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Trends in der berührungslosen Meßtechnik

Pyrometrische Temperaturmessung
Trends in der berührungslosen Meßtechnik

Trends in der berührungslosen Meßtechnik
Abb. 4 Temperaturmessung in einer Brennkammer
Die Einhaltung enger Produkttoleranzen und die Aufzeichnung prozeßentscheidender Größen stellen hohe Anforderungen an die Meßtechnik. Mit Hilfe der pyrometrischen Temperaturmessung lassen sich schnelle Temperaturänderungen auch an unzugänglichen Stellen sowie kleinen und bewegten Objekten bestimmen.

Abb. 1 Pyrometer mit integrierter Videokamera H

Abb. 2 Tragbares, Ex-zugelassenes Kombithermometer E
Abb. 3 Messung der durchlaufenden Produkte innerhalb eines IR-Trockners
Abb. 4 Temperaturmessung in einer Brennkammer
Die Einhaltung enger Produkttoleranzen und die Aufzeichnung prozeßentscheidender Größen stellen hohe Anforderungen an die Meßtechnik. Mit Hilfe der pyrometrischen Temperaturmessung lassen sich schnelle Temperaturänderungen auch an unzugänglichen Stellen sowie kleinen und bewegten Objekten bestimmen.
Die Temperatur ist in vielen Produktionsprozessen eine der entscheidenden physikalischen Prozeßgrößen. Ob die Messung berührend oder berührungslos durchzuführen ist, ist abhängig davon, mit welchem Verfahren sich die Meßaufgabe besser und effizienter lösen läßt. Für die pyrometrische Temperaturmessung sprechen folgende Vorteile:
? Erfassung schneller Temperaturänderungen im Millisekundenbereich,
? Messung an bewegten Objekten wie Meßgut auf einem Förderband,
? Messung an schwer oder nicht zugänglichen Stellen,
? Messung an empfindlichen Objekten wie Papierbahnen oder Lacke ohne Zerstörung der Oberfläche,
? Messung an kleinsten Objekten ohne Meßverfälschung durch Wärmeentzug sowie
? verschleißfreie Messung.
Sensibilität des Meßverfahrens
Die berührungslose Temperaturmessung ist ein sehr anspruchsvolles Meßverfahren. Nicht selten werden Pyrometer falsch eingesetzt und aufgrund von Fehlmessung kurze Zeit später wieder demontiert. Der unter Laborbedingungen in der Anleitung oder Literatur angegebene theoretische Wert des einzustellenden Emissionsgrades beispielsweise, unterscheidet sich zum Teil sehr von dem in der Praxis einzustellenden Wert, da die Umgebungsbedingungen einen maßgeblichen Einfluß auf die Messung haben können. Die Meßunsicherheit bei unsachgemäßer Installation und Einstellung übersteigt schnell um ein Vielfaches die Meßunsicherheit des Pyrometers selbst. Neben den gerätespezifischen Auswahlkriterien, wie Wellenlänge, Meßbereich oder optische Auflösung ist auch die Wahl des für die jeweilige Meßaufgabe erforderlichen Zubehörs und der Armaturen sehr entscheidend.
Digitale Signalverarbeitung
Immer häufiger wird auch bei den preiswerteren Geräten die digitale Signalverarbeitung eingesetzt. Mikroprozessorgesteuerte Pyrometer bieten mehr Möglichkeiten in der Meßwertaufbereitung und der Implementierung von Zusatzfunktionen. Die Meßgenauigkeit und die Umgebungstemperaturkompensation wird durch einen deutlich höheren Linearisierungsgrad merklich verbessert.
Auch im reinen Sensorbereich ist die Entwicklung nicht stehen geblieben. Mittlerweile werden InGaAs-Photodioden eingesetzt, die im Vergleich zu früher verwendeten Ge-Dioden eine deutlich größere Meßspanne, beispielsweise 200 bis 2000 °C, zulassen und keiner Drifterscheinung unterliegen. Zudem werden photoelektrische Gleichlichtsensoren bis zu einer Wellenlänge von 2 bis 2,6 µm eingesetzt, die niedrige Anfangstemperaturen zulassen und weniger tageslichtempfindlich sind. Die Bauform ist durch die Miniaturisierung der elektronischen Bauteile weiter geschrumpft und wird durch die erforderliche Brennweite der Optik begrenzt. Durch den Einsatz von Mikroprozessoren lassen sich intelligente Funktionen realisieren. Beispielsweise bewirkt eine adaptive Mittelwertfunktion, daß sich die Mittelungszeit den Meßbedingungen anpaßt. Bei asynchronen Vorgängen wird automatisch ein Meßobjekt erkannt und die Messung autark durchgeführt. Der Trend im industriellen Bereich geht hin zur Ankopplung an den Profibus und Anschluß an ein Prozeßleitsystem. Ob die Hardware der Schnittstelle im Pyrometer noch implementierbar ist oder am Markt vorhandene Koppelelektroniken eingesetzt werden, wird sich noch zeigen.
Anforderungen an die Optik
Auch die Anforderung an die Abbildungsqualitäten der Optik ist mit der Entwicklung neuer Produktionsverfahren gestiegen. Pyrometer mit Durchblickvisier und fokussierbarer Wechseloptik haben sich in Forschungs- und Entwicklungsbereichen als sehr vorteilhaft erwiesen. Die Durchblickoptik mit eingespiegelter Meßfleckmarkierung zur Darstellung der wahren Meßfleckgröße ermöglicht eine exakte Ausrichtung auch bei kleinen Meßobjekten. Durch die Fokussierbarkeit lassen sich die Pyrometer optimal auf die Meßentfernung einstellen. Um Abbildungsfehler zu vermeiden, ist darauf zu achten, daß die Geräte mit einem korrigierten Linsensystem für den sichtbaren und infraroten Bereich ausgestattet sind.
Der Einsatz von Pyrometern mit integrierter Videokamera ermöglicht eine externe Überwachung der Meßumgebung und Kontrolle der Ausrichtung des Pyrometers, beispielsweise von der Schaltwarte aus. Gerade bei schlecht zugänglichen Montageorten oder in geschlossenen Anlagen sorgt die Videoüberwachung für eine größere Betriebssicherheit und einen geringeren Wartungsaufwand.
Im Handgerätebereich werden vielfach Kombimeßgeräte, die zwei Meßverfahren in einem Gerät vereinen, eingesetzt. Für die schnelle Kontrollmessung erfaßt das Gerät die Temperatur berührungslos. Bei Auffälligkeiten erfolgt eine präzise Überprüfung mittels Einsteck- oder Oberflächenfühler. Dieses Verfahren spart sehr viel Zeit und verringert die nach der Kontaktmessung zu entsorgende Ausschußware. Die Kombimeßgeräte für Meßbereiche von -30 bis 600 °C gibt es auch mit der Zulassung für den Einsatz in explosionsgefährdeter Atmosphäre. Zur hochpräzisen und abstandsunabhängigen berührungslosen Temperaturmessung werden nach wie vor Farb- bzw. Intensitätsvergleichspyrometer eingesetzt. Durch ein neues optisches Verfahren und den Einsatz von Mikroelektronik ist das Auswechseln der Lichtquelle ohne aufwendige Nachkalibrierung möglich.
Einsatz in derIndustrie
Vermehrt werden bei der industriellen Fertigung Laser zur Wärmebehandlung, Schneiden, Härten oder Beschriften eingesetzt. Die Temperatur hat dabei einen großen Einfluß auf die Qualität des Prozesses. Neueste Sensoren und optische Filter bieten die Möglichkeit, auch bei kurzwelligen Nd-YAG oder Diodenlasern, die Temperatur per Pyrometer zu erfassen.
Bei der Herstellung von gepreßten Tabletten wird das Ausgangsmaterial in einem Gefäß vermischt und getrocknet. Eine Unterbrechung des Misch- und Trocknungsprozesses wirkt sich ungünstig auf die Konstanz der Produktqualität aus. Zudem ist für eine reproduzierbare Kontaktmessung stets die gleiche Einstecktiefe einzuhalten. Das Pyrometer erfaßt kontinuierlich die Materialtemperatur ohne Unterbrechung des Prozesses. Die Regelung erfolgt automatisch über die SPS. Vergleichbare Anwendungen sind die Trocknung von Dragees in Trommeltrocknern oder die Herstellung von Wachsen. Auch bei der Produktion von Salben in Rührkesseln werden Pyrometer eingesetzt, um die beim Kneten entstehende Wärme zu kontrollieren.
In Crack- und Clausanlagen oder Reaktoren kommen ebenfalls Pyrometer zur Anwendung, um die Prozeßtemperatur aus sicherer Entfernung zu überwachen. Bei der Sinterung von Hochtemperaturkeramiken, der Züchtung von Kristallen oder der wärmetechnischen Behandlung von Wafern werden Pyrometer wegen der schwierigen Zugänglichkeit und der teils hohen Temperaturen verwendet.
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