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Infrarot-Messtechnik in der Metallindustrie - Auf die richtige Temperatur kommt es an

Herstellung und Verarbeitung von Metallen gehören zu den wichtigsten Technologien in der modernen Industriegesellschaft. Die meisten Prozesse in der Metallurgie sind stark temperaturabhängig. Die Messung und Regelung der Temperatur spielt deswegen für die Qualität der Endprodukte und eine hohe Effizienz der Prozesse eine entscheidende Rolle. Die berührungslose Infrarot-Temperaturmesstechnik bietet in vielen Anwendungen große Vorteile. Der Infrarotspezialist Optris bietet für die Metallindustrie optimierte Pyrometer und Infrarotkameras an, die alle Anforderungen dieser Branche optimal erfüllen können.

Die Metallverarbeitung ist eng mit der Entwicklung unserer Zivilisation verknüpft. Bis zum Beginn der Bronzezeit kannten Menschen lediglich gediegene – also metallisch in der Natur vorkommende – Metalle. Gold, Silber und Kupfer waren die einzigen Metalle, die bis dahin übliche Gegenstände aus Stein, Holz oder organischen Materialien ablösten. Lediglich das Kupfer spielte dabei auch eine Rolle bei der Herstellung von Werkzeugen. Der Wendepunkt kam in der Bronzezeit etwa um 3000 v. Chr.: Erstmals wurden Metalle auch verhüttet – also durch Wärmezufuhr verarbeitet. Bronze hat einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt von rund 900 °C und ist im Vergleich zu Kupfer härter und eignet sich dadurch besser für die Herstellung von Werkzeugen. In den letzten 5000 Jahren hat sich die Metallurgie langsam aber stetig weiterentwickelt. Und bei allen Technologien von den ersten Öfen zur Bronzeherstellung bis zum modernen Stahlwerk spielt die Temperatur eine entscheidende Rolle. Neben vielen anderen wichtigen Parametern muss die Temperatur in einem metallverarbeitenden Prozess möglichst genau geregelt werden. Die Temperatur hat entscheidenden Einfluss auf die Qualität der erzeugten Produkte und die Produktivität von Anlagen. Auch darum gehört die Temperatur zu den am häufigsten gemessenen physikalischen Größen.

Die Physik der Strahlung

Die Farbe bzw. Helligkeit eines glühenden Gegenstandes ist abhängig von seiner Temperatur . Ein mit hoher Intensität gelb oder weiß glühendes Hufeisen ist heißer und lässt sich leichter schmieden als ein Rotglühendes. Diesen Zusammenhang kannte schon der Schmied im Mittelalter, lange bevor Fahrenheit und Celsius im 18. Jahrhundert ihre Temperaturskalen einführten. Die genaue physikalische Beschreibung dieses Zusammenhangs ist aber erst bekannt, seit Max Planck im Jahr 1900 das nach ihm benannte Strahlungsgesetz aufgestellt hat. Anhand der Formel für die spektrale Abstrahlung in den Halbraum


M_λs=(2πhc^2)/λ^5 x 1/[(e^hc⁄λKT)-1]


lassen sich zwei wesentliche Aspekte ableiten, die für die Bestimmung der Temperatur eines Körpers aus der Strahlung von Bedeutung sind. Die Wellenlänge, bei der die abgestrahlte Leistung maximal ist, sinkt mit zunehmender Temperatur. Dieser Zusammenhang war, schon einige Jahre bevor Planck sein Strahlungsgesetz aufstellte, von Wilhelm Wien im nach ihm benannten Verschiebungsgesetz formuliert worden. Das Maximum liegt bei praktisch allen technisch relevanten Temperaturen im Infrarotbereich von etwa 1 µm bis 14 µm. Der zweite Aspekt folgt, wenn man die Gleichung über das gesamte Spektrum integriert: Die gesamte abgestrahlten Leistung ist proportional zur vierten Potenz der Temperatur. Dieser Zusammenhang wird als Stefan-Boltzmann-Gesetz bezeichnet. Im Prinzip entsprechen diese beiden Aspekte dem, was schon der Schmied im Mittelalter wusste: Je heller und gelber bzw. weißer ein Werkstück strahlt umso heißer ist es.

Der schwarze Strahler

Das plancksche Strahlungsgesetz gilt nur für einen idealisierten Fall des so genannten schwarzen Strahlers. Bei diesem wird auftreffende Strahlung vollständig absorbiert. Das bedeutet, dass weder Reflexion noch Transmission auftritt. Technisch wird ein solcher schwarzer Strahler durch einen geheizten Hohlraum simuliert, dessen Strahlung ausschließlich durch ein im Verhältnis zur Größe des Hohlraums kleines Loch austreten kann. In der Realität entspricht kaum ein Körper dem Ideal des schwarzen Strahlers. Die Abweichung zum schwarzen Strahler wird durch den Emissionsgrad ε beschrieben, der das Verhältnis aus dem realen Abstrahlwert eines Objektes und dem des schwarzen Strahlers bei gleicher Temperatur angibt. Da die tatsächlich abgegebene Strahlung nie höher als die eines schwarzen Strahlers sein kann, nimmt ε immer Werte zwischen 0 und 1 an. Der Emissionsgrad ist vom Material der Oberfläche abhängig und kann zusätzlich auch mit der Wellenlänge und der Temperatur variieren. Mit einem geeigneten Detektorelement, das die emittierte Strahlung eines Körpers in ein proportionales Signal umwandelt, kann die Temperatur des Körpers bestimmt werden, wenn der Emissionsgrad bekannt ist.

Von der Strahlung zum Messwert

Die Temperaturabhängigkeit der Strahlung eines Körpers lässt sich verwenden, um damit die Temperatur berührungslos zu bestimmen. Man unterscheidet hierbei zwischen Pyrometern, die die Temperatur an einem Messfleck bestimmen, und Infrarotkameras, die ein ortsaufgelöstes Wärmebild erzeugen können. Die verwendeten Messbereiche liegen bei Wellenlängen von 0,5 µm bis 14 µm. Dort ist die Abstrahlung relativ groß und die Absorption an der Luft zwischen Körper und Detektor spielt kaum eine Rolle (durch die Nutzung sogenannter atmosphärischer Fenster, also Teilbereiche dieses Spektrums). Um die auftreffende Strahlung in ein verwertbares Signal umzuwandeln, werden verschiedene Detektorprinzipien verwendet. Der pyroelektrische Effekt erzeugt eine Oberflächenladung im Detektormaterial. Beim thermoelektrischen Effekt entsteht eine Spannung an der Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle. Bolometer nutzen die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands aus. Bei Detektoren, die auf diesem Prinzip basieren, führt die Widerstandsänderung zu einer Änderung der Signalspannung, die über dem Widerstand abfällt. Bei allen Detektorprinzipien sorgt eine integrierte Elektronik dafür, dass am Ausgang ein verwertbares Signal in analoger oder digitaler Form zur Verfügung steht.

Infrarotkameras messen die Temperaturen in einem definierten Bildbereich ortsaufgelöst – sie erzeugen also ein Wärmebild. Die Sensoren von Infrarotkameras – so genannte Focal Plane Arrays (FPA) – basieren auf Dünnschichtbolometern als Detektorprinzip. Die Pixel des Sensors bestehen aus 17x17 bis 35x35 µm² großen Mikrobolometern. Typische Detektorgrößen sind heutzutage 160x120, 320x240 und 640x480 Pixel. Auch größere Bildsensoren mit bis zu 1 Million Pixel sind möglich. Infrarotkameras arbeiten mit Frequenzen von bis zu 125 Hz und können damit auch Wärmebild-Videos erzeugen. Aufgrund der großen Datenmengen haben sie digitale Schnittstellen wie USB, über die Daten an einen Mess- bzw. Steuer-Rechner übertragen werden.

Infrarotkameras, wie die aus der PI-Serie von Optris, bieten vielfältige Möglichkeiten, für die zum Teil auch gar keine aufwändige Weiterverarbeitung in einem PC notwendig ist. Besonders interessant für viele Anwendungen ist die Spot-Erkennung. Die Infrarotkamera ermittelt dabei innerhalb des Bildbereichs die höchste bzw. die niedrigste Temperatur und gibt diese über eine der Schnittstellen aus. Dieser Temperaturwert lässt sich beispielsweise in einer übergeordneten Steuerung direkt weiterverarbeiten, um so die Prozessparameter laufend regeln zu können. Die Funktion ist besonders hilfreich, wenn sich das Objekt, dessen Temperatur bestimmt werden soll, innerhalb des Bildbereichs bewegt. Um zusätzliche Auswertungen der Wärmebilder zu ermöglichen, bietet Optris die umfangreiche Software PIX Connect an. Damit lassen sich beispielsweise Wärmebild-Videos aufzeichnet, um sie anschließend zu analysieren. Außerdem wird so eine Dokumentation etwa im Rahmen von Qualitätskontrollsystemen möglich.

Messtechnische Herausforderung Metalloberfläche

Wie bereits oben beschrieben, muss der im Detektor bestimmte Wert mit dem Emissionsgrad des Materials korrigiert werden. Der Wert kann für eine gegebene Anwendung experimentell bestimmt werden, indem Vergleichsmessungen durchgeführt werden. Alternativ lässt sich der Emissionsgrad aus Tabellen entnehmen, in denen die Werte für verschiedene Materialien dokumentiert sind. Sowohl bei Pyrometern als auch bei Infrarotkameras kann der Emissionsgrad am Gerät eingestellt werden, so dass am Ausgang die tatsächliche Temperatur ausgegeben wird.

Bei Metallen ist die Ermittlung des richtigen Emissionsgrades vergleichsweise kompliziert. Die Oberflächen vieler Materialien haben einen über einen großen Wellenlängenbereich 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, werden selektive Strahler genannt. Dazu gehören auch die meisten Metalle. Hinzu kommt, dass der Emissionsgrad stark von der Art der Oberfläche abhängen kann. Zudem weicht der Wert bei oxidierten Metalloberflächen häufig von dem einer nichtoxidierten Oberfläche ab.

Um trotzdem eine zuverlässige Temperaturmessung mit Pyrometern oder Infrarotkameras durchführen zu können, ist die Auswahl des Wellenlängenbereichs, in dem die Messung durchgeführt wird, besonders wichtig. Optimal sind Geräte, die für die Messung einen möglichst kurzwelligen Wellenlängenbereich verwenden. Dies bringt gleich mehrere Vorteile mit sich. So ist bei kurzen Wellenlängen und hohen Temperaturen, wie sie bei Anwendungen in der Metallindustrie die Regel sind, die Intensität der Strahlung am höchsten. Außerdem haben Metalle bei kürzeren Wellenlängen den höchsten Emissionsgrad. Zusätzlich sind die Emissionsgrade von Metallen und Metalloxiden in diesem Bereich ähnlich. Fehler, die durch Oxidation der Oberflächen entstehen können, werden also so minimiert. Der Messfehler ist bei kleineren Wellenlängen generell geringer. Das reduziert den Messfehler, wenn beispielsweise der Emissionsgrad nicht genau bekannt ist. Optris bietet für die Temperaturmessung an Metallen speziell geeignete Pyrometer und Infrarotkameras an. Diese arbeiten in Wellenlängenbereichen von 0,5 µm, 1,1 µm, 1,6 µm und 2,3 µm und können je nach Modell Temperaturen bis zu 2.500 °C sicher messen.

Vom Hochofen zum Blech

Die Infrarotmesstechnik zur Temperaturbestimmung bietet bei Anwendungen in der Metallindustrie zahlreiche Vorteile. Da die Temperaturmessungen häufig an sich bewegenden Teilen durchgeführt werden müssen und die Zugänglichkeit vergleichsweise schwierig ist, ist eine berührungsfreie Messung deutlich einfacher zu realisieren – oft ist es die einzige Möglichkeit. Eine der typischen Anwendungen für die Infrarotmesstechnik ist das Stranggießverfahren, mit dem etwa in der Stahlindustrie 90 % des Stahls verarbeitet wird. Dabei wird die Stahlschmelze von der Pfanne zunächst in den so genannten Verteiler gefüllt. Durch einen Bodenablass fließt der flüssige Stahl über das Gießrohr in die Kokille, wobei ein Schieber oder ein Stopfen den Durchfluss reguliert. Der flüssige Stahl wird sowohl im Verteiler als auch in der Kokille abgedeckt, um zu verhindern, dass der Stahl an der Oberfläche wieder oxidiert. Die Wände der Kokille sind gekühlt, was dazu führt, dass der Strang beim Verlassen an der Oberfläche bereits erstarrt ist, im Innern befindet sich allerdings noch flüssiger Stahl. Unterhalb der Kokille schließt sich der Gießbogen an, der den Strang in die Horizontale umlenkt und dabei gleichzeitig gekühlt wird. Diese Sekundär-Kühlung geschieht durch Luft oder Wasser, das auf den Strang gesprüht wird. Die Strangführungsrollen im Gießbogen sind extremen Beanspruchungen ausgesetzt und haben gleichzeitig einen großen Einfluss auf die Qualität. Am Ende des Gießbogens wird der Strang in gleichmäßigen Längen abgeschnitten. Die so entstandenen Halbzeuge – je nach Profil werden diese als Brammen oder Knüppel bezeichnet – verlassen die Anlage und können anschließend weiterverarbeitet werden. Aus ihnen entstehen in Walzwerken zum Beispiel Bleche, Profile oder Drähte.

Der Prozess muss so geregelt werden, dass die Gießgeschwindigkeit möglichst konstant ist. Außerdem muss die Temperatur der Halbzeuge nach dem Gießbogen in einem bestimmten Bereich liegen. Stellgrößen sind die Position des Gießrohrs bzw. des Stopfens, die Kühlung der Kokille und die Sekundär-Kühlung im Gießbogen. Die Temperaturen müssen gleich an mehreren Stellen erfasst werden, um die Qualität sicherzustellen. So wird etwa eine Infrarotkamera eingesetzt, um die Schlackeoberfläche im Verteiler oder der Kokille zu überwachen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Schmelze gleichmäßig abgedeckt ist und eine Reoxidation vermieden wird. Besonders anspruchsvoll ist die Temperaturmessung im Gießbogen. Da Wasser zur Kühlung auf den Strang gesprüht wird, entsteht eine große Menge Wasserdampf, der die freie Sicht auf den Strang einschränken kann. Mit der oben beschriebenen automatischen Spot-Erkennung ermitteln Infrarotkameras trotzdem zuverlässig die richtige Temperatur.

Die Halbzeuge aus dem Strangguss werden in der Regel durch Walzen weiterverarbeitet. Große Walzgerüste üben einen hohen Druck auf die Bramme aus, während sie durch sie hindurchläuft. Generell unterscheidet man zwei Methoden: Beim reversierenden Walzen durchläuft die Bramme mehrmals das gleiche Walzgerüst vor und zurück, bis die gewünschte Blechdicke erreicht ist. Ein kontinuierliches Walzwerk besteht aus mehreren hintereinander angeordneten Walzgerüsten, bei denen das Blech immer dünner gewalzt wird. Am Ende wird das Blech auf so genannte Coils aufgewickelt. In vielen Fällen werden reversierendes Walzen und kontinuierliches Walzen in einem Walzwerk hintereinander ausgeführt. Auch beim Walzen spielen die Temperaturen eine entscheidende Rolle. Die Brammen werden auf Temperaturen um 1.250 °C aufgeheizt, bevor sie die Walzgerüste durchlaufen. Die Kräfte, die in den Walzgerüsten aufgebracht werden müssen, hängen von der Temperatur ab. Gleichzeitig entscheidet die richtige Temperatur über die Materialeigenschaften des fertigen Blechs. Nach dem Aufheizen und zwischen den Walzschritten muss der oxidierte Zunder an der Oberfläche entfernt werden, um Oberflächenfehler des fertigen Blechs zu verhindern. Auch hier wird wieder Wasser eingesetzt, das mit hohem Druck auf die Stahloberfläche trifft. Um ein optimales Ergebnis zu erzielen, muss die Temperatur des Stahls während der verschiedenen Arbeitsschritte gemessen werden. Dabei herrschen ähnlich  schwierige Bedingungen wie in der Stranggussanlage. Hinzu kommt, dass sich das fertige Stahlband mit sehr hohen Geschwindigkeiten bewegt. Pyrometer und Infrarotkameras müssen die Temperatur also sehr schnell messen können. Die ebenfalls speziell für die Metallindustrie entwickelten Pyrometer CT 1M / 2M von Optris bestimmen die Temperatur innerhalb von 1 ms. Auch hier wird wieder in einem niedrigen Wellenlängenbereich gemessen. Der Effekt auf das Messergebnis durch den Zunder auf der Oberfläche des Blechs ist dadurch relativ klein.

Weitere Anwendungen

Eine Form der Weiterverarbeitung von Blechen ist das Tiefziehen. Dabei wird ein Blech mit einem Stempel in eine Matrize gedrückt. Praktisch alle Karosserieteile aus Stahl in der Automobilfertigung entstehen im Tiefzieh-Verfahren. Da auch beim Tiefziehen die Temperatur einen Einfluss auf den Prozess und auf die Qualität hat, wird diese bei vielen Anwendungen gemessen. Die Temperaturen sind hier deutlich niedriger als in den oben geschilderten Fällen und liegen für Stahl in den meisten Fällen bei rund 200 °C. Die Produktionsfrequenz ist in der Massenfertigung oft sehr hoch. Dementsprechend schnell muss auch hier wieder ein Pyrometer arbeiten. Für den Temperaturbereich bietet Optris mit dem CT 3M ein Pyrometer an, das einen Temperaturbereich von 50 °C bis 1.800 °C abdeckt und ebenfalls für den Einsatz an Metalloberflächen geeignet ist.

Bei vielen weiteren Verfahren in der Metallindustrie ist eine genaue, zuverlässige und schnelle Temperaturmessung ebenfalls enorm wichtig. Beim Gesenkschmieden kommt es etwa auf die genaue Temperatur des Halbzeugs an, um optimale Materialeigenschaften nach dem Umformen zu garantieren. In Gießereien wird die Temperatur des flüssigen Metalls während des Gießvorgangs überwacht. Auch hier ist die freie Sicht oft erschwert, da sich je nach Legierung und Zusätzen in der Schmelze Rauch bilden kann. Dies ist wiederum eine typische Anwendung für Infrarotkameras. Diese können auch verwendet werden, um Durchbrüche an der Auskleidung von Transportgefäßen von Schmelzen frühzeitig zu erkennen. Auch in Härtereien, beim Induktionsschweißen oder beim Galvanisieren müssen Temperaturen überwacht werden.

Einsatz unter schwierigen Bedingungen

In der Metallindustrie herrschen häufig extreme Bedingungen: hohe Temperaturen, Wasserdampf, Rauch und Staub sind an der Tagesordnung. Pyrometer und Infrarotkameras müssen so robust sein, dass sie diese widrigen Bedingungen problemlos überstehen. Eine Schutzart von IP65 ist in den meisten Anwendungen Pflicht. Da die Geräte oft sehr nah am Prozess eingesetzt werden, dürfen sie auch bei hohen Temperaturen keinen Schaden nehmen. Bei vielen Modellen sind Elektronik und Messkopf voneinander getrennt, so dass die Elektronik weiter entfernt bei günstigeren Umgebungsbedingungen montiert werden kann. Alternativ bietet Optris für seine Infrarotkameras das so genannte CoolingJacket an. Mit diesem wassergekühlten Gehäuse können Infrarotkameras bei Umgebungstemperaturen bis zu 315 °C eingesetzt werden. Ist die Umgebungsluft stark mit Stäuben oder Dämpfen belastet, sorgt ein Freiblasvorsatz mit Druckluft dafür, dass die Optik nicht verschmutzt.

Optris bietet für jede Anwendung in der Metallindustrie das passende Gerät zur berührungslosen Temperaturmessung an. Das Spektrum umfasst, Pyrometer, tragbare Infrarotthermometer für den mobilen Einsatz sowie verschiedene Infrarotkameras. Speziell für die Metallindustrie ausgelegte Geräte arbeiten in niedrigen Wellenlängenbereichen und minimieren so den Messfehler. Mit einer fundierten Anwendungsberatung und kostenlosen Seminaren zur Infrarotmesstechnik unterstützt das Unternehmen seine Kunden bei der Realisierung der Temperaturmessung in ihrem Prozess.

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Maik Lippe

Dipl.-Ing. Maik Lippe

Tel.: 030 / 500 197-0
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