS91-Infrarot-Scanner (siehe Schnellinstallationsanleitung unten) starten Sie den Selbstoptimierungszyklus des Reglers und überprüfen Sie, ob die Regelung stabil und genau ist. Wenn die Selbstoptimierung nicht ordnungsgemäß funktioniert, passen Sie die Regelungskoeffizienten manuell an, um eine stabile Regelung zu erreichen. Da sich die Produkttemperatur wahrscheinlich langsamer ändert als beim ursprünglichen Sensor, beginnen Sie mit einer langsamen Erhöhung des „D”-Werts der PID-Koeffizienten.
Der IRt/c kann mit einem bis zu 300 m langen Thermoelement-Verlängerungskabel verwendet werden.
Mit einem verdrillten, abgeschirmten Thermoelement-Verlängerungskabel kann ein IRt/c in einer Entfernung von bis zu 300 Metern (1.000 ft) vom Anzeigegerät montiert werden, selbst in einer Umgebung mit sehr starken elektrischen Störungen. Ein Demonstrationstest wurde mit einer 300 m (1000 ft) Spule verdrillter, abgeschirmter Verlängerungskabel verwendet, von der 30 m (100 ft) abgewickelt wurden, um ein IRt/c mit einem schnellen (100 ms Reaktionszeit) A/D-Wandlermodul an einen Computer anzuschließen. Als Störungsgenerator wurde ein 60-Hz-10.000-Volt-Transformator und ein Funkenerzeuger so aufgestellt, dass der Funken innerhalb von 15 cm (6 Zoll) vom Kabel entstand.
Die Testergebnisse zeigten eine Störung von weniger als 0,1 °C an jeder relativen Position des Kabels, des Funkens und des Transformators. Die außergewöhnlichen Rauschunterdrückungseigenschaften des IRt/c ermöglichen es, ihn über sehr große Entfernungen zu lokalisieren, ohne dass ein Transmitter erforderlich ist. Das Gehäuse des IRt/c ist elektrisch von den Signalleitungen isoliert und mit der abgeschirmten Masse des Verlängerungskabels verbunden. Für große Entfernungen sollte ein verdrilltes, abgeschirmtes Verlängerungskabel verwendet werden, dessen Abschirmung an eine gute elektrische Masse angeschlossen ist.
IRt/c sind bei Verwendung mit Barrieren eigensicher.
„Feldgeräte mit Energiespeicher- oder Energieerzeugungseigenschaften von < 1,2 V, 0,1 A, 25 mW oder 25 MikroJ gelten als einfache Geräte (ohne Energiespeicher). Diese Allzweckgeräte dürfen ohne weitere Genehmigung in explosionsgefährdeten (klassifizierten) Bereichen verwendet werden, wenn sie an einen zertifizierten eigensicheren Stromkreis angeschlossen sind.” – Zitat aus dem umfassenden Produkthandbuch zu eigensicheren Barrieren und Repeater-Relais von R. Stahl, Inc. Beispiele für nicht energiespeichernde eigensichere Geräte sind:
- Thermoelemente
- RTDs
- LEDs
- Trockenkontakte
- Induktive NAMUR-Näherungsschalter
- Nichtinduktive Dehnungsmessstreifen und Widerstände
Das IRt/c fällt in die Kategorie der Thermoelemente, da es sein Signal durch Umwandlung der abgestrahlten Wärmeenergie in ein elektrisches Signal über den Seebeck-Effekt, die grundlegende Antriebskraft von Thermoelementen, erzeugt. Wie alle Thermoelemente benötigt es keine Stromquelle und erzeugt Signale, die in Millivolt Spannung, Mikroampere Strom und Nanowatt Leistung gemessen werden. IRt/c haben eine geringe Kapazität, aber bei einem Mikrofarad wird die Energiespeicherung in Nanojoule gemessen und ist tausendmal geringer als das Kriterium von 25 Mikrojoule.
Dementsprechend qualifiziert sich das IRt/c als einfaches Gerät für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen und mit der entsprechenden Barriere als eigensicher.
IRt/c sind bei Verwendung mit Barrieren eigensicher
IRt/c-Anwendungshinweise
IRt/c überwacht die Reifentemperatur für die Rennleistung.
Die Reifentemperatur ist im Automobilrennsport aus zwei Gründen von entscheidender Bedeutung: Die Reifentemperatur wirkt sich direkt auf die Haftung und die Verschleißeigenschaften aus, und die Reifentemperaturmuster liefern wertvolle Informationen über die Einstellung und Leistung der Federung. Beispielsweise führt eine übermäßige Belastung eines Reifens durch eine falsch eingestellte Federung dazu, dass dieser Reifen deutlich wärmer wird als die anderen.
Das IRt/c ist aufgrund seiner geringen Größe, Robustheit und niedrigen Kosten ein ideales Messgerät für die Datenerfassung an Bord. Es kann an Standard-Thermoelement-Auslesesysteme angeschlossen werden. Bei der Installation sollte die Abschirmung an eine geeignete Erdung angeschlossen werden, um Störungen durch die elektrisch raue Umgebung eines Rennwagens zu vermeiden. Bei der mechanischen Installation sollte auf die Luftströmungsmuster geachtet werden, um die Verschmutzung der Linse zu minimieren. Aufgrund ihres engeren Sichtfeldes werden die Modelle OS36-2 oder OS36-5 empfohlen, da sie weiter entfernt positioniert werden können.
IRt/c Messung der relativen Luftfeuchtigkeit.
IRt/ckann in vielen Situationen, in denen eine geeignete Wasserquelle und strömende Luft vorhanden sind, zur genauen und zuverlässigen Messung der tatsächlichen relativen Luftfeuchtigkeit verwendet werden.
Ein IRt/c, das auf eine feuchte poröse Oberfläche gerichtet ist, über die Umgebungsluft strömt, kann tatsächlich die sogenannte „Feuchtkugeltemperatur” für diesen Umgebungsbereich messen. (Genauer gesagt ist die Feuchtkugeltemperatur die Gleichgewichtstemperatur der Luft-Wasser-Grenzfläche, wenn ein Wasserfilm verdunstet. Wenn Luft über eine nasse Oberfläche strömt, kühlt das Wasser durch Verdunstung ab, bis es die Feuchtkugeltemperatur erreicht hat. Dann hört die Abkühlung auf, unabhängig davon, wie viel Luft noch über die Oberfläche strömt. Die Temperatur, bei der die Abkühlung aufhört, ist die Feuchtkugeltemperatur.)
Das IRt/c misst direkt die Temperatur der Luft-Wasser-Grenzfläche auf einer Oberfläche. Die Qualität des Wassers oder der absorbierenden Materialien hat keinen Einfluss auf den Messwert, da das IRt/c die Luft-Wasser-Grenzfläche direkt erfassen kann und die Gleichgewichtstemperatur des Feuchtballs wird durch Verunreinigungen nicht wesentlich beeinflusst.
Die Methode mit höchster Präzision ist die Verwendung eines IRt/c, das mit einem herkömmlichen Thermoelement differentiell verdrahtet ist, um die Größe „Feuchtballabsenkung” zu messen. Die Anordnung des Differentialpaares garantiert eine hohe Genauigkeit, da die relative Luftfeuchtigkeit stark von der Feuchtballabsenkung und nur schwach von der Trockenballtemperatur abhängt. Mit den Daten können Standard-Psychrometertabellen, Diagramme und Softwarealgorithmen verwendet werden, um die genaue relative Luftfeuchtigkeit für Ihre Umweltmessungen zu erhalten.
Regelung der Temperatur von Bahnwalzen
Die IRt/c-Infrarot-Thermoelemente haben sich schnell zu den Sensoren der Wahl für die Überwachung und Regelung von Bahn- und Walzentemperaturen entwickelt. Tipps zur genauen Messung der Rollentemperatur:
- Unbeschichtete Metall- oder Chromrollen – Bei glänzenden, unbeschichteten Metallrollen ist es für jeden Infrarotsensor schwierig, die tatsächliche Temperatur richtig zu erfassen (der Sensor nimmt zu viele Reflexionen aus der Umgebung wahr). Die Lösung für dieses Problem ist ganz einfach: Tragen Sie einen kleinen schwarzen Streifen auf ein unbenutztes Ende der Walze auf. Richten Sie den IRt/c-Sensor auf den schwarzen Farbstreifen. Dann misst er die Temperatur genau und zuverlässig, unabhängig von Veränderungen der Oberflächenbeschaffenheit der übrigen Walze.
Wenn am Rand der Walze nur sehr wenig Platz ist, bewegen Sie den Sensor näher heran und malen Sie einen sehr kleinen schwarzen Streifen. Die minimale Spotgröße des IRt/c beträgt 8 mm (0,3 Zoll) und die des OS36-2 beträgt 4 mm (0,16 Zoll), wenn der Sensor nahe an die Oberfläche gebracht wird. - Mattmetallwalzen – Mattmetallwalzen können ein zuverlässiges Signal liefern. Es ist jedoch am besten, die Oberfläche auf Zuverlässigkeit zu testen, da sich die Emissionseigenschaften der Oberfläche durch Schmutz, Feuchtigkeit, Reinigung usw. verändern können. Im Zweifelsfall ist es am besten, einfach einen Streifen aufzutragen, um diese Abweichungen zu beseitigen.
- Rollen mit nichtmetallischer Oberfläche – Diese liefern ein zuverlässiges IR-Signal an jedem Punkt, auf den der IRt/c gerichtet ist. Es ist kein gestrichener Streifen erforderlich.
Steuerung von Vakuumform- und Thermoformprozessen
Für die Formung von Kunststoffen ist eine hervorragende Kombination aus Heizmethode und Steuerung Strahlungswärme mit einem IRt/c zur Steuerung. Sie arbeiten außerordentlich gut zusammen, da sowohl die Erwärmung als auch die Messung direkt an der Oberfläche stattfinden – dort, wo sich der Kunststoff befindet. Die IRt/c-Messung wird nicht durch Reflexionen vom Heizgerät beeinflusst, da die spektrale Empfindlichkeit der 6-14-Mikrometer-IRt/c-Linse die kürzeren Wellenlängen der Strahlungsenergie des Heizgeräts herausfiltert.
Die IRt/c kann zwischen Keramikheizelementen oder in der Abdeckung oder dem Reflektor des Strahlungsheizgeräts montiert werden, sodass sie zwischen den Elementen hindurchsehen kann. Wählen Sie das IRt/c-Standardmodell OS36-2 oder OS36-5, je nach dem erforderlichen Sichtfeld, um über die Elemente hinweg auf die lackierte Oberfläche zu sehen. Bei der Montage der IRt/c ist darauf zu achten, dass ihre Temperatur unter 93 °C (200 °F) bleibt und die Linse sauber bleibt. Das Modell OS36-2 ist aufgrund seiner geringen Größe und der integrierten Luftspülung für diese Anwendung vorzuziehen. Es kann in Umgebungen mit Temperaturen bis zu 121 °C (250 °F) verwendet werden, wenn das Luftspülsystem eingesetzt wird. Sein engeres Sichtfeld ermöglicht mehr Spielraum bei der Positionierung und somit mehr Flexibilität bei der Installation. Für noch engere Sichtfelder verwenden Sie das Modell OS36-5 mit einem Sichtfeld von 5:1.
IRt/c-Regler für die Vorwärmung von Leiterplatten beim Wellenlöten
Eine hervorragende Lösung für das Problem der richtigen Heizungssteuerung für die Vorwärmung von Leiterplatten ist ein IRt/c. Sie arbeiten außerordentlich gut zusammen, da sowohl die Erwärmung als auch die Messung direkt an der Oberfläche stattfinden – dort, wo das Lot fließen muss. Die IRt/c-Messung wird nicht durch Reflexionen vom Heizelement beeinflusst, da die spektrale Empfindlichkeit der 6-14-Mikrometer-IRt/c-Linse alle kürzeren Wellenlängen der Strahlungsenergie des Heizelements herausfiltert.
Für diese Anwendung kann das IRt/c identisch wie bei der Vakuumformung/Thermoformung (oben) montiert werden.
Induktionsheizungssteuerung
Der Induktionsheizungsprozess kann leicht durch die Temperatur des Teils gesteuert werden, die mit einem berührungslosen Infrarot-Thermoelement IRt/c gemessen wird. Bei der Installation sind mehrere Punkte zu beachten.
- Die Auswirkung des Feldes auf den IRt/c: Da das Messsignal elektrisch vom Gehäuse isoliert ist, erfolgt der Betrieb des IRt/c auch in einem sehr starken Feld. Der Abschirmdraht sollte an einer geeigneten Signalerdung befestigt werden. Bei übermäßiger Erwärmung durch das Feld sollten Sie die Verwendung des optionalen Kühlmantel-Kits in Betracht ziehen, das mit derselben Wasserquelle wie zur Kühlung der Spule verwendet wird.
- Das Sichtfeld: Am besten ist es, das Teil zwischen den Spulenwindungen oder vom Ende aus zu betrachten. Wählen Sie das IRt/c-Modell, das den Anforderungen am besten entspricht.
- Teiletemperatur: Sowohl das Modell OS36-2 als auch das Modell OS36-5 können für Zieltemperaturen von 1100 °C (2000 °F) verwendet werden und haben lineare Messbereiche bis 260 °C (500 °F). .
Asphalttemperaturüberwachung
Asphalteigenschaften sind besonders temperaturempfindlich, und es ist wichtig, dass der Asphalt bei der richtigen Temperatur aufgetragen wird, damit er seine Spezifikationen erfüllt. Dementsprechend ist die Temperaturüberwachung eine gängige Anforderung, aber die normalerweise verwendeten Thermoelemente haben aufgrund der starken Abrasivität der Materialien erhebliche Bruchprobleme und müssen ständig ersetzt werden, was mit hohen Kosten und Produktionsunterbrechungen verbunden ist.
Das IRt/c löst dieses Problem direkt, da die Temperatur berührungslos überwacht wird. Der normale Thermoelement-Regler kann verwendet werden – führen Sie bei Bedarf eine Kalibrierung des Offsets durch. Die Modelle OS36-2 und OS36-5 werden aufgrund ihrer integrierten Luftspülung empfohlen, die die Linse sauber hält, indem sie verhindert, dass Dämpfe auf der Linse kondensieren. Die Montage des Modells OS36-2 in der Rutsche ermöglicht es, den Asphalt durch ein kleines Loch zu betrachten. Das Modell OS36-5 kann aufgrund seines schmalen Sichtfelds von 5:1 in einiger Entfernung montiert werden.
Mit Genehmigung von Exergen Corp. reproduziert.
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