Theorie und Praxis der berührungslosen Tmeperaturmessung

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Theorie und Praxis der berhrungslosen Temperaturmessung

01.01.2008

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MESSEN STEUERN REGELN

hemenbersicht1. Vorteile der berhrungslosen Temperaturmessung 2. Physikalische Grundlagen und Zusammenhnge 3. Definition und Einfluss des Emissionsgrades 4. Grundlagen der Optik 5. Kriterien zur Auswahl von Pyrometern 6. Neuheiten und Trends in der Pyrometrie

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orteileder berhrungslosen Temperaturmessung

Schnell (in ms-Bereich), dadurch Zeitersparnis bzw. mehrere Messungen und mehr Informationsgewinn mglich Messungen an bewegten Objekten mglich (Bandprozesse) Messung an gefhrlichen oder schwer zugnglichen Stellen Messtemperaturen ber 1300C mglich, hier haben Kontaktthermometer nur eine begrenzte Lebensdauer Rckwirkungsfreies Messen bei schlechten Wrmeleitern und kleinen Objekten, an empfindlichen Oberflchen oder sterilen Produkten

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apitel 2

Physikalische Grundlagen und Zusammenhnge der berhrungslosen Temperaturmessung

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hysikalische Grundlagender berhrungslosen Temperaturmessung

Jeder Krper mit einer Temperatur (T) ber dem absoluten Nullpunkt emittiert auf Grund der inneren mechanischen Molekularbewegung elektromagnetische Strahlung (Photonenteilchen). Diese Photonen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und gehorchen den bekannten optischen Gesetzmigkeiten. Sie lassen sich umlenken, mittels Linsen bndeln oder knnen von spiegelnden Flchen reflektiert werden. Messgerte, die aus dieser Infrarotstrahlung die Temperatur ermitteln, werden als InfrarotThermometer, Strahlungspyrometer oder kurz Pyrometer bezeichnet.

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emperaturstrahlungRadar

Infrarot

Der Wellenlngenbereich, der fr die Pyrometrie von Bedeutung ist, erstreckt sich von 0,5 m bis ca. 20 m.

sichtbar Ultraviolet

In diesem Bereich bezeichnet man die Strahlung Ihrer Natur nach als Wrmestrahlung oder Infrarotstrahlung.

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emperaturstrahlungDie Wrmestrahlung, die ein Krper aussendet, ist von der Temperatur, der Wellenlnge und dem Emissionsgrad abhngig. Den Zusammenhang zwischen der spektralen spezifischen Ausstrahlung M, der Temperatur T und der Wellenlnge eines Schwarzen Strahlers beschreibt das Plancksche Strahlungsgesetz. Planck`sches Strahlungsgesetz

M s ( , T ) =

C1 C2 5 exp 1 T

mit

C 1 = 2 C0 h2

C2 =

c0 h k

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emperaturstrahlungPlancksches Strahlungsgesetz1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 1,0E+00 1,0E-01 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05 0,1 1

Spekt. spez. Ausstrahlung [W / cm m]

5500K (5326C) 3000K (2726C) 1500K (1226C) 800K (526C) 500K (226C) 200K (- 73C)

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Wellenlnge [m]

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emperaturstrahlungDie Strahlungsenergie im gesamten Wellenbereich (Integral ber alle Wellenlngen) liefert die gesamte spezifische Ausstrahlung des schwarzen Krpers (Stefan Bolzmann Gesetz). MS(T) = * T4 = Stefan Bolzmann Konstante

Die Strahlungsintensitt steigt mit der 4. Potenz der Temperatur Hhere Temperaturen knnen energetisch einfacher erfasst werden. Daher lassen sich bei hheren Temperaturen kleinere Messflecke oder grere Entfernungen realisieren.

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emperaturstrahlung Das Strahlungsmaximum verschiebt sich mit steigender Objekttemperatur zu immer krzeren Wellenlngen. Die Temperatur verhlt sich umgekehrt proportional zum Wellenlngenmaximum b max = T[K] b = 2898 m * K

Niedrige Objekttemperaturen sind mit langwellig messenden Pyrometern zu messen, fr hohe Objekttemperaturen sind kurzwellig messende Sensoren einzusetzen.

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emperaturstrahlungDie Wahl der Wellenlnge fr ein Pyrometer ist primr von dem zu messenden Temperaturbereich abhngig. Zusammenhang: Wellenlngenbereich und MessbereichWellenlnge 8 ... 14 m 1,1 ... 1,7 m 0,8 ... 1,1 m 0,85 0,91 m 4,46 ... 4,82 m Sensor Thermopile Fotodiode Fotodiode Fotodiode Thermopile (fr Glas) Temperaturbereich -30 ... 1000 C 180 ... 2500 C 500 ... 3000 C 600 3000 C 300 ... 2500 C

Je nach Aufbau, Sensor und Filter des Pyrometers wird lediglich die Strahlung eines kleinen Wellenlngenbereichs empfangen und in die temperaturproportionale Messgre umgewandelt.

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usammensetzungder vom Pyrometer erfassten StrahlungMessobjekt Hintergrundstrahlung * Obj. * Back Pyrometer

* Amb.

Umgebungsstrahlung

Die Strahlung setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: =( * Obj.) + ( * Amb.) + ( * Back) Emissionsgrad des Messobjektes Reflektionsgrad des Messobjektes Transmissionsgrad des Messobjektes

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usammensetzungder vom Pyrometer erfassten Strahlung

Aus dem Energieerhaltungssatz folgt, dass die Summe der Koeffizienten von emittierter (), reflektierter () und durchstrahlender () Energie gleich 1 sein muss. 1=++

Fr nicht transparente Messobjekte vereinfacht sich die Formel zu: 1=+

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trstrahlungEinfluss und Eliminierung

Pyrometer 1 empfngt einen Teil der reflektierten Strstrahlung von der stark strahlenden Lampe. Pyrometer 2 ist durch das Objekt abgeschirmt.

Durch den Einsatz eines wassergekhlten Visierrohres wird die Strstrahlung der Ofenwandung abgeschattet.

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essfehlerdurch Transmissionsverluste

Unter realen Messbedingungen empfngt das Pyrometer hufig nicht die komplette Strahlung des Messobjektes. Objekte, wie Dampf, Staub, Schauglser oder z.B. Anlagenteile im Strahlengang des Pyrometers bewirken eine Verminderung der vom Pyrometer erfassten Strahlung.

Ideale Bedingungen Sichtkegel

Messobjekt

Pyrometer

Reale Bedingungen

Dampf, Staub

Emittierte Strahlung

Pyrometer

Partikel, Gase

Sichtfenster

Festes Hindernis

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essfehlerdurch Transmissionsverluste

Je kurzwelliger ein Pyrometer misst, desto unempfindlicher reagiert es auf Emissionsgradschwankungen oder Transmissionsverluste durch die Atmosphre im Strahlengang. Bei der Festlegung des Messbereiches ist zu entscheiden, ob eher ein kurzwellig messendes Pyrometer mit einer hheren Anfangstemperatur besser geeignet ist, um Streinflsse durch die Atmosphre oder nderungen des Emissionsgrades gering zu halten. Um den Streinfluss von Zwischenmedien im Strahlengang des Pyrometers zu umgehen, werden hufig Quotientenpyrometer eingesetzt.

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apitel 3

Definition und Einflussfaktoren des Emissionsgrades

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missionsgradDefinition

Schwarzer Strahler =0 =0

Realer Krper

=1

++=1

Emittierte Strahlung = Absorbierte Strahlung Emittierte Strahlung realer Krper (R) Def.: Emissionsgrad () = Emittierte Strahlung schwarzer Krper (S)

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nfrarotstrahlungEinflussfaktoren

Die Intensitt der Infrarotstrahlung ist von der Temperatur, dem Material und der Oberflchenbeschaffenheit des Messobjektes abhngig. Jedes Material hat eine bestimmte Fhigkeit, Infrarotstrahlung zu emittieren. Diese Strahlungsfhigkeit wird durch eine Materialkonstante, dem Emissionsgrad beschrieben und auf einen idealen Strahler (Schwarzer Strahler) bezogen.

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missionsgradDer Emissionsgrad ist eine materialabhngige und oberflchenspezifische Gre. Emission > 80% = Reflexion < 20% Emission < 20% = Reflexion > 80%

Ziegel, Beton Kupfer, oxidiert Graphit Holz, Gummi,

Gold, Silber Bronze geschliffen Stahl blank

organische Materialien, Kunststoff

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missionsgradin Abhngigkeit des Materials und der Wellenlnge

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missionsgrad Die Minderstrahlung eines realen Krpers wird vom Pyrometer durchEinstellung des Emissionsgrades kompensiert.

Je kleiner der eingestellte Emissionsgrad desto hher die Temperatur.Emissionsgradsteller Temperaturanzeige

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essfehlerbei 1% nderung des Emissionsgrades in Abhngigkeit der Temperatur und Wellenlnge16 14 12

8-14m

4.5-4.9m

Messfehler [C]

10 8 6 4 2 0 0 500 1000 1500 Temperatur [C] 2000

1.9-2.5m 1.1-1.7m 0.78-1.06m 0.63-0.67m

2500

3000

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missionsgradermittlungbei niedrigen ObjekttemperaturenBestimmung der Temperatur einer Materialprobe durch

Kontaktthermometer (z. B. Thermoelement) Aufbringen eines Epsidot-Aufklebers mit definiertem Emissionsgrad (bis 250 C) und Messung mittels Pyrometer Beschichtung der Objektoberflche mit einer matt schwarzen Farbe. Der Emissionsgrad liegt hier bei Werten um 0,94.

Anschlieend wird die Oberflchentemperatur mit einem Pyrometer gemessen und der Emissionsgrad so eingestellt, dass die zuvor ermittelte Temperatur angezeigt wird.

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missionsgradermittlungbei hohen Objekttemperaturen (> 700 C)Bestimmung der Temperatur einer Materialprobe mit einem sehr kurzwellig messenden Pyrometer (z.B. Intensittsvergleichspyrometer), da damit die geringste Messunsicherheit erzielt werden. Emissionsgrad des einzustellenden Pyrometers so eingestellten, dass die zuvor ermittelte Temperatur angezeigt wird.

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apitel 3

Grundlagen der Optik

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essfleckdurchmesserbezogen auf die empfangene StrahlungsenergieDie technischen Daten des Herstellers beschreiben den Durchmesser des Messflecks in Abhngigkeit der Entfernung mittels: Distanzverhltnis (D); z.B. 50:1 Messfleckverlauf

d(95%)

d(90%)

Diese Angaben beziehen sich auf einen prozentualen Anteil der Strahlungsenergie. d (95%) 3 x d (90%)

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pezifikation von PyrometeroptikenDie Messfleckgre bei Pyrometern wird bezogen auf einen festgelegten Prozentsatz der maximal in einem Halbraum empfangbaren Energie, d.h. 100% entspricht einem unendlich groen Objekt. Die Messfleckgre wird typisch auf 90 oder 95% der maximal empfangbaren Energie bezogen.Messfleckgren sind deshalb nur vergleichbar, wenn sie auf den selben Prozentsatz bezogen sind. Eine Vergrerung des Messobjektes fhrt bei Strahldichtepyrometern immer zu einer (geringen) Erhhung des Messwertes. Dieser Effekt wird Size of Source Effekt genannt und ist die grte Fehlerquelle bei modernen Pyrometern.

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essfleckdurchmesser Der Messfleckdurchmesser darf hchstens so gro sein, wie das zu messende Objekt. Unter Bercksichtigung von Ausrichttoleranzen sollte der Messfleckdurchmesser des Pyrometers stets kleiner als das Objekt gewhlt werden. Teilweise wird der Sichtkegel des Pyrometers auch durch den Durchmesser von Schauglsern oder Sichtffnungen begrenzt. Dies ist bei der Berechnung des Strahlenganges und des idealen Fokusabstandes zu bercksichtigen. Aus der Objektgre und dem Distanzverhltnis lsst sich der maximal zulssige Messabstand errechnen.

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ntensittsverteilungeines Bildpunktes bei:optimaler Fokussierung Defokussierung um 0,5 mm

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apitel 5

Kriterien zur Auswahl von Pyrometern

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uswahlkriterien Messbereich - Wellenlnge Optik mit Fixfokus oder fokussierbar Messfleckdurchmesser Messverfahren (Spektral- oder Quotientenmessung) Bauform Signalausgang / Schnittstelle

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essbereich - WellenlngeMessbereich -30 ... 1000 C 180 ... 2500 C 500 ... 3000 C 600 3000 C 300 ... 2500 C Wellenlnge 8 ... 14 m 1,1 ... 1,7 m 0,8 ... 1,1 m 0,85 0,91 m 4,46 ... 4,82 m

Je kurzwelliger ein Pyrometer misst, desto unempfindlicher reagiert es auf Emissionsgradschwankungen oder Transmissionsverluste durch die Atmosphre im Strahlengang. Bei der Festlegung des Messbereiches ist zu entscheiden, ob eher ein kurzwellig messendes Pyrometer mit einer hheren Anfangstemperatur besser geeignet ist, um Streinflsse durch die Atmosphre oder nderungen des Emissionsgrades gering zu halten.33

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ptik - VariantenOptik mit Fixfokus fokussierbare Optik

f=const. Anwendung

f=var. Anwendung

konstante Objektgre und Entfernung Objekt deutlich grer als Messfleck

variable Objektgre und Entfernung kleine Objekt oder groe Entfernungen

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essfleckdurchmesserMessfleck und Objektgre in Abhngigkeit der Entfernung Linse kritisch ungnstig optimal

d a Definition: Distanzverhltnis (D) = Entfernung (a) Messfleckdurchmesser (d)

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pektral- oder QuotientenpyrometerQuotientenpyrometer bringen unter folgenden Bedingungen Vorteile gegenber Spektralpyrometern: Das Messfeld ist nicht vollstndig ausgefllt. Die Messstrecke zwischen Pyrometer und Objekt hat Einengungen oder absorbierende Medien wie z.B. Rauch, Dampf, oder Staub im Strahlengang. Der Emissionsgrad ist nicht genau bekannt oder schwankt, sollte aber nicht wellenlngenabhngig im Spektralbereich des Pyrometers (grauer Strahler) sein. Schutzglser haben keinen Einfluss auf das Messergebnis, wenn die Transmission im Spektralbereich des Pyrometers nicht von der Wellenlnge abhngig ist.

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auformKompaktpyrometer Lichtwellenleiter Pyrometer

Lichtwellenleiter Pyrometern besitzen einen getrennten optischen Messkopf, die bei Umgebungstemperaturen von bis zu 250C ohne Khlung, bei starken elektrischen Feldern oder bei beengten Platzverhltnissen eingesetzt werden. Der Anfangstemperatur liegt aufgrund des Lichtwellenleiters bei 350C.

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chnittstellen am PZSchnittstellenzuordnung CellaTemp PZ Ausfhrung AF xx AF1xx AF2xx AF3xx Schnittstellen Bemerkungen RS 232, 0/4..20 mA, Standard PC-Schnittstelle Mode, Ready Normiertes Bussystem mit bis zu 32 Gerten pro Strang RS 422, Serielle bertragung bis zu 0/4..20 mA, 1200 Meter Mode, Ready Industrielles Feldbussystem zur Anlagenintegration

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chnittstelle PROFIBUSmax. Buslnge siehe Tabelle PROFIBUS (RS 485)

SPS mit PROFIBUS 24 VDC VK 01/S(5 m) 2x0,5 LiYCY

[kBit/s] 9,6...93,75 187,5 500 1500 3000..12000

Lnge [m] 1200 1000 400 200 100

PZ mit PROFIBUS

Netzteil

Zulssige Buslnge

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oftwarezur Messwertbertragung, Analyse und Dokumentation

Windows Hyperterminal

PZ 10D95 PZ-Logger

PZ 10N AF10 CellaMevis

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Neuheiten und Trends der berhrungslosen Temperaturmessung

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ellaTemp PZ 25Spektralpyrometer

Messbereich 180 - 1200C (150C fr > 0,5) Gleichlicht-Sensorik Langzeitstabile Photodiode Fokussierbare Durchblickoptik mit Messfleckmarkierung Spektralbereich 1,1 - 1,7 m Distanzverhltnis 80:1 Fokusbereich 0,3 m - Anwendungen: Messung an Metalloberflchen ab 180C (Umgebungslicht muss ggf. abgeschattet werden)

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ellaTemp PZ 35Spektralpyrometer

Messbereich 600 - 2500C Photodiode Fokussierbare Durchblickoptik mit Messfleckmarkierung Spektralbereich 0,88 0,03 mAF1 / AF301 AF2 / AF302 AF3 / AF303 AF4 / AF304 0,4 m - 0,2 - 0,4 m 1,2 m - 0,2 m - 175 : 1 140 : 1 240 : 1 35 : 1

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Anwendungen: Messung an Metalloberflchen; z.B. Wolfram oder Halbleitern wie Silizium Einsetzbar als Referenzpyrometer, da extrem schmalbandig und geringer Temperaturkoeffizient (0,04%/K)43

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ellaCapVideokamera-Aufsatz

Messfleckmarkierung am Bild sichtbar Standard Videosignal Autarkes Kameramodul fr PZ-Serie rckseitig auf dem Pyrometer aufschraubbar Hohe Lichtempfindlichkeit Automatische Anpassung an die Umgebung (AGC und Blende) bertragung bis zu 100 m ohne Verstrkung

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ellaTemp PS 27/28Spektralpyrometer fr die Wrmebehandlung

Messbereich 300 - 1300C Photodiode sehr gute Abbildungseigenschaft durch breitband-entspiegelte Przisionslinse (Messfleck 2,5 mm bei 200 mm) exakte Abbildung der Messposition und der Messfleckgre Spektralbereich PS 27: 1,7 - 2,2 m PS 28: 1,1 - 1,7 m Anwendungen PS 27: Messung an Laserhrteanlage Dioden oder Nd-YAG-Laser (1,064 m)

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