Anwendungen: Temperaturüberwachung zur Prozessoptimierung
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Fachartikel zur Temperaturmessung bei der Metallverarbeitung

Berührungslose Temperaturmessung von Metall

Bei fast allen industriellen Herstellungsschritten ist das Einhalten vorgegebener Temperaturen ein prozess- und qualitätsbestimmender Faktor. Berührungslos messende Infrarot-Thermometer haben sich dabei als Messtechnik etabliert, da sie das Messobjekt nicht beeinflussen. Das gilt auch bei der Messung von Metall. 

Eine korrekte Überwachung und Steuerung der Prozesstemperaturen erfordert jedoch eine gute Beratung seitens der Hersteller bzw. Grundkenntnisse zur Messtechnik beim Kunden. Wichtige Parameter wie Emissions- und Reflexionsgrad sowie die daraus resultierenden Ursachen für Messfehler werden im folgenden Artikel in Grundzügen erklärt. Es wird zudem gezeigt, welchen Einfluss sie auf die Messung von Metallen haben und warum auch hier eine zuverlässige und reproduzierbare kontaktlose Messung möglich ist.

Das infrarote Strahlungsspektrum


Hat ein Objekt eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von 0 K (-273,15 °C), sendet es eine seiner Eigentemperatur proportionale, elektromagnetische Strahlung aus. Der infrarote Spektralbereich nimmt dabei im gesamten elektromagnetischen Strahlungsspektrum nur einen sehr begrenzten Abschnitt ein. Er reicht vom Ende des sichtbaren Spektralbereichs von etwa 0,78 μm bis zu Wellenlängen von 1000 μm. Das Spektrum der für Temperaturmessungen interessanten, infraroten Strahlung reicht von 0,8 μm bis 14 μm. Oberhalb dieser Wellenlänge sind die Energiemengen so gering, dass Detektoren nicht empfindlich genug sind, diese zu messen.

Infrarotes Strahlungsspektrum

Die vom Objekt abgegebene Infrarotstrahlung durchdringt die Atmosphäre und kann mittels einer Linse auf ein Detektorelement fokussiert werden. Das Detektorelement erzeugt ein der Strahlung entsprechendes elektrisches Signal. Die Umsetzung des Signals in eine zur Objekttemperatur proportionale Ausgabegröße erfolgt durch Signalverstärkung und digitale Weiterverarbeitung. Der Messwert kann auf einem Display angezeigt oder als Signal ausgegeben werden.

Standardisierte Ausgänge zur Weitergabe der Messwerte an Regelsysteme stehen in Form linearer 0/4-20 mA, 0-10V und als Thermoelementsignale zur Verfügung. Des Weiteren besitzen die meisten der heute verwendeten Infrarot-Thermometer digitale Schnittstellen (USB, RS232, RS485, Relais, PROFIBUS DP, CAN Bus, Ethernet) zur Datenausgabe, aber auch für den direkten Zugriff auf Geräteparameter.

Aufbau eines Infrarot-Thermometers

Das Verhalten von Infrarotstrahlung bei metallischen Oberflächen wird in den folgenden Abschnitten genauer untersucht. Zuvor wird kurz auf den Detektor und die Umsetzung des Signals in eine Objekttemperatur eingegangen.

Temperaturberechnung über Infrarotstrahlung


Der Detektor als Strahlungsaufnehmer kennzeichnet das wichtigste Element jedes Infrarot-Thermometers. Durch auftreffende elektromagnetische Strahlung entsteht ein elektrisches Signal, welches exakt auswertbar ist. Das Detektorsignal U hängt mit der Objekttemperatur TObjekt wie folgt zusammen:
Stefan Boltzmann Formel

Das Detektorsignal, welches aus der emittierten Strahlung eines Objektes im gesamten Strahlungsspektrum resultiert, steigt proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur des Objektes. Das heißt: Verdoppelt sich die Temperatur des Messobjektes, erhöht sich das Detektorsignal um den Faktor 16.

Da neben dem Emissionsgrad ε des Objektes auch die reflektierte Umgebungsstrahlung auf der Objektoberfläche TAmbient und die Eigenstrahlung des Infrarot-Thermometers TPyro mit berücksichtigt werden müssen (C ist eine gerätespezifische Konstante), ändert sich die Formel zu:

Stefan Boltzmann Formel
Zudem arbeiten Infrarot-Thermometer nicht im gesamten Strahlungsspektrum. Der Exponent n ist abhängig von der Wellenlänge. N liegt für Wellenlängen von 1 bis 14 μm im Bereich von 17…2, bei kurzwellig messenden Geräten zur Metall-Temperaturbestimmung (1,0 bis 2,3 μm) zwischen 15…17:
Stefan Boltzmann Formel
DDie Objekttemperatur ergibt durch Umstellen der letztgenannten Formel. Die Ergebnisse der Berechnungen sind für alle vorkommenden Temperaturen als Kurvenschar im EEPROM des Infrarot-Thermometers gespeichert:
Stefan Boltzmann Formel 
Infrarot-Thermometer erhalten also prinzipiell genügend Signal zur Temperaturmessung. Aus den Gleichungen ist jedoch ersichtlich, dass neben dem Wellenlängenbereich (Strahlungsspektrum) auch die reflektierte Umgebungsstrahlung und der Emissionsgrad eine zentrale Bedeutung haben, wenn die Temperatur exakt bestimmt werden soll. Die Bedeutung dieser Parameter soll im Folgenden hergeleitet und erklärt werden.

Der schwarze Strahler als wichtige Referenz

Bereits um 1900 definierten Planck, Stefan, Boltzmann, Wien und Kirchhoff das elektromagnetische Spektrum genauer und stellten qualitative und quantitative Zusammenhänge zur Beschreibung der Infrarotenergie her. Der schwarze Strahler bildet die Basis für das Verständnis der physikalischen Grundlagen der berührungslosen Temperaturmesstechnik und für das Kalibrieren von Infrarot-Thermometern.

Ein schwarzer Strahler ist einerseits ein Körper, der alle auf ihn einfallende Strahlung absorbiert; an ihm treten weder Reflexion (ρ = 0) noch Transmission (τ = 0) auf. Sein Absorptionsgrad α beträgt eins. Andererseits strahlt ein schwarzer Strahler in Abhängigkeit seiner Eigentemperaturbei jeder Wellenlänge die maximal mögliche Energie ab. Sein Emissionsgrad ε beträgt ebenfalls eins.

Der Aufbau eines schwarzen Strahlers ist prinzipiell sehr einfach. Ein beheizbarer geschlossener Hohlkörper, der an einem Ende ein kleines Loch hat. Bringt man diesen Körper auf eine beliebige aber konstante Temperatur, befindet sich dieser Hohlraum im Temperaturgleichgewicht und aus dem Loch tritt ideale schwarze Strahlung über das gesamte elektromagnetische Spektrum aus.

Das Plancksche Strahlungsgesetz stellt den grundlegenden Zusammenhang für die berührungslose Temperaturmessung dar. Es beschreibt die spezifische spektrale Ausstrahlung Mλs des schwarzen Strahlers in den Halbraum in Abhängigkeit von seiner Temperatur T und der betrachteten Wellenlänge λ (c: Lichtgeschwindigkeit, h: Plancksches Wirkungsquantum):

Planck Formel 

Verlauf der spezifischen spektralen Ausstrahlung eines schwarzen Strahlers über das Wellenlängenspektrum
Verlauf der spezifischen spektralen Ausstrahlung eines schwarzen Strahlers

Im nebenstehenden Diagramm ist für Temperaturbeispiele jeweils logarithmisch die spektrale Ausstrahlung Mλs eines schwarzen Strahlers über die Wellenlänge λ aufgetragen.

Es lassen sich mehrere Zusammenhänge ableiten, von denen zwei nachfolgend kurz benannt werden. Durch Integration der spektralen Strahlungsintensität über alle Wellenlängen von null bis unendlich erhält man den Wert für die gesamte vom Körper ausgesandte Strahlung. Dieser Zusammenhang wird als Stefan-Boltzmann-Gesetz bezeichnet. Die praktische Bedeutung für die berührungslose Temperaturmessung wurde bereits im Abschnitt zur Temperaturberechnung erläutert.

Der zweite aus der grafischen Darstellung ersichtliche Zusammenhang ist, dass die Wellenlänge, bei der das Maximum der Strahlungsintensität liegt, sich mit zunehmender Temperatur hin zum kurzwelligen Bereich verschiebt. Dieses Verhalten liegt dem Wienschen Verschiebungsgesetz zugrunde und lässt sich durch Differentiation aus der Planckschen Gleichung ableiten.

Die hohe Strahlungsintensität ist demnach ein Grund, aber nicht der wichtigste, weshalb Metalle mit hohen Temperaturen bei kurzen Wellenlängen gemessen werden. Auch im langwelligen Bereich ist eine recht hohe Intensität vorhanden. Einen größeren Einfluss haben Emissions- und Reflexionsgrad sowie die daraus resultierenden Ursachen für Messfehler, da es sich bei Metall um einen selektiven Strahler handelt.

Metallische Oberflächen als selektive Strahler

 

In der Realität entspricht kaum ein Körper dem Ideal des schwarzen Strahlers. In der Praxis werden Strahlerflächen zur Kalibrierung der Sensoren genutzt, die im gewünschten Wellenlängenbereich Emissionsgrade bis 0,99 erreichen. Über den Emissionsgrad ε (Epsilon), welcher das Verhältnis aus dem realen Abstrahlwert eines Objektes und dem des schwarzen Strahlers bei gleicher Temperatur angibt, kann daher sehr gut die Objekttemperatur durch eine Strahlungsmessung bestimmt werden. Der Emissionsgrad liegt dabei immer zwischen null und eins; der fehlende Strahlungsanteil wird durch die Angabe des Emissionsgrades kompensiert.

Viele zu messende Oberflächen haben einen über die Wellenlängen konstanten Emissionsgrad, emittieren aber im Vergleich zum schwarzen Strahler weniger Strahlung. Sie werden graue Strahler genannt. Eine Vielzahl nichtmetallischer Stoffe weist zumindest im langwelligen Spektralbereich unabhängig von ihrer Oberflächenbeschaffenheit einen hohen und relativ konstanten Emissionsgrad auf.

Objekte, deren Emissionsgrad unter anderem von Temperatur und Wellenlänge abhängen, z.B. metallische Oberflächen, werden selektive Strahler genannt. Es gibt mehrere wichtige Gründe, weshalb die Messung von Metallen möglichst immer im kurzwelligen Bereich erfolgen sollte. Zum Ersten haben Metalloberflächen bei höheren Temperaturen und kurzen Messwellenlängen (2,3 μm; 1,6 μm; 1,0 μm, 0,525 µm) nicht nur die höchste Strahlungsintensität, sondern auch den höchsten Emissionsgrad. Zum Zweiten gleichen sie sich hier dem Emissionsgrad von Metalloxiden an, sodass Temperaturabweichungen, hervorgerufen durch sich ändernde Emissionsgrade (Anlauffarben), minimiert werden.

Darstellung der sich angleichenden Emissionsgrade von blanken Metallen

Einen weiteren wichtigen Einfluss auf die Wahl eines kurzwellig messenden Infrarot-Thermometers hat die Tatsache, dass Metall im Vergleich zu anderen Materialien auch unbekannte Emissionsgrade aufweisen kann. Kurzwellig messende Pyrometer reduzieren bei einem falsch eingestellten Emissionsgrad die Messfehler erheblich.

Messfehler bei ein um 10% falsch eingestellten Emissionsgrad

optris Infrarot-Thermometer zur Messung von Metall


Die Optris GmbH bietet Ihnen eine große Auswahl an Metall-Pyrometern und Wärmebildkameras für vielfältige Anwendungsbereiche in der Metallindustrie.

Spezielles Infrarot-Thermometer für Metallanwendungen

Hochtemperaturmessungen an Metall


Folgende Infrarot-Thermometer eignen sich hervorragend für die Messung sehr hoher Temperaturen von Metall, Metalloxiden und Keramik:

Niedertemperaturmessungen an Metall

 

Eine Vielzahl von Anwendungen finden allerdings auch in der Metallindustrie im niedrigen Temperaturbereich statt. Hierfür bietet Optris die folgenden Infrarot-Thermometer an:

Messung von flüssigem Metall

 

Durch eine extrem kurze Messwellenlänge, eignen sich die folgenden Infrarot-Thermometer bestens für die Temperaturmessung von flüssigem Metall:

Wärmebildkameras für Metallmessungen

 

Die Wärmebildkameras der optris PI Serie können auch für die Messungen von Metall genutzt werden und decken die folgenden Temperaturbereiche ab:

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Dipl.-Ing. Maik Lippe

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