Berührungslose Temperaturmessung Grundlagen für den Einsatz von Infrarotsensoren

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Die Temperatur ist eine jener physikalischen Größen, die wohl am häufigsten in der Industrie gemessen wird, wie zahlreiche Anwendungen belegen. Der berührungslosen Temperaturmessung mit Infrarottechnologie kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu.

Die potenziellen Einsatzfelder für berührungslose Temperaturmessungen mit Infrarotsensoren sind äußerst breit gefächert. Innerhalb der optischen Sensoren nehmen solche Taster eine Sonderstellung ein, da sie die von Objekten abgestrahlte Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal umwandeln. Dieses Signal wird verstärkt und in einen proportional zur Objekttemperatur linearisierten Messwert transformiert. Der Messwert kann als Schalt- oder Analogsignal ausgegeben werden.

Keine Probleme mit hoher Wärmestrahlung

Infrarotsensoren kommen in Bereichen zum Einsatz, in denen konventionelle Taster nicht verwendet werden können, weil beispielsweise deren Schaltabstand zu gering ist, sie durch die Wärmestrahlung eines Objektes gestört werden oder aber aufgrund der Umgebungsbedingungen einer zu starken Verschmutzung unterliegen. Zur häufigsten Aufgabe von berührungslos arbeitende Infrarotsensoren gehört die Ermittlung der Oberflächentemperatur von schwer zugänglichen oder sich bewegenden Objekten, die darüber hinaus eine hohe Wärmestrahlung aufweisen können.

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Prinzip der Infrarot-Temperaturmessung

Jeder Körper sendet in Abhängigkeit zu seiner Temperatur eine bestimmte Menge an infraroter Strahlung aus, deren Intensität sich bei einer Temperaturänderung anpasst oder verändert. Der in der Infrarotmesstechnik genutzte Wellenlängenbereich dieser Wärmestrahlung liegt zwischen 1 µm und 20 µm. Die Intensität der von einem Objekt oder Stoff emittierten Wärmestrahlung ist sowohl von der Temperatur als auch von den Strahlungseigenschaften des zu untersuchenden Materials abhängig. Der Emissionsgrad ε ist die entsprechende Materialkonstante, die die Fähigkeit eines Körpers oder Objektes beschreibt, infrarote Energie auszusenden. Diese materialabhängige Konstante ist für die meisten Stoffe bekannt und kann zwischen 0 und 100 Prozent betragen. Ein ideal strahlender Körper hat somit einen Emissionsgrad von 1,0, während der Emissionsgrad eines schlecht strahlenden Körpers, etwa eines Spiegels, bei 0,1 liegt.

Bestandteile eines Infrarot-Thermometers

Wie bereits erwähnt, sind Infrarot-Thermometer optoelektronische Sensoren, die berührungslos und somit völlig verschleißfrei die von einem Körper abgegebene Infrarotstrahlung ermitteln und auf dieser Grundlage dessen Oberflächentemperatur berechnen. Ein IR-Thermometer hat im Wesentlichen folgende Bestandteile:

• Linse bzw. Optik

• Spektralfilter

• Detektor

• Elektronik zur Verstärkung, Linearisierung oder Signalverarbeitung

Die Eigenschaften der Optik haben einen maßgeblichen Einfluss auf den Strahlengang eines IR-Thermometers, der durch das Verhältnis von der Entfernung zu einem Objekt zur Messfleckgröße charakterisiert wird. Auf die Funktion der Optik als ein wichtiger Faktor zur berührungslosen Temperaturmessung wird noch weiter unten näher eingegangen.

Der Spektralfilter dient zur Selektion des Wellenlängenbereichs, der für die Temperaturmessung relevant ist. Die Aufgabe des Detektors gemeinsam mit der nachgeschalteten Verarbeitungselektronik ist es, die Intensität der emittierten Infrarotstrahlung in elektrische Signale umzuwandeln, um beispielsweise einen Schaltausgang an einem Sensor zu setzen.

Kompaktgeräte mit Messbereichen bis +1.030 °C

Berührungslose Temperaturmessungen wie sie beispielsweise von Ipf electronic angeboten werden, stehen als Kompaktgeräte oder als zweiteilige Systeme zur Verfügung. Erstere zeichnen sich im Wesentlichen dadurch aus, dass sich die gesamte Auswerteelektronik im Sensor befindet. Die verschiedenen Geräteversionen unterscheiden sich insbesondere durch die eingebauten Optiken und die maximal einstellbaren Schaltschwellen oder Messbereiche von +300 °C bis +750 °C. Alle Geräte im Edelstahlgehäuse (IP67) haben einen Durchmesser von 60 mm, eine Schaltfrequenz von 10 Hz und sind für Umgebungstemperaturen von -20 °C bis +75 °C ausgelegt. Eine Ausnahme ist der OI12C758, die kleinste Lösung unter den Kompaktgeräten. Dieser robuste Zwerg für den Klemmanschluss verfügt über einen Messbereich von -40 °C bis +1.030 °C und ist für Umgebungstemperaturen bis +80 °C konzipiert.

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Höhere Messbereiche durch separate Auswertung

Bei den zweiteiligen Systemen ist der Messkopf von der Auswerteelektronik getrennt. Im konkreten Einsatz lässt sich hierdurch die Elektronik in einen thermisch weniger kritischen Bereich installieren, während der eigentliche Sensor oder der Messkopf im Vergleich zu den Kompaktgeräten weitaus höheren Umgebungstemperaturen bis +180 °C oder +250 °C (OI98E239) standhält.

Die Messköpfe der zweiteiligen Systeme von Ipf electronic gehören dem Unternehmen zufolge zum Teil zu den kleinsten weltweit mit hoher optischer Auflösung von 22:1. Die Messbereiche der Systeme (von -40 °C bis +975 °C) sind skalierbar und können über die Tasten an der Auswerteeinheit parametriert werden. Eine Ausnahme bildet auch hier der OI98E240, dessen Messbereich sich von +385 °C bis +1.600 °C erstreckt.

Die Wahl der Optik ist entscheidend

Der Maximalabstand zwischen Messkopf und einem zu messenden Objekt ist von der Größe des Objektes und der optischen Auflösung des IR-Thermometers abhängig. Wie bereits angesprochen, kommt es daher auf die Wahl der richtigen Optik für den Messkopf an. Denn sie bestimmt nicht nur die möglichen Einstellbereiche für die Schaltschwelle, sondern vor allem auch die Größe des Messflecks, über den die Temperatur auf oder an einem Objekt ermittelt wird.

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Messfehler durch korrekten Messfleck vermeiden

Der Erfassungsbereich einer Optik mit Standardfokus (kurz: SF) bildet sich von der Vorderkante des Messkopfs kegelförmig aus. Ausnahmen sind optional erhältliche, spezielle Vorsatzoptiken mit sogenanntem Close Focus (kurz: CF) für bestimmte Gerätemodelle. Diese Optiken fokussieren den Strahlengang bis zu einer gewissen Entfernung, sodass sich selbst kleinste Objekte erfassen lassen.

Generell kann aber gesagt werden: Je weiter die SF-Optik eines Messkopfes vom Messbereich entfernt ist, desto größer wird die Fläche, also der Messfleck, für die der Sensor die Temperatur bewertet. Hierbei ermittelt er, bezogen auf die betrachtete Fläche, stets die mittlere Temperatur. Um Messfehler zu vermeiden, sollte das Objekt daher den Messfleck, der über den Fokus der Optik und dem jeweiligen Abstand zum Objekt definiert wird, vollständig ausfüllen. Das bedeutet, dass die Bewertungsfläche des Sensors stets gleich groß wie oder aber kleiner als das Messobjekt sein muss.

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Wichtige Messwerte für prozesssichere Verfahren

Zu Beginn des Beitrags wurde zudem kurz darauf eingegangen, dass der von einem Infrarotsensor gelieferte Messwert in ein Schalt- oder Analogsignal ausgegeben werden kann. Unter den Kompaktgeräten verfügt der OI12C758 sowohl über einen Schalt-, also auch Analogausgang (0 V…5 V / 0 V…10 V), während die zweiteiligen Systeme ausnahmslos einen zusätzlichen Analogausgang (0/4…20 mA, 0…5/10 V) integrieren.

Diese Ausgänge liefern ein temperaturproportionales Signal, das beispielsweise dazu herangezogen werden kann, bestimmte Temperaturbereiche für spezifische Prozesse zu überwachen, etwa bei der Weiterverarbeitung von Schmiedebauteilen. Hierbei dienen die von einem Infrarotsensor vorgenommen Messungen auf den glühenden Metallbauteilen beispielsweise dazu, die Temperatur in einem Ofen nachzuregeln, um die Bauteile prozesssicher in einem Gesenk umzuformen. Weitere potenzielle Einsatzgebiete für die zweiteiligen Systeme von Ipf electronic finden sich zum Beispiel bei der Temperaturmessungen an Glätt- oder Prägekalandern, an Gießautomaten, beim Laserschweißen oder Laserschneiden oder aber an Wafern bei der Halbleiterherstellung.

* Martinus Menne, freier Fachjournalist aus Drolshagen, www.technikredaktion.de

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