Messprinzipien und Anwendungsbeispiele von Infrarot-Thermometern
Die Verwendung eines Infrarot-Thermometers zur berührungslosen Temperaturmessung bietet viele Vorteile, von kleinen oder schwer erreichbaren Objekten bis hin zu korrosiven Chemikalien und empfindlichen Oberflächenmaterialien. In diesem Artikel wird auf diesen Vorteil eingegangen und der Anwendungsbereich bei der Bestimmung der richtigen Wahl des Infrarot-Thermometers erläutert. Aufgrund der Bewegung von Atomen und Molekülen sendet jedes Objekt elektromagnetische Wellen aus, und die wichtigste Wellenlänge bzw. der wichtigste Spektralbereich für die berührungslose Temperaturmessung liegt zwischen 0,2 und 2,0 μ M. Die Natürliche Strahlen in diesem Bereich werden als Wärmestrahlung oder Infrarotstrahlung bezeichnet.
Das Prüfgerät zur Temperaturmessung durch die Infrarotstrahlung des Messobjekts wird nach der deutschen Industrienorm DIN16160 als Strahlungsthermometer, Strahlungsthermometer oder Infrarot-Thermometer bezeichnet. Diese Namen gelten auch für Instrumente, die die Temperatur mithilfe sichtbarer farbiger Strahlen messen, die vom Messobjekt emittiert werden, sowie für Instrumente, die die Temperatur aus der relativen spektralen Strahlungsdichte ableiten.
Vorteile der Temperaturmessung mit Infrarot-Thermometern
Die berührungslose Temperaturmessung durch den Empfang von Infrarotstrahlung vom Messobjekt bietet viele Vorteile. Auf diese Weise können problemlos Temperaturmessungen an schwer zugänglichen oder bewegten Objekten durchgeführt werden, beispielsweise bei Materialien mit schlechter Wärmeübertragungsleistung oder sehr kleiner Wärmekapazität. Durch die kurze Reaktionszeit des Infrarot-Thermometers kann schnell eine effektive Anpassung des Stromkreises erreicht werden. Das Thermometer enthält keine Komponenten, die verschleißen können, sodass keine laufenden Kosten wie bei der Verwendung eines Thermometers entstehen. Insbesondere bei sehr kleinen Messobjekten, wie beispielsweise bei der Kontaktmessung, führt die Wärmeleitfähigkeit des Objekts zu erheblichen Messfehlern. Es besteht kein Zweifel, dass Thermometer hier ebenso eingesetzt werden können wie bei korrosiven Chemikalien oder empfindlichen Oberflächen, etwa auf Lack-, Papier- und Kunststoffbahnen. Durch die ferngesteuerte Messung ist es möglich, sich von gefährlichen Bereichen fernzuhalten, sodass für das Bedienpersonal keine Gefahr besteht.
Prinzip und Aufbau des Infrarot-Thermometers
Fokussieren Sie das vom Messobjekt empfangene Infrarot durch eine Linse und einen Filter auf den Detektor. Der Detektor erzeugt durch Integration der Strahlungsdichte des Messobjekts ein temperaturproportionales Strom- oder Spannungssignal. In den angeschlossenen elektrischen Komponenten wird das Temperatursignal linearisiert, der Emissionsgradbereich korrigiert und in ein Standardausgangssignal umgewandelt.
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Temperaturdetektoren: tragbare Temperaturdetektoren und stationäre Temperaturdetektoren. Daher sind bei der Auswahl eines geeigneten Infrarot-Temperaturdetektors für verschiedene Messpunkte die folgenden Eigenschaften im Vordergrund:
1. Kollimator
Der Kollimator hat diese Funktion und der Messblock oder Punkt, auf den sich das Thermometer bezieht, ist sichtbar. Große Bereiche des Messobjekts können oft ohne Kollimator auskommen. Bei der Messung kleiner Objekte und weiter Entfernungen empfiehlt sich die Verwendung eines Visiers in Form eines transparenten Spiegels mit Armaturenbrettskala oder eines Laserzielpunkts.
2. Objektiv
Die Linse bestimmt den Messpunkt des Thermometers. Für große Objekte reicht in der Regel ein Thermometer mit fester Brennweite aus. Wenn der Messabstand jedoch weit vom Brennpunkt entfernt ist, ist das Bild der Kante des Messpunkts unklar. Aus diesem Grund ist es besser, ein Zoomobjektiv zu verwenden. Innerhalb des vorgegebenen Zoombereichs kann das Thermometer den Messabstand anpassen. Das neue Thermometer verfügt über ein austauschbares Objektiv mit Zoom, und die Nah- und Fernlinsen können ohne Kalibrierung und erneute Inspektion ausgetauscht werden.
3. Sensoren, also Spektralempfänger
Bei der Auswahl der spektralen Empfindlichkeit sollten auch die Absorptionsspektralbänder von Wasserstoff und Kohlendioxid berücksichtigt werden. Innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs, dem sogenannten „atmosphärischen Fenster“, durchdringen H2 und CO2 nahezu Infrarotlicht. Daher muss die Empfindlichkeit des Thermometers gegenüber Lichtschwankungen in diesem Bereich liegen, um den Einfluss von Änderungen der atmosphärischen Konzentration auszuschließen. Bei der Messung von dünnen Filmen oder Glas müssen auch die Materialien berücksichtigt werden, die innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs nicht leicht durchdringbar sind. Um Messfehler durch Hintergrundlicht zu vermeiden, werden entsprechende Sensoren eingesetzt, die nur die Oberflächentemperatur erfassen. Metalle haben diese physikalische Eigenschaft und der Emissionsgrad nimmt mit abnehmender Wellenlänge zu. Erfahrungsgemäß wird bei der Messung der Temperatur von Metallen im Allgemeinen eine kürzere Messwellenlänge gewählt.
