Remote sensing Berührungslose Temperatursensoren

Transkript

1 Remote sensing Berührungslose Temperatursensoren Dennis Merten Matrikelnummer q Berührungslose Temperatursensoren Seite 1

2 1. Einführung 2. Physikalischer Hintergrund 3. Arten von Infrarotthermometern 4. Aufbau 5. Praxisbeispiel 6. Quellen Berührungslose Temperatursensoren Seite 2

3 Einführung Berührungslose Temperatursensoren Die Temperaturmessung mit Pyrometern gehört inzwischen zum Alltag in der Industrie. Portable Messgeräte ermöglichen eine schnelle Fehlerdiagnose und erleichtern die Wartung und Instandhaltung von Maschinen. Neben den Handgeräten werden auch stationäre Messgeräte zur Regelung und Überwachung von Fertigungsprozessen eingesetzt. Vorteile: - schnelle, zerstörungsfreie Messung - keine Prozessbeeinflussung - Temperaturbereich C - Messbereich auch für sehr kleine Objekte (0,2 mm) FLUKE Pyrometer - Verwendbar bei hohen Spannungen, starken elektromagnetischen Feldern, aggressive Materialien, hohen Temperaturen und bewegten Objekten Berührungslose Temperatursensoren Seite 3

5 Physikalischer Hintergrund - Temperaturstrahlung Temperaturstrahlung Jeder Körper, dessen Temperatur sich oberhalb von 0 K (- 273,15 C) befindet, strahlt Elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellenlänge ab. Der Teil der Strahlung, die durch Wärmebewegung angeregt wird, bezeichnet man als Temperaturstrahlung. Sie entsteht, bis zu einer Temperatur von 4000 C, durch Schwingungen der Atome im Raumgitter (Festkörper) oder durch Schwing- und Rotationsbewegungen (Gase). Temperaturstrahlung Trifft nun die von einem Körper ausgesandte Strahlung auf einen anderen, so wird die Strahlung entweder absorbiert, transmittiert oder reflektiert. Der Körper lässt sich also durch seinen Absorptionsgrad α, Transmissionsgrad ρ und Reflektionsgrad τ charakterisieren. Diese Größen sind wellenlängenabhängig: Ein strahlender Körper lässt sich analog charakterisieren durch seinen Emissionsgrad ε, Transmissionsgrad ρ und Reflektionsgrad τ Berührungslose Temperatursensoren Seite 5

6 Physikalischer Hintergrund - Temperaturstrahlung Temperaturstrahlung Für die Temperaturmessung ist nur der infrarote Bereich (von 0,7-14µm) interessant, da bei höheren Wellenlängen der Energiegehalt zu gering ist und die meisten Materialien für Infrarotes Licht undurchlässig sind. Somit muss neben der emittierten Strahlung nur noch die reflektierte berücksichtigt werden. Temperaturstrahlung Weiterhin kann man, falls die emittierte Strahlung vernachlässigbar klein ist (Niedertemperaturbereich), auch nur über reflektierte Strahlung eine Temperaturmessung durchführen Berührungslose Temperatursensoren Seite 6

7 Physikalischer Hintergrund Schwarzer Strahler Schwarzer Strahler Hat ein Körper den Absorptionsgrad α=1 bzw. Emissionsgrad ε=1, so spricht man von einem schwarzen Strahler. Daraus folgt, dass sein Transmissions- und Reflektionsgrad gleich 0 ist. Ein schwarzer Strahler strahlt bei jeder Wellenlänge die maximal mögliche Energie ab. 1) Keramikrohr 2) Heizung 3) Rohr aus 4) Austrittsblende Das Verhältnis von Durchmesser des Innenraumes D zu Durchmesser der Austrittsblende d bestimmt den Absorptionsgrad und somit die Qualität des schwarzen Strahlers nach folgender Formel: Berührungslose Temperatursensoren Seite 7

8 Physikalischer Hintergrund Schwarzer Strahler Plancksches Strahlungsgesetze Es beschreibt den Zusammenhang zwischen der spezifischen Ausstrahlung eines schwarzen Strahlers M λs, seiner Temperatur T und Wellenlänge λ der Strahlung. h : Plancksches Wirkungsquantum c : Lichtgeschwindigkeit k : Stefan-Boltzmann Konstante Daraus lassen sich nachfolgende Gesetze ableiten: Berührungslose Temperatursensoren Seite 8

9 Physikalischer Hintergrund Schwarzer Strahler Stefan-Boltzmann Gesetz Man erhält es durch Integration der spektralen Strahlungsintensität über alle Wellenlängen und erhält damit die gesamte, vom Körper abgegebene, Strahlungsintensität. Sie ist proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur des Körpers. R ist die in den Halbraum abgestrahlte Leistung bei der Temperatur T Berührungslose Temperatursensoren Seite 9

10 Physikalischer Hintergrund Schwarzer Strahler Wiensches Verschiebungsgesetz Man erhält es durch Differentiation des Planckschen Strahlungsgesetzes. Es gibt an, wie sich die Wellenlänge des Maximums der spezifischen Ausstrahlung mit der Temperatur ändert. Wellenlänge des Intensitätsmaximuns Aus dem Graphen des Wienschen Verschiebungsgesetz und dem des Planckschen Strahlungsgesetzes ist leicht erkennbar, dass sich das Maximum der spezifischen Ausstrahlung bei steigender Temperatur zu kleineren Wellenlängen hin verschiebt. Dies ist mit ein Grund für die Messung im Infrarotbereich Berührungslose Temperatursensoren Seite 10

11 Physikalischer Hintergrund Grauer Strahler Grauer Strahler Da in der Praxis natürlich kein Messobjekt dem Idealbild des schwarzen Strahlers entspricht, bedient man sich hier dem Modell des grauen Strahlers. Der graue Strahler wird charakterisiert durch seinen Emissionsgrad ε. Er gibt das Verhältnis zwischen der emittierten Strahlung eines solchen Körpers zur emittierten Strahlung des schwarzen Strahlers an, dessen Emissionsgrad 1 ist. Nur wenn er in einem geeignet großen Spektralbereich annähernd konstant ist, spricht man von einem grauen Strahler und nur dann gilt: Berührungslose Temperatursensoren Seite 11

12 Physikalischer Hintergrund Der Emissionsgrad Der Emissionsgrad Die Kenntnis des genauen Emissionsgrades des zu messenden Stoffes spielt deshalb eine wesentliche Rolle für die Genauigkeit der Messung. Er hängt neben der Temperatur des Körpers und der Wellenlänge der ausgesandten Strahlung auch noch von vielen weiteren Faktoren, wie z.b. Oberflächenbeschaffenheit und Werkstoff, ab. Je nach Material kann er erhebliche Schwankungen im Temperaturbereich aufweisen. Um die Messung zu vereinfachen kann man den Emissionsgrad verschiedener Stoffe aus einem Tabellenwerk entnehmen (siehe Anhang). Dieser muss vor der Messung im Pyrometer eingestellt werden und die eingestellte Kalibrierung kann mit einem schwarzen Strahler überprüft werden. Das erfolgt je nach Ausführung des Messgerätes entweder über eine Programmierschnittstelle oder über einen am Messgerät angebrachten Regler. Die preisgünstigsten Pyrometer haben jedoch einen festen Emissionsgrad (meist 0,95) und sind somit für genauere Messungen ungeeignet. Anhand des Emissiongrades kann man jeden Stoff in eine der folgenden drei Kategorien einteilen: -Metalle -Nichtmetalle -Strahlungsdurchlässige Körper Berührungslose Temperatursensoren Seite 12

14 Arten von Infrarotthermometern Einteilung nach Art der Messung: Glühfadenpyrometer Subjektive Pyrometer Hier erfolgt die Messung der Temperatur eines Körpers durch einen Intensitätsvergleich mit dem menschlichen Auge. Als Beispiel sei das Glühfadenpyrometer erwähnt. Bei dieser Bauart wird die Strahlung des Messobjektes optisch auf einen glühenden Wolframdraht abgebildet. Danach wird der Strom durch den Draht so lange verändert bis er in der abgebildeten Strahlung des Körpers verschwindet. Der Strom durch den Draht dient als Messgröße zur Bestimmung der Temperatur. Die Nachteile dieser Pyrometer sind unter anderem ein hoher Messfehler (etwa 10K) und die Tatsache, dass der Einsatz durch das menschliche Auge auf Temperaturen über 900 C beschränkt ist. Objektive Pyrometer Anstelle des menschlichen Auges wird hier ein Detektor verwendet, der in der Lage ist die Intensität der Strahlung direkt in ein verwertbares Signal zu verwandeln. Dieses Signal wird, je nach Pyrometer, in mehreren Schritten gefiltert, verstärkt und ausgewertet Berührungslose Temperatursensoren Seite 14

15 Arten von Infrarotthermometern Einteilung nach Art der gemessenen Strahlung: Teilstrahlungspyrometer Bei dieser Bauart wird die Strahlung nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich gemessen. Durch die Verwendung eines Interferenzfilters, geeigneter Detektoren und entsprechender Optik wird eine bestimmte Wellenlänge oder ein bestimmter Bereich ausgewählt. Die Teilstrahlungspyrometer werden in zwei Gruppen unterteilt: Spektralpyrometer : Es misst die Strahlung bei genau einer Wellenlänge. Anwendungsbereich ist vor allem die Messung von Glas bei 5,14µm, aber auch die Messung von Metallen im Bereich des hohen Emissionsgrades. Bandstrahlungspyrometer Hier misst man in einem schmalen Band von Wellenlängen. Angewendet werden sie unter anderem bei der Messung von organischen Stoffen im Bereich hoher Wellenlängen und somit hohem Emissionsgrad Berührungslose Temperatursensoren Seite 15

16 Arten von Infrarotthermometern Einteilung nach Art der gemessenen Strahlung: Gesamtstrahlungsspyrometer Der Aufbau eines solchen Pyrometers erlaubt es 90% der ausgesandten Strahlung einzufangen. Das stellt hohe Ansprüche an die verwendeten Linsen und Detektoren, da sie bei allen Wellenlängen gleiche Verhaltensweisen aufweisen müssen (Transparenz der Linsen, Empfindlichkeit des Detektors ). Sie finden aufgrund des komplizierten Aufbaus und hoher Fehleranfälligkeit nur noch selten Verwendung Berührungslose Temperatursensoren Seite 16

17 Arten von Infrarotthermometern Einteilung nach Art der gemessenen Strahlung: Quotientenpyrometer Quotientenpyrometer sind so ausgelegt, dass sie die Strahlung bei zwei definierten Wellenlängen messen können. Nach der Messung erfolgt eine Quotientenbildung aus beiden Signalen, wobei sich der Emissionsgrad mathematisch heraus kürzt. Dadurch ist das Messsignal nicht mehr abhängig vom Emissionsgrad des strahlenden Körpers. Vorrausetzung hierfür ist, dass die beiden gemessenen Wellenlänge nahe beieinander liegen, um einen nahezu gleichen Emissionsgrad bei beiden Messungen zu erreichen. Zusätzlich ist eine Korrektur durch einen eingebauten Quotientenkorrekturfaktor möglich Berührungslose Temperatursensoren Seite 17

19 Aufbau Optik und Fenster Elektronik Detektor Aufbau Das Blockschaltbild eines Infrarotthermometers zeigt dessen 3 grundlegenden Elemente: Optik und Fenster, Detektor und Elektronik Berührungslose Temperatursensoren Seite 19

20 Aufbau Optik und Fenster Optik und Fenster Am Anfang der Signalverarbeitungskette stehen das Fenster und die Optik. Beide müssen auf den Sensor abgestimmt werden, um die gewünschten Eigenschaften bei den gemessenen Wellenlängen zu gewährleisten. Das Fenster dient als Schutz des Sensors vor Umgebungseinflüssen und kann zusätzlich auch als Filter für ungewollte Wellenlängen verwendet werden. Aufgabe der Optik ist es, die einfallende Strahlung auf den verwendeten Detektor zu fokussieren, um dort eine möglichst hohe Intensität zu erreichen. In den meisten Fällen ist es zudem möglich Optik und Fenster des Pyrometers auszutauschen, um gewisse Eigenschaften der Optik zu verändern, wie Tiefenschärfe oder Fokus. Optik und Fenster Berührungslose Temperatursensoren Seite 20

21 Aufbau Sichtfeldbestimmung Sichtfeldbestimmung Die Optik kann nur unter einem gewissen Winkel Strahlung einfangen, dem Sichtfeld des Sensors. Um eine Verfälschung des Messsignals auszuschließen muss also gewährleistet sein, dass das Messobjekt das gesamte Sichtfeld ausfüllt, da sonst Strahlung von anderen Objekten mit erfasst wird. Es gibt viele Möglichkeiten die Größe des Messfleckes zu bestimmen, ich möchte die zwei wichtigsten kurz vorstellen: Die Mitte des Messflecks wird über ein im Gerät montierten Laserpointer markiert und die Entfernung vom Messgerät zum Messobjekt wird durch den Anwender ermittelt. Dieser kann nun aus dem Datenblatt die Größe des Messflecks in Abhängigkeit der verwendeten Optik und Entfernung ablesen. Durch mehrere Laser wird ein Fadenkreuz erzeugt, dessen Größe exakt dem des Messflecks entspricht. Die Entfernung zum Messobjekt wird wieder durch den Anwender bestimmt. Durch diese Art der Messung können weitaus höhere Genauigkeiten erzielt werden Berührungslose Temperatursensoren Seite 21

22 Aufbau - Detektor Detektor Detektor Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Detektoren, die in der Lage sind aus der Strahlungsintensität ein verwertbares Signal zu generieren. Sie lassen sich grob in zwei Kategorien aufteilen: Thermische Detektoren Die einfallende Strahlung wird gefiltert, auf einen thermischen Detektor fokussiert und erwärmt diesen. Je nach verwendetem Detektor misst man danach eine Widerstands- (Thermoelement), bzw. Volumenänderung (Bimetalldetektor, pneumatischer Detektor) oder Ladungserzeugung (TGS- Detektor). Der Nachteil dieser Detektoren liegt in ihrer geringen Genauigkeit, die durch aufwendige Optimierungsverfahren aber teilweise ausgleichbar ist. Photoelektrische-, bzw. Quantendetektoren Die Detektoren dieser Kategorie beruhen ausnahmslos auf dem Photoeffekt (äußerer oder innerer), bei dem ein einfallendes Photon geeigneter Wellenlänge ein Elektron Loch Paar erzeugt. Der resultierende Stromfluss entspricht dem Messsignal. Als Beispiel seihen hier Photodioden, Photowiderstände und Photozellen genannt. Diese Detektoren ermöglichen eine hohe Genauigkeit und geringe Ansprechzeiten. Sie sprechen aber, bedingt durch den Photoeffekt, nur auf relativ schmale Frequenzbänder der Temperaturstrahlung an und können somit nur in Teilstrahl- oder Quotientenpyrometern verwendet werden Berührungslose Temperatursensoren Seite 22

23 Aufbau - Elektronik Elektronik Elektronik In der Elektronik werden die Signale des Sensors linearisiert, verarbeitet und ausgegeben. Sie besteht je nach Ausführung des Messgerätes aus unterschiedlichen Komponenten. In allen aktuellen Messgeräten erfolgt die Verarbeitung der Messsignale digital, aus diesem Grund wird das Signal erst vorverstärkt, digital gewandelt und an einen Mikroprozessor übergeben, der die Linearisierung und Verarbeitung übernimmt. Je nach Ausführung besitzt das Messgerät ein eingebautes LCD Display und ein oder mehrere digitale oder analoge Schnittstellen zur Signalausgabe und weiterleitung. Zudem ist es bei den meisten Messgeräten möglich über mechanische Regler, Tasten am LCD Display oder über digitale Schnittstellen interne Parameter wie den Emissionsgrad einzustellen Berührungslose Temperatursensoren Seite 23

25 Praxisbeispiel Optris CT Das OPTRIS CT ist ein Pyrometer für den stationären Einsatz. Es besitzt neben dem Messkopf, in dem sich der eigentliche Sensor befindet, noch eine Auswerteelektronik mit einer Vielzahl digitaler Ausgänge. Messbereich: -40 bis 900 C Messwellenlänge: 8-14 µm Messfleck: ab 0,6 mm Ansprechzeit: 150 ms Analogausgänge: 0/4-20mA, 0-5V, 0-10V, Thermoelement Digitalschnittstelle optional: USB, RS232, RS485, CAN, Profibus DP, Ethernet Messkopf: M12x1, 28 mm lang Preis: ab 225,- Gesamtsystem Berührungslose Temperatursensoren Seite 25

26 Praxisbeispiel Besonderheiten Messkopf - Sehr kleiner Messkopf - Auswerteelektronik mit Display, 3 Tasten und programmierbaren digitalen Ausgängen - Bis zu einer Außentemperatur von 180 C ist keine K ühlung notwendig Auswerteelektronik Berührungslose Temperatursensoren Seite 26

28 Quellen Firmenschrift der Firma Optris GmbH,Berlin Seite: 2-5, 8-10 \Firmenschriften, Diplomarbeiten\OPTRIS_Grundlagen_Pyrometer.pdf Firmenschrift der Firma IMPAC Infrared GmbH, Frankfurt am Main Seite: 10, 19-23, 34 \Firmenschriften, Diplomarbeiten\IMPAC_Grundlagen_Pyrometer.pdf Fritz Lineweg : Handbuch Technische Temperaturmessung ( 1976) Seite: Verlag: vieweg ; ISBN Diplomarbeit von Andreas Sonnberger (2004) Seite: 18 Technische Universität Graz, Erzherzog-Johann-Universität \Firmenschriften, Diplomarbeiten\Andreas_Sonnberger_Diplomarbeit.pdf Berliner Zeitung, , Wirtschaftsteil \Internet\Berliner_Zeitung.html RS Components GmbH, Mörfelden-Walldorf Katalog leider nur im Internet verfügbar unter Handbuch OPTRIS CT \Datenblätter, Handbücher\OPTRIS_optris CT Handbuch.pdf Firma Optris GmbH,Berlin und Vertriebspartner kostenlose Workshops inklusive Produktschulungen \Internet\Workshop.html Zu allen im Text namentlich erwähnten Pyrometern können die Datenblätter und Handbücher unter \ Datenblätter, Handbücher eingesehen werden Berührungslose Temperatursensoren Seite 28

29 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Berührungslose Temperatursensoren Seite 29