Pyrometer 1 Das Pyrometer ist ein Strahlungsthermometer, dass zur berührungslosen Temperaturmessung verwendet wird. Mit einem Pyrometer kann man Temperaturen zwischen -50 C und +3500 C gemessen werden. Die Eigenschaft, dass jeder Gegenstand, in Abhängigkeit von seiner Temperatur, Infrarot-Strahlung abstrahlt macht man sich bei der berührungslosen Temperaturmessung zu Nutze. Die Infrarot-Strahlung wird vom Pyrometer erfasst und ausgewertet. Als Detektoren werden thermische (pyroelektrische Sensoren, Thermoelemente) oder photoelektrische (Fotodioden) Sensoren verwendet. Abb.1: Aufbau eines Pyrometers Laborpyrometer Pyrometer Pyrometer 1 IR-Sensor CT Messkopf 20:1 Pyrometer 2 Messkopf 15:1 Spektralbereich 8-14 :m 8-14 :m Messbereich -40-900 C -40-400 C Genauigkeit 2 ±1% oder ±1C ±1% oder ±1C Reproduzierbarkeit 1 ±0,5% oder ±0,5C ±0,5% oder ±0,5C Temperaturauflösung 0,1C 0,1C Ansprechzeit 150ms 150ms Emissionsgrad 0,1-1 / eingestellt 0,85 0,1-1 / eingestellt 0,95 (Glas) 1 Autorenkollektiv der IMPAC Infrared GmbH 2 Der jeweils größere Wert gilt
Optiken der Pyrometer Laboreigenbau Kalibrierung Jedes Pyrometer wird vor seiner Auslieferung vom Hersteller kalibriert. Ein entsprechendes Prüfzertifikat liegt dem Pyrometer bei. Um über lange Zeit genaue Messwerte zu gewährleisten, müssen Pyrometer regelmäßig überprüft und bei einer unzulässigen Abweichung nachkalibriert werden. Dazu benötigt man einen Schwarzkörperofen. Dessen Hohlraum sollte mindestens die sechsfache Länge seines Durchmessers haben, da durch Mehrfachreflexionen im Hohlraum ein Emissionsgrad von nahezu 1 erreicht wird. Die Innenoberfläche des Hohlraums wird gleichmäßig beheizt, und das zu kalibrierende Pyrometer auf den angezeigten Wert des geeichten Vergleichsthermometers eingestellt. Abb.: 2 Typischer Aufbau eines Kalibrierstrahlers
Emissionsgradbestimmung Wie bereits oben erläutert, hat der Emissionsgrad einen starken Einfluss auf das Messergebnis. Es ist also notwendig, diese Größe für das entsprechende Material in hinreichender Genauigkeit zu kennen. Es gibt mehrere Verfahren, den Emissionsgrad messtechnisch zu ermitteln. Es gibt Materialtabellen, in denen man Emissionswerte für die verschiedensten Materialien nachschlagen kann. Für Metalle sind die Angaben jedoch meist nur qualitativ. Die Temperatur des Messobjekts wird mit einem Berührungsthermometer bestimmt. Das Pyrometer wird auf das Messobjekt gerichtet, anschließend wird der Emissionsgradsteller so justiert, dass beide Geräte den gleichen Temperaturwert anzeigen. Um dieses Verfahren anwenden zu können, muss das Messobjekt ausreichend groß und zugänglich sein. Ein Teil der Oberfläche des Messobjekts wird mit einem Speziallack oder Ruß geschwärzt, dessen Emissionsgrad annähernd 1, genau bekannt und bis zur zu messenden Temperatur stabil ist. Mit dem Pyrometer wird die Temperatur der geschwärzten Fläche gemessen. Anschließend wird das Pyrometer auf die unbehandelte Oberfläche gerichtet. Der Emissionsgradsteller ist dann so einzustellen, dass der Temperaturwert der Wert der vorigen Messung angezeigt wird. Tabelle 1: Emissionsgrad von verschiedenen Materialien Atmosphärische Fenster Die zum Pyrometer gelangende Strahlung durchtritt ein Medium, das in der Regel die Atmosphäre ist. Deshalb sind die Spektralbereiche von Qualitätspyrometern so gewählt, dass die Temperaturmessung durch die Atmosphäre nicht beeinflusst wird. Diese Bereiche werden als atmosphärische Fenster bezeichnet. In diesen Fenstern gibt es keine Absorptionsbanden von Wasserdampf und Kohlendioxid in der Luft, so dass Messfehler durch den Einfluss von Luftfeuchtigkeit oder durch Änderung des Messabstandes von vornherein ausgeschlossen sind. Bild 13 zeigt die spektrale Lage dieser atmosphärischen Fenster im Vergleich zu der Transmission von Luft in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
2 Detektoren Silizium Im Spektralbereich, der in Bild 2 durch 1 gekennzeichnet ist, lassen sich Temperaturen ab ca. 550 C messen. Pyrometer, die mit Siliziumdetektoren ausgerüstet sind, messen die Strahlung in diesem Fenster. Dieser Spektralbereich wird insbesondere zur Messung an Metallen verwendet. Germanium / InGaAs Im Fenster 2 lassen sich Temperaturen ab ca. 250 C messen. Verwendet werden Germaniumoder Indium-Gallium-Arsenid-Detektoren (InGaAs) in Verbindung mit optischen Filtern. Haupteinsatzgebiet ist die Messung an Metallen. Bleisulfid m Fenster 3 können Temperaturen ab 50 C gemessen werden. Es werden Bleisulfid-Detektoren (PbS) in Verbindung mit einem optischen Filter verwendet. Dieser Spektralbereich wird zur Messung von Metallen mit niedrigen Temperaturen eingesetzt.
Blei-Selenid Im Fenster 4 können Temperaturen ab ca. 30 C gemessen werden. Es eignet sich besonders zur Temperaturmessung an Messobjekten hinter Flammen oder an Glas mit einer Eindringtiefe von ca. 20 mm. Es wird von Pyrometern benutzt, die mit Blei-Selenid- Detektoren (PbSe), Thermopiles oder pyroelektrischen Detektoren in Verbindung mit einem optischen Filter arbeiten. Thermopile pyroelektrisch Im Fenster 5 können Temperaturen ab ca. 100 C gemessen werden. Es eignet sich besonders für Temperaturmessungen an Glasoberflächen mit einer Eindringtiefe von nur 0,7 mm. Es wird von Pyrometern benutzt, die mit Thermopiles oder pyroelektrischen Detektoren in Verbindung mit einem optischen Filter arbeiten. Im Fenster 6 können Temperaturen ab ca. -50 C gemessen werden. Es wird von Pyrometern benutzt, die mit Thermopiles oder pyroelektrischen Detektoren in Verbindung mit einem optischen Filter arbeiten. Verwendet wird es für die Messung an organischen Materialien. Pyroelektrischer Sensor Ein pyroelektrischer Sensor besteht aus einem dielektrischen bzw. pyroelektrischen Material. In dem polarisierten Kristall entsteht bei Wärmeeinstrahlung ein Temperaturunterschied, der die Polarisation des Materials ändert und damit eine Ladungstrennung auslöst. Man spricht vom pyroelektrischen Effekt. Dieser äußerst sich als Potentialdifferenz. Das Signal lässt sich verstärken und auswerten. Als pyroelektrische Materialien werden Einkristalle, wie Triglyzinsulfat (TGS) und Lithiumtantalat (LiTaO3) oder spezielle Keramiken, wie Blei-Zirkion-Titanat (PZT) und Barium-Strontiumniobat (BSN) verwendet. Thermopile (Thermosäule) Wird die Verbindungsstelle zweier verschiedener Materialien (meist Metalle) erwärmt entsteht an den offenen Enden eine Spannung, die sogenannte Thermospannung. Die Ursache dafür ist der thermoelektrische Effekt (auch als Seebeck-Effekt bekannt). Bei einer Verbindungsstelle spricht man von Thermoelementen. Besteht das empfindliche Element aus mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen, bezeichnet man den Sensor als Thermopile (in Deutschland auch Thermosäule). Übliche Metallkombinationen sind : Fe-Konstantan, CrNi-Ni, CrNi-Konstantan, PtRh-Pt, Sb-Bi. Für integrierte Thermopiles wird die Kombination dotiertes Polysilizium und Aluminium verwendet. Tabelle 2: Differentielle Thermospannung ausgewählter Materialkombinationen Materialkombinationen Thermospannung in µv/k Fe-Pt 18 Ni-Pt 18 Fe-Ni 36 Al-Si 250 Cu-Konstantan 40
Optik/Linsen Einer der wichtigsten Bestandteile eines Pyrometers ist die Optik. Werden Linsen verwendet, so muss das Material an die spektralen Eigenschaften des Detektors angepasst sein. Es muss im Spektralbereich des Pyrometers, der vom Messbereich und vom Messobjekt bestimmt wird, durchlässig sein. Kronglas (BK7) wird bei Pyrometern eingesetzt, die im kurzwelligen Bereich messen (bis 2,7 µm). Kronglas ist sehr stabil, resistent gegen Chemikalien und gut zu reinigen. Wasserfreies Quarzglas (Infrasil) wird ebenfalls bei kurzwellig messenden Pyrometern (bis 3 µm) eingesetzt. Calciumfluorid (CaF2, Flußspat) wird insbesondere zur Temperaturmessung an Glas eingesetzt. Es ist bis 10 µm einsetzbar und hat einen hohen Transmissionsgrad. Germaniumlinsen sind für langwellig messende Pyrometer bis 18 µm geeignet und werden für den gewünschten Bereich entspiegelt. Sie sind im sichtbaren Bereich undurchsichtig. Kunststofflinsen werden für einfache Pyrometer verwendet: Sie reagieren allerdings empfindlich auf Reinigungsmittel und verkratzen leicht. Außerdem vertragen sie keine hohen Umgebungstemperaturen.