In Übereinstimmung mit dem Planckschen Strahlungsgesetz gibt jeder Körper eine natürliche elektromagnetische Strahlung ab, die von der Temperatur des strahlenden Objektes, seinem Emissionsvermögen und der Wellenlänge abhängig ist. Durch die quantitative Messung dieser Strahlung kann die Temperatur des strahlenden Körpers berührungslos bestimmt werden.
Temperatur- und Spektralbereiche von Infrarot-Temperaturmessgeräten
Das Maximum der ausgesandten Strahlung liegt bei Messobjekten im Raumtemperaturbereich bei etwa 10 μm Wellenlänge. Bei höher werdenden Messtemperaturen verschiebt sich das Strahlungsmaximum zu niedrigeren Wellenlängen. Beispielsweise liegt bei einer Messobjekttemperatur von 1500 °C das Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von etwa 1,6 μm. In der industriellen Prozessmesstechnik liegen die zu messenden Temperaturen meist im Bereich zwischen -20 und 2500 °C, so dass Wellenlängen von etwa 0,8 μm bis 20 μm interessant sind. Diese Infrarot(IR)-Strahlung ist für das menschliche Auge unsichtbar. Aus diesem Wellenlängenbereich sind wegen der hohen atmosphärischen Strahlungstransparenz Spektralbereiche von
• 8 μm bis 14 μm (langwelliges Infrarot/LWIR):
Typische Messtemperaturen -20 bis 500 °C (z.B. Nichtmetalle, beschichtete Metalle)
• 3 μm bis 5 μm (mittleres Infrarot/MWIR):
Typische Messtemperaturen 100 °C bis 500 °C (z.B. Keramik, Metalle)
• 1,4 μm bis 1,8 μm bzw. 0,8 μm bis 1,1 μm (nahes Infrarot/SWIR bzw. NIR)
Typische Messtemperaturen 300 °C bis 3000 °C (z.B. Metalle, Glasschmelzen)
wichtig für die praktischen Anwendungen. Aus physikalischen Gründen soll immer so kurzwellig wie möglich gemessen werden, um emissionsgradbedingte Temperaturmessfehler zu minimieren. Auch sehr schmalbandige Wellenlängenbereiche sind von Bedeutung, beispielsweise 4,8 μm bis 5,2 μm für Messungen an Glasoberflächen wegen eines fast idealen Emissionsgrades von nahe 1 oder 3,9 μm + 0,1 μm für Messungen durch Flammen.
Große Typenvielfalt von stationären Pyrometern und Wärmebildkameras
Es gibt es viele Typen von IR-Temperaturmessgeräten, um sie optimal an die Messaufgaben anzupassen. Neben dem Messtemperatur- und Spektralbereich wird zunächst zwischen nahezu punktförmig messenden Geräten (Strahlungsthermometer oder Pyrometer) und Infrarot-Kameras (Wärmebildkameras) unterschieden. Die Messgeräte beinhalten einen IR-Sensor, eine IR-Optik sowie eine Sensorsignalverarbeitungs- und Interface-Elektronik. Alles ist in sehr kompakte Industriegehäuse eingebaut. In der industriellen Prozessmesstechnik kommen im Gegensatz zu portablen Geräten insbesondere stationäre Pyrometer und Wärmebildkameras zum Einsatz. Die Pyrometer beinhalten IR-Einelementsensoren, beispielsweise Si- und InGaAs-Fotodioden oder Thermopiles. Moderne Wärmebildkameras besitzen als Kernkomponente Infrarot-2D-Arrays, meist ungekühlte Halbleiter- oder Mikrobolometer-Arrays.
Die vielen Typen von Pyrometern und Wärmebildkameras unterscheiden sich nicht nur im Messtemperatur- und Spektralbereich, sondern auch beispielsweise bezüglich der eingesetzten IR-Optiken, eventueller Visierhilfen, der Messgeschwindigkeit, der Messgenauigkeit, der Temperaturauflösung, des Gehäusetyps einschließlich möglicher Kühlung und Luftspülung bei kritischen Umgebungsbedingungen und der elektrischen Ein- und Ausgänge. Am Beispiel einer typischen stationären Pyrometer- und Wärmebildkameraserie wird das in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt. Von besonderer Bedeutung sind zunehmend die Möglichkeiten zur Übertragung der Messwerte in lokale Netzwerke. Auch für die Parametrierung und Wartung ist die Vernetzbarkeit immer wichtiger.
Einbindung in lokale Netzwerke
Die Integration von PYROSPOT Pyrometern der Firma DIAS Infrared in lokale Netzwerke ist jetzt einfach möglich. Die zu vernetzenden Pyrometer können mit der neuen Ethernet Interface-Box DCUIoP direkt mit einem LAN verbunden werden. Sie sind damit sowohl für die IP-basierte Datenübertragung zum Endgerät als auch für den Datenaustausch auf Web-Seiten Basis geeignet.
Wenn mehrere PYROSPOT Pyrometer mit RS-485-Schnittstelle mit der Ethernet Interface-Box DCUIoP verbunden werden, ist es erstmals möglich mehrere Pyrometer über einen Anschluss unter einer IP-Adresse zu betreiben. Darüber hinaus wird die Zusammenschaltung von Pyrometern durch den eingebauten Web-Server deutlich vereinfacht. Die optionale drahtlose Verbindung (WLAN, Bluetooth in Vorbereitung) ermöglicht außerdem mittels der Web-Browser von Smartphone oder Tablet die Inbetriebnahme, Wartung und Vorortkontrolle unkompliziert durchzuführen. Die Messwertübertragung per IP/TCP kann direkt mit der Betriebs- und Auswertesoftware PYROSOFT Spot für Pyrometer erfolgen.
An eine Ethernet Interface-Box können bis zu 32 Pyrometer angeschlossen werden. Entfernungen bis zu 30 m zwischen den angeschlossenen Pyrometern und der DCUIoP sind möglich. Die Stromversorgung kann über Power-over-Ethernet (PoE) oder über eine separate 24 V DC Einspeisung erfolgen. Es können bis zu 8 Pyrometer über PoE oder bis zu 16 Pyrometer über die separate Einspeisung mitversorgt werden. Der integrierte Web-Server ermöglicht die Pyrometerparametrierung und liefert unter anderem Informationen zum Gerätestatus (ID, IP-Adresse usw.), die Anzahl und Art der angeschlossenen Pyrometer, den Messwertverlauf aller Pyrometer über die letzten Minuten, Dokumentationen und die Möglichkeit das Videobild eines auswählbaren Pyrometers anzuzeigen.
Auch die DIAS-Wärmebildkameras PYROVIEW und IR-Linienkameras PYROLINE nutzen das Internetprotokoll (IP) für die Übertragung von Messdaten, aber auch für das Controlling der Kameras sowie für Service und Wartung. Insbesondere für die letzten beiden Funktionen steht ein eingebauter Web-Server zur Verfügung, der parallel zur Messdatenerfassung von jedem Webbrowser aufgerufen werden kann. Im Web-Server werden das IR-Bild des aktuellen Prozesses und Informationen über die technischen Daten und den aktuellen Betriebszustand der Kamera dargestellt. Treten Unregelmäßigkeiten auf oder kommt es zu Problemen, kann direkt eingegriffen werden. Bestimmte Einstellungen am Gerät können vorgenommen werden. Aus Sicherheitsgründen erfolgt das passwortgeschützt. DIAS-Infrarotkameras melden selbstständig, ob bestimmte Wartungen nötig sind oder Fehlfunktionen vorliegen. Sollte das der Fall sein, gibt es über den integrierten Web-Server beispielsweise die Möglichkeit einer Fernwartung. Ebenfalls ist es möglich per Remote ein Firmware-Update einzuspielen. Der große Vorteil ist, dass die Kamera nicht abgebaut und verschickt werden muss. So können Aktualisierungen kostengünstiger und komfortabler vorgenommen werden. Wichtige Anleitungen und technische Dokumentationen sind papierlos ebenfalls im integrierten Web-Server hinterlegt. Lästiges Suchen und Blättern entfällt, da auch in den PDFs gesucht werden kann.
Der Einsatz von berührungsloser Temperaturmesstechnik muss wegen der verschiedenen beeinflussenden Faktoren und großen Vielfalt an Geräten gründlich geplant werden. Eine entsprechende Beratung ist in den meisten Fällen sinnvoll um mögliche Messfehler und Fehlanschaffungen zu vermeiden.
