Micro Epsilon, Temperatur Messung

Infrarot Messtechnik unter der Lupe

Zahlreiche Unternehmen haben sich auf berührungslose Temperaturmessung spezialisiert. Doch es gibt einige Besonderheiten zu beachten.
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.

Berührungslose Temperaturmessung, IR-Sensoren
Bild1: Micro Epsilon

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.

Berührungslose Temperaturmessung
Bild 2: IR-Sensoren bestehen im Wesentlichen immer aus einer IR-Linse, dem Detektorelement und nachfolgender Elektronik

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.

IR-Messung, Berührungslose Temperatur Messung
Bild 3: Verhältnis von Entfernung zur Messfleckgröße 20:1

 

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.

Temperatur Messung, IR-Messung, IR-Sensoren
Bild 4: Thermopile TS80. Rund um den runden Detektorpunkt sind die Thermoelemente aus Wismut/ Antimon angeordnet

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 Wartung- 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.

Temperatursensor, IR-Sensor
Bild 5: Beim Handmessgerät thermoMETER LS zeigt ein Laservisier die reale Messfleckgröße

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.

 

IR-Sensor
Bild6: CTLaser

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.

Infrarot-Kamera
Bild 7: IR Kamera

 

 

 

 

 

Infrarot-Messung
Bild 8: IR-Bild einer Rechner-Struktur. Die erwärmten Bauteile sind deutlich zu sehen.

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.

 

Micro Epsilon, IR-Sensoren