29.09.2009 | Wie ist der aktuelle Stand der Technik im Bereich der berührungslosen Temperaturmessung? Wie funktionieren IR-Temperatursensoren? Welche unterschiedlichen Sensoren gibt es? Wichtige Fragen, die der folgende Beitrag beantwortet.
Die Existenz der
Infrarot Strahlung wurde bereits um 1800 von dem Astronomen William Herschel
entdeckt. Damals wurde die Strahlung eher zufällig mit einem Prisma nachgewiesen,
welches das Licht der Sonne brechen sollte. Über die Jahre entstanden einige
verschiedene Methoden die IR-Strahlung von Objekten zu messen. Heute ist sie
ein tragender Baustein der Messtechnik.
Zahlreiche
Unternehmen haben sich darauf spezialisiert. Dennoch gilt es einige
Besonderheiten bei der Anwendung zu beachten. Führendes Unternehmen in diesem
Bereich ist Micro-Epsilon aus Ortenburg, die ein großes Programm an
Infrarot-Sensoren anbieten.
Der für den
Menschen nicht sichtbare Bereich der IR-Strahlung folgt den physikalischen
Gesetzen der Optik. So kann auch die IR-Strahlung mit Linsen gebündelt oder
gestreut bzw. durch einen Spiegel abgelenkt werden. Das Spektrum der IR
Strahlung erstreckt sich von 0,7 µm bis 1000 µm. Für die IR-Temperaturmessung
ist aber lediglich der Bereich zwischen 1 und 14 µm interessant, da nur in
diesem Bereich das Verhalten der Strahlungsenergie linear ist.
IR-Thermometer
ermitteln die von einem Körper abgestrahlte Energie, ohne diesen selbst zu
berühren. Damit sind schnelle und sichere Temperaturmessungen von sich bewegenden,
sehr heißen oder schwer zugänglichen Objekten möglich. Während ein
Temperaturfühler die Temperatur des Messobjektes beeinflussen kann und das
Produkt selbst unter Umständen beschädigt oder verunreinigt wird, gewährleistet
das berührungslose Verfahren zu jederzeit präzise Messwerte.
Zudem ist der
Einsatz von IR-Sensoren auch bei sehr hohen Temperaturen möglich, bei denen ein
Kontaktfühler zerstört werden würde oder nur eine geringe Lebensdauer hätte.
IR-Sensoren zur
Prozessautomatisierung ermöglichen eine kontinuierliche Temperaturüberwachung.
Intelligente, digitale Systeme erlauben dem Kunden die Fernprogrammierung der
Sensoren sowie die online Messdatenübertragung und -aufzeichnung.
Prinzip der IR-Temperaturmessung
Infrarote
Strahlung geht von jedem Körper aus, dessen Temperatur über den absoluten
Nullpunkt liegt. Der IR-Sensor erfasst die abgestrahlte Energie und lenkt diese
auf einen oder mehrere Detektoren. Im Detektor wird die Energie der
IR-Strahlung in elektrische Signale umgewandelt, die dann auf Grundlage der
Kalibrierung des Sensors und des eingestellten Emissionsgrades in
Temperaturwerte umgerechnet werden.
Basierend auf
dieser Auswertung kann die gemessene Temperatur auf einem Display angezeigt,
als analoges Signal ausgegeben oder über einen digitalen Ausgang auf einem
Computer dargestellt werden. Jeder Körper gibt Infrarote Strahlung auf drei
verschiedene Weisen ab. Er kann Strahlung emittieren, sie von der Umgebung
reflektieren oder durch ihn hindurch transmittieren. Wie die einzelnen Faktoren
zusammenspielen ist vom Material des Messobjekts abhängig. Entscheidend für
Messungen ist jedoch nur die emittierte Strahlung. In welchem Verhältnis die
einzelnen Strahlungen zueinander stehen wird durch den Emissionsgrad
beschrieben. Unterstellt man bei festen Körpern, dass sie vernachlässigbar
wenig Strahlung durchlassen, so kann die Transmission mit 0 ersetzt werden. Der
Emissionsgrad setzt sich also nur noch aus Emission und Reflexion zusammen.
Damit ist nun leicht erkennbar, dass Objekte wie polierte und glänzende Metalle
nur eine geringe Emission besitzen können, da an ihnen Strahlung aus der
Umgebung stark reflektiert. Im Gegensatz dazu reflektieren Objekte, wie
Kleidung oder matte Oberflächen sehr wenig und sind deshalb gut für
berührungslose Temperaturmessung geeignet.
Welche
Intensität die Strahlung des gemessene Körpers aufweist ist demnach von dessen
Temperatur und Emissionsgrad abhängig. Bei üblichen Temperatursensoren ist der
Emissionsgrad zwischen 0,1 und 1,0 einstellbar, so dass die Temperatur an
unterschiedlichen Objekten gemessen werden kann.
Aufbau von IR Sensoren
IR-Sensoren
unterscheiden sich im grundlegenden Aufbau kaum. Bedeutender Bestandteil für
Auflösung und Messfleckgröße bei bestimmten Abstand ist die IR-Linse, welche die
Strahlen auf den IR Detektor bündelt. Sie legt auch fest, in welchem Verhältnis
die Messfleckgröße zum Abstand zum Sensor steht. Das Detektorelement ist das
Herzstück des Sensors. Dafür existieren drei physikalisch unterschiedliche
Elemente. Für die Wandlung der Strahlung in elektrische Energie ist entweder
ein Bolometer, ein Thermopile oder ein Quantendetektor verantwortlich.
Anschließend folgt ein Verstärkermodul und ein AD-Wandler. Je nach Sensor folgt
dann weitere Elektronik, um das Signal zu bearbeiten oder zu stabilisieren.
Ein Bolometer
ist ein IR sensibles Element, dass über eine Widerstandsänderung des Elements
die Strahlungswärme feststellt. Thermopiles oder auch Thermoelemente basieren
auf den Seebeck-Effekt. Dabei werden zwei oder mehr unterschiedliche Metalle an
einer Stelle miteinander verbunden. Trifft im Sensor IR-Strahlung auf den
Verbindungspunkt, erwärmen sich die Metalle unterschiedlich stark und
elektrische Spannung tritt auf. Quantendetektoren agieren mit den auftreffenden
Photonen. Daraus entstehen Elektronenpaare und damit ein Stromsignal.
Ein wichtiger
Punkt, den es bei Messungen unbedingt zu beachten gilt ist die Messobjektgröße.
Um eine einwandfreie Messung zu ermöglichen muss das Messobjekt mindestens so
groß sein wie der Messfleck. Ist dies nicht der Fall, nimmt der Sensor auch
Infrarot-Strahlung aus dem Hintergrund auf und die Messung wäre Wertlos.
Unterschiedliche Geräte und Sensoren
Bei den Sensoren
wird generell zwischen Handgeräten und stationär einsetzbare unterschieden. Handgeräte
eignen sich sehr gut für schnelle und sporadische Messungen auf Objekte. Sie
können zu verschiedenen Objekten mitgenommen werden, Messwerte speichern und
später für Dokumentationszwecke ausgeben. Sie werden häufig für Wartungs- und
Kontrollarbeiten verwendet. In diesem Bereich gibt es verschiedene
Leistungsklassen. Das einfachste Gerät von Micro-Epsilon hat einen Messbereich
zwischen -32°C und 420°C. Es markiert den Messfleck durch einen einfachen
Punktlaser und eignet sich für Standardmessungen. Hingegen arbeitet das
thermoMETER LS mit einem vierstrahligen Laserkreuz, das die reale
Messfleckgröße in jedem Abstand markiert. Besonders bei kleinen Messobjekten
ein Vorteil.
Stationäre
Sensoren existieren in unterschiedlichen Leistungsklassen und Größen. Für die
Standardanwendung werden bei Micro-Epsilon die Sensoren thermoMETER CT
empfohlen. Miniatursensoren mit integriertem Controller tragen den Namen
thermoMETER CS oder CSmicro. Soll der Messfleck durch zwei Laserpunkte markiert
werden, verwendet man die Sensoren thermoMETER CTlaser.
Generell werden
die stationären Sensoren in verschiedene Anwendungsbereiche unterschieden. So
sind spezielle Modelle mit kurzer Ansprechzeit für besonders schnelle Prozesse
im Produktprogramm. Auch Modelle für heiße Umgebungsbedingungen bis 250°C ohne
Kühlung oder auch Modelle für Anwendungen in der Metallproduktion, die in einem
besonderen Wellenlängenbereich arbeiten. In Sachen Thermographie bietet der
Hersteller eine kleine Infrarotkamera, die für stationäre Einsätze gedacht ist.
Temperaturmessung
findet im industriellen Umfeld sehr häufig Anwendung. Überall wo Temperatur als
kritische Prozessgröße gilt ist der Einsatz von IR-Sensoren sinnvoll. Sei es
bei er Defekterkennung von Lagern, bei der Bauteilüberwachung in der
Elektronikindustrie, messen der Produkttemperatur in der Lebensmittelindustrie
oder auch beim Warmwalzen von Blechen. Die berührungslosen Temperatursensoren
überzeugen durch die schnelle Arbeitsweise und weil sie keinen Einfluss auf das
Messobjekt ausüben.
