Webinar. Infrarot-Temperaturmessung

Transkript

1 Webinar Infrarot-Temperaturmessung

2 Infrarot-Temperaturmessung In diesem Webinar lernen Sie grundlegende Dinge über die berührungslose Temperaturmessung mit Infrarot-Thermometern. Neben physikalischen Grundlagen und der Messung an sich, lernen Sie etwas über den Aufbau und die Funktion der Messtechnik sowie typische Anwendungen. 2/27

3 1. Die Vorteile der Infrarot-Temperaturmessung 3/27

4 1. Die Vorteile der Infrarot-Temperaturmessung Schnelle, berührungslose Messung der Oberflächentemperatur (vgl. Einstechmessung: Messung der Kerntemperatur durch Einstechen eines Fühlers in das Messobjekt). Einfache Temperaturerfassung selbst bei schnellen, dynamischen Prozessen. Ausgereifte, moderne Technik mit zuverlässiger Sensorik und moderner Mikroprozessor-Elektronik. Im Gegensatz zu anderen Thermometern sind mit Infrarot- Thermometern Messungen an empfindlichen Oberflächen und sterilen Produkten ebenso durchführbar, wie Messungen an gefährlichen oder schwer zugänglichen Stellen. Kostengünstige Technologie. 4/27

5 2. Physikalische Grundlagen 5/27

6 Strom Mikrowellen Röntgen-/ Gamma-Strahlen 2.1. Wärmestrahlung Frequenz Wellenlänge Frequenz Wellenlänge 8-14 µm: Bereich in dem mit Testo- Geräten gemessen wird Sichtbares Licht Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung. Alle Körper senden in Abhängigkeit ihrer Temperatur elektromagnetische Strahlung aus. Bei Ausbreitung dieser Strahlung wird Energie transportiert, dank derer man die Temperatur des Körpers berührungslos messen kann. Bei Lebensmitteln liegt das Strahlungsmaximum im infraroten Bereich von 8 14 µm Wellenlänge. 6/27

7 2.2. Emission, Reflexion, Transmission Reflexion Emission Transmission Die vom Infrarot-Thermometer erfasste Strahlung besteht aus der Emission des Messkörpers, sowie der Reflexion und der Transmission von Fremdstrahlung. Diese drei Größen können Werte zwischen 0 und 1 (bzw. zwischen 0 und 100 %) annehmen. Die Summe wird immer gleich 100 % bzw. 1 gesetzt. Die Intensität der abgegebenen Strahlung hängt von dem Emissionsgrad ε des Materials ab. Der Emissionsgrad (ε): Fähigkeit eines Materials, Infrarot- Strahlung zu emittieren (auszusenden). Der Reflexionsgrad (R): Fähigkeit eines Materials, Infrarot- Strahlung zu reflektieren. Der Transmissionsgrad (T): Fähigkeit eines Materials, Infrarot-Strahlung durchzulassen. 7/27

8 2.3. Das Messobjekt Ob Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase: Jedes Messobjekt stellt für sich einen individuellen Infrarotstrahler dar. Im Lebensmittelbereich lassen sich viele organische Produkte und Flüssigkeiten ohne besondere Maßnahmen messen. Metalle hingegen, insbesondere mit spiegelnden Oberflächen, bedürfen besonderer Betrachtung. Schwarze, graue und bunte Strahler Sind Reflexionsgrad und Transmissionsgrad gleich 0, so hat man einen idealen Messkörper, den sogenannten Schwarzen Strahler. Er setzt die gesamte aufgenommene Strahlung in abgestrahlte Energie um. Ein solch idealer Körper hat ein Emissionsvermögen von ε = 1. 8/27

9 2.3. Das Messobjekt Die meisten in der Natur vorkommenden Körper bezeichnet man als Graue Strahler. Sie weisen die gleiche Charakteristik wie Schwarze Strahler auf. Lediglich die Intensität der abgegebenen Strahlung ist geringer. Deswegen ist der Emissionsgrad kleiner als 1. Durch die korrekte Einstellung des Emissionsgrades korrigiert das IR-Thermometer diese geringere Emission. Der Emissionsgrad ist also das Verhältnis zwischen schwarzer und grauer Strahlungsintensität. Bunte Strahler sind Materialien, bei denen der Emissionsgrad von der Wellenlänge und damit von der Temperatur abhängig ist. Das bedeutet, dass ein solcher Körper z. B. bei +200 C einen anderen Emissionsgrad hat als bei +600 C. Dies gilt für die meisten metallischen Werkstoffe. 9/27

10 3. Aufbau und Funktion eines Infrarot-Thermometer 10/27

11 3. Aufbau und Funktion eines Infrarot-Thermometers Linse Sensor LCD Kernelement eines Infrarot-Thermometers ist der Infrarotsensor, der für Infrarotstrahlung im Bereich von 8 14 µm empfindlich ist. Die Infrarotstrahlung wird mit Hilfe einer Linse gebündelt, und auf den Sensor gebracht. Dieser wandelt die Infrarotstrahlung in elektrische Spannung um, die vom Verstärker angehoben und zum Mikroprozessor weitergeleitet wird. Der Prozessor verrechnet die gemessene Strahlung mit der Temperatur des Sensor-Elements und bringt das Ergebnis zur Anzeige. Da es sich im Prinzip um eine optische Messmethode handelt, muss die Linse immer staubfrei und sauber gehalten werden. 11/27

12 4. Die Infrarot-Messung 12/27

13 4.1. Der Emissionsgrad Emissionsgrad im Bereich 8-14µm Oberfläche Emissionsgrad Aluminium, blank 0,02-0,15 Aluminium, oxidiert 0,1-0,4 Beton 0,70 Eis (1mm) 0,9-0,95 le (alle Farben) 0,90 Gips 0,90 Glas 0,95 Gummi (glatt) 0,90 Kunststoff, div. (fest) 0,8-0,95) Kupfer (blank) 0,03-0,1 Kupfer, oxidiert 0,2-0,7 Lack 0,9 0,90 Lebensmittel 0,8-0,95 Papier und Pappe 0,90 Stahl, blank 0,1-0,3 Stahlplatte, matt 0,60 Der Emissionsgrad ε eines Körpers gibt an, wie viel Strahlung er im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler (Schwarzer Strahler) abgibt. Beispiel: ε = 0,5 bedeutet, dass nur 50 % der abgegebenen Strahlung von ihm selbst stammen, die anderen 50 % kommen durch Transmission oder Reflexion. Die ε-einstellung bei einem IR-Thermometer gibt dem Gerät die Grundlage zur Berechnung der richtigen Temperatur. Die berührungslose Temperaturmessung mittels Infrarot ist entscheidend davon abhängig, dass der korrekte Emissionsgrad im Gerät eingestellt wird. Emissionsgradtabellen wie diese geben den Emissionsfaktor ε einiger gängiger Metalle und Nicht-Metalle an, und dienen als Richtlinie zur Einstellung des Emissionsfaktors bei der Infrarot- Temperaturmessung: 13/27

14 4.1. Der Emissionsgrad Die meisten organischen Stoffe (z.b. Lebensmittel) haben einen Emissionsgrad von ca. 0,95. Deshalb wird dieser Wert in vielen Geräten fest eingegeben, um Messfehler durch falsch eingestellte Emissionsgrade zu vermeiden. Ist der Emissionsgrad unbekannt, kann er bei Infrarot-Thermometern, die die Möglichkeit bieten, einen externen Temperaturfühler anzuschließen, selbst ermittelt werden. 14/27

15 4.1. Der Emissionsgrad Mit einem Kontaktfühler wird die richtige Temperatur gemessen und angezeigt. Nun wird der Emissionsgrad im Gerät so lange verstellt, bis die Infrarot Messwertanzeige exakt denselben Wert anzeigt. 15/27

16 4.2. Fehlerquellen Grundregeln IR-Messung ist eine rein optische Messung: Eine saubere Linse ist Voraussetzung für eine genaue Messung. Nicht mit beschlagener Linse messen, z. B. über Wasserdampf. IR-Messung ist eine Oberflächenmessung: Immer für reine Oberflächen sorgen. Wenn sich Schmutz, Staub, Raureif usw. auf der Oberfläche befinden, wird nur die oberste Schicht gemessen. Wird z.b.: im Lebensmittelbereich in einen Kessel hinein gemessen, wird evtl. der Dampf gemessen und nicht das Lebensmittel. Nicht an Lufteinschlüssen messen. 16/27

17 4.2. Fehlerquellen Emissionsgrad und Umgebungstemperatur Es kann zu Messfehlern kommen, obwohl der Emissionsgrad richtig eingestellt ist. Bei einem Emissionsgrad kleiner 1 wird der Messwert auf der Basis Gerätetemperatur = Umgebungstemperatur hochgerechnet. Entspricht die Gerätetemperatur nicht der Umgebungstemperatur, so ist die Emissionsgrad-Korrektur des Gerätes falsch. Das heißt: Ist die Gerätetemperatur niedriger, so ist das Messergebnis zu hoch, ist die Gerätetemperatur höher, so ist das Messergebnis zu niedrig. Abhilfe: Entweder sofort messen, oder aber das Messgerät an die Umgebungstemperatur angleichen. Am besten das IR-Thermometer dort lagern, wo auch gemessen wird (Betriebstemperatur der Geräte beachten). 17/27

18 Emissionsgrad und Umgebungstemperatur In kühler Umgebung (wie hier im Wareneingang) benötigt ein Infrarot-Thermometer eine gewisse Zeit zur Angleichung. 18/27

19 Emissionsgrad und Umgebungstemperatur Werden einzelne Wärme- oder Kälte-Strahler (z. B. Heizkörper, Lampen, Kälteaggregate usw.) auf der Oberfläche des Messobjektes reflektiert, so entspricht diese Strahlung nicht der Umgebungstemperatur. Somit ist auch in diesem Fall die vom Gerät durchgeführte Emissionsgradkorrektur falsch. Abhilfe: Abschirmen solcher Strahler z. B. mit einem Karton. Dieser absorbiert diese Störstrahlen. 19/27

20 Beispiele für die Auswirkung des Emissionsgrades Beispiel 1: Messobjekt (Pizza, tiefgekühlt, T= -22 C) Emissionsgrad = 0,92 IR-Messung bei Umgebungstemperatur +22 C Fest eingestellter Emissionsgrad von 0,95 Anzeige IR-Messgerät: -21 C Das heißt, das Messgerät zeigt um ca. 1 C falsch an vernachlässigbar Bei Temperaturen kleiner der Umgebungstemperatur Zu groß eingestellte Emissionsgrade ergeben zu hohe Temperaturanzeigen Zu klein eingestellte Emissionsgrade ergeben zu niedrige Temperaturanzeigen 20/27

21 Beispiele für die Auswirkung des Emissionsgrades Beispiel 2: Messobjekt (Messingplatte oxidiert, T= +200 C) Emissionsgrad = 0,62 IR-Messung bei Umgebungstemperatur +22 C Eingestellter Emissionsgrad 0,70 Anzeige IR-Messgerät: +188 C Das heißt, das Messgerät zeigt um ca. 12 C falsch an nicht vernachlässigbar Bei Temperaturen größer der Umgebungstemperatur Zu groß eingestellte Emissionsgrade ergeben zu niedrige Temperaturanzeigen Zu klein eingestellte Emissionsgrade ergeben zu hohe Temperaturanzeigen 21/27

22 4.3. Der Messfleck Der Messfleck ist die Fläche am Messobjekt, aus dessen Bereich der 90 % der im Sensor umgesetzten Energie kommen. Der Umfeld-Einfluss (Fachbegriff SSE-Effekt = Size-of-Source- Effekt) sorgt dafür, dass besonders im Bereich von 8 14 µm, Strahlung außerhalb des Messflecks das Ergebnis beeinflussen kann. Die Auswirkungen sind besonders groß, wenn die Messtemperatur kleiner als die Gerätetemperatur ist. Deshalb sollte auf zwei Dinge besonders geachtet werden: Das Messobjekt sollte immer größer sein als der in den Unterlagen angegebene Messfleck, um unerwünschte Einflüsse aus dem Randbereich zu vermeiden. Die in den Betriebsanleitungen der IR-Thermometer angegebenen Messfleck-Diagramme gelten hauptsächlich für Messtemperaturen größer als die Gerätetemperatur. Bei Messungen an Kühlgut ist es also besonders wichtig, nicht zu weit vom Objekt entfernt zu sein. Je größer die Temperaturunterschiede zwischen Messobjekt und Hintergrund sind, desto größer sind die Auswirkungen auf das Messergebnis. 22/27

23 4.3. Der Messfleck Abhängig von der Entfernung des Messgeräts zum Messobjekt wird ein bestimmter Messbereich erfasst. Messoptik (Verhältnis Entfernung : Messbereich) rot = Laser blau = Messbereich 23/27

24 5. Infrarot-Temperaturmessung im Lebensmittelbereich 24/27

25 5. Infrarot-Temperaturmessung im Lebensmittelbereich Wareneingangskontrolle Messabstand zum Messobjekt darf nicht zu groß sein. Gerät sollte auf Umgebungstemperatur sein. Luftkondensation beim Öffnen von LKW-Kühlzellen kann das Ergebnis verfälschen. Nicht an Lufteinschlüssen messen. Bei TK-Verpackungen (Pizza, Spinat, etc.) wird immer nur die Verpackung gemessen, nicht die Ware. 25/27

26 5. Infrarot-Temperaturmessung im Lebensmittelbereich Kontrolle von Kühlregalen und Kühltheken Messfleckdurchmesser beim Messen von kleinen Verpackungen, wie z.b. Joghurt, Milch, etc. beachten. Blanke Metallfolien geben falsche Messergebnisse. Reifbildung verfälscht ebenfalls das Ergebnis. Kontrolle im Kühlraum Messabstand zum Messobjekt (z.b. Palette mit Milchprodukten) nicht zu groß. Gerät sollte auf Umgebungstemperatur sein, oder mit dem warmen Gerät sofort messen. (bevor der Angleichvorgang beginnt). 26/27

27 Webinar Infrarot-Temperaturmessung Vielen Dank