Pyrometer: Berührungslose Temperaturmessung in Industrie und Privatbereich

Pyrometer finden dank niedrigerer Preise selbst im privaten Bereich Verwendung und helfen hier ebenso wie in der Industrie bei der berührungslosen Temperaturmessung. Die Genauigkeit der Geräte ist beeinflussbar.

Pyrometer: Geräte zum Messen von Wärmestrahlung

Mithilfe der Pyrometer kann die Wärmestrahlung, die von Körper und Objekten emittiert wird, berührungslos gemessen werden. Der Temperaturbereich ist groß und bewegt sich je nach Gerät zwischen – 50 °C und + 3000 °C.

Grundlage für die Entwicklung der modernen Strahlungsthermometer war die Tatsache, dass jeder Gegenstand, der eine Temperatur von mindestens 0 Kelvin aufweist, eine Wärmestrahlung emittierten kann. Wie intensiv diese Strahlung ist und wo das Emissionsmaximum liegt, ist davon abhängig, wie kalt oder warm das Messobjekt ist.

Die Strahlung des Objekts wird durch das Pyrometer erfasst und ausgewertet, wobei es die Helligkeit verschiedener Flächen miteinander vergleicht. Ist das Messobjekt kälter als das Thermometer, gilt der Strahlungsfluss als negativ. Das wiederum bedeutet, dass das Pyrometer seinerseits Wärme auf das Messobjekt überträgt.

In der Industrie sowie in der Wissenschaft werden heute verschiedene Arten von Pyrometern verwendet, die unterschiedliche Detektoren aufweisen. Diese sind oft fest in Maschinen und Anlagen installiert und müssen besonderen Industriestandards genügen. Im Privatbereich hat sich für Pyrometer der Begriff Infrarotthermometer durchgesetzt, wenngleich es sich auch hierbei um ein Pyrometersystem handelt, das in der Regel tragbar ist.

Funktionsweise der Pyrometer

Um die Funktionsweise des Pyrometers zu erklären, ist eine differenzierte Betrachtung der einzelnen Vorgänge nötig:

• Messobjekt
  Das zu messende Objekt sendet eine elektromagnetische Strahlung aus. Diese besteht zum Teil aus Infrarotstrahlung. Das Thermometer visiert einen Messfleck an und misst die Temperatur. Der Temperaturschalter erkennt dabei berührungslos, ob es sich um eine heiße oder kalte Fläche handelt.
• Optik
  Das Infrarotthermometer sammelt die Strahlung, die das Messobjekt abgegeben hat und nimmt eine Fokussierung derselben auf einen Sensor vor.
• Sensoren
  Die Infrarotstrahlung, die auf die Sensoren auftrifft, wird umgewandelt und es entsteht ein elektronisches Signal.
• Elektronik
  Das Signal, das von den Sensoren weitergeleitet wurde, wird durch die Elektronik verstärkt und interpretiert. Danach erfolgt die Umrechnung in eine Ausgabegröße. Diese kann °C oder °F sein.
• Display
  Die Temperatur, die das Messsystem ermittelt hat, wird nun auf dem Display des Thermometers angezeigt.

Auch Wärmebildkameras funktionieren ähnlich, allerdings visualisieren sie die gemessenen Temperaturwerte und zeigen verschieden eingefärbte Flächen an.

Wichtig: Soll die Messung durchgeführt werden, muss der Emissionsgrad bekannt sein. Dieser bezeichnet die Fähigkeit des Messobjekts, Wärme abzustrahlen.

Verschiedene Arten von Pyrometern erhältlich

Es gibt mehrere verschiedene Arten von Pyrometern, wie zum Beispiel das Quotientenpyrometer. Es wird auch als Verhältnispyrometer bezeichnet und es ermittelt die Temperatur eines Objekts aufgrund der Strahlungsfarbe. Der Emissionsgrad ist hier nur von Bedeutung, wenn er stark wellenabhängig ist. Angezeigt wird die durchschnittliche Temperatur im Messfeld.

Schmalbandpyrometer werten nur einen Teil des Strahlungsspektrums aus, wobei dieser auf einen bestimmten Bereich der Wellenlängen beschränkt ist. Die Auswertung der Signale ist leichter möglich, denn der Empfindlichkeitsgrad der Sensoren ist unerheblich. Bei einem breiten Wellenlängenbereich spricht der Experte von einem Bandstrahlungspyrometer.

Erfasst das Pyrometer die Strahlung einer Oberfläche über den gesamten Spektralbereich, so gilt dieses Gerät als Gesamtstrahlungspyrometer. Diese Geräte existieren aber nur in der Theorie, denn in der Praxis gibt es nur Strahlungsempfänger und Linsen, die in einem beschränkten Wellenbereich arbeiten. Bei derart bezeichneten Modellen handelt es sich eigentlich um Bandstrahlungspyrometer. In Fachkreisen ist von Gesamtstrahlungspyrometern erst dann die Rede, wenn mindestens 90 Prozent der Ausstrahlung auswertbar sind.

Sogar glühende Objekte können mit einem Pyrometer vermessen werden. Hierbei wird ein visuelles Verfahren angewendet, bei dem das Licht einer Wolframbandlampe mit dem Messobjekt in Deckung gebracht wird. Nun wird der Strom der Lampe verändert und das so lange, bis das Bild der Lampe vor dem Messobjekt verschwunden ist. Nun ist die Bandtemperatur genauso hoch wie die Messobjekts. Eine Temperaturskala erlaubt das Ablesen der Temperatur. Die sogenannten Glühfadenpyrometer zählen zu den Vergleichspyrometern.

Korrektur des Emissionsgrads

Um mit einem Pyrometer Temperaturen messen zu können, muss der Emissionsgrad bekannt sein. Dieser hängt neben dem Material des Objekts, auch von der Wellenlänge und somit von der Objekttemperatur ab. Hohe Emissionsgrade sind bei organischen Stoffen wie Holz, Lack und Kunststoff vorhanden, auch Keramik weist einen hohen Grad an Emissionen auf.

Dies gilt aber nur für mittleres und fernes Infrarot. Blanke Metalle hingegen emittieren vorrangig bei kurzen Wellenlängen gut und weisen für nahes und mittleres Infrarot schlechte Emissionsgrade auf. Oxidierte oder eloxierte Metalle aber bringen ebenso wie lackierte Metalle deutlich höhere Emissionsgrade mit.

Einige Pyrometer, die als Handpyrometer für verschiedene Anwendungen nützlich sind, besitzen einen Temperaturschalter. Das Thermoelement kalibriert das Pyrometer für die Messung eines Materials, dessen Emissionsgrad unbekannt ist. Die Temperatur wird dann erst mit dem zusätzlichen Sensor gemessen, die Emissionsgradeinstellung wird dann solange verstellt, bis die berührungslose Messung das gleiche Ergebnis anzeigt wie der Kontaktsensor.

Anwendungsgebiete für Pyrometer

Pyrometer kommen für verschiedene Anwendungen zum Einsatz. Sie werden beispielsweise in der Prozessüberwachung und –optimierung verwendet. Auch dort, wo eine kontinuierliche Überwachung der Temperatur nötig ist und es auf das Erkennen kleiner Temperaturunterschiede ankommt, ohne eine Kontaktmessung vornehmen zu können, sind Pyrometer erste Wahl.

Sie werden unter anderem in den folgenden Bereichen eingesetzt:

• Laserprozesskontrolle
• Regelung von Temperaturen in der Produktion
• Überwachung der Erwärmung von Bauteilen
• Temperaturmessung innerhalb von Gebäuden
• Erstellen von Temperaturprofilen

Neben den Anwendungen in der Industrie hat sich das berührungslose Messen von Temperaturen auch im privaten Bereich oder in der Küche durchgesetzt. So ist die einfache Temperaturkontrolle bei der Zubereitung von Speisen und Getränken oder die Temperaturmessung in Flüssigkeiten ist möglich.

Vor- und Nachteile der Pyrometer

Die Anwendung der Pyrometer wird auf immer mehr Bereiche ausgedehnt, zumal die Geräte zahlreiche Vorteile mitbringen. Sie messen sehr schnell und Highspeed-Pyrometer können sogar die Temperaturen an vorüberziehenden Objekten messen. Die Messbereiche sind lang und durchgängig möglich, der Verschleiß der Geräte tendiert gen null. Die Genauigkeit ist sehr hoch, zumindest immer dann, wenn die Emissionsgrade der Messobjekte bekannt sind.

Der Einsatz von Pyrometern bringt gerade bei empfindlichen Objekten oder Oberflächen einen Vorteil, denn dank der berührungslosen Temperaturmessung sind Schäden an Objekten nahezu ausgeschlossen. Wichtig ist zudem die Fähigkeit der Geräte, auch bei elektromagnetischen Feldern, in aggressiven Materialien oder bei hohen Spannungen sicher zu messen.

Dennoch gibt es auch Nachteile bei diesem Messsystem. Die bereits angesprochenen Emissionsgrade müssen bekannt sein, andernfalls ist die Genauigkeit der Messungen nicht gegeben. Doch gerade bei Metallen gibt es verschiedene Emissionsgrade, die sich nach der Art der Behandlung des Metalls richten.

Ebenfalls störend auf die Messung können Reflexionen von Wärmequellen oder Licht aus der unmittelbaren Umgebung des Messobjekts wirken. Hier kann ein Gerät mit einer höheren Messwellenlänge Abhilfe schaffen.

Messung mit dem Pyrometer: Vielfältige Messfehler möglich

Die berührungslose Temperaturmessung weist natürlich eine höhere Fehleranfälligkeit gegenüber einer Kontaktmessung auf. Daher sollten die gängigen Fehlerquellen bekannt sein, um sie zu verhindern zu können.

Wichtig zu erwähnen ist hier unter anderem die Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts sowie der Übertragungsweg. Auch Schmutzpartikel in der Luft können zu falschen Messergebnissen führen. Gase und Dampf stellen in Form von Feuchtigkeit wichtige Faktoren dar, die die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen. Wichtig ist es daher, diese Störgrößen so gut wie möglich zu umgehen.

Häufig werden die Emissionsgrade falsch eingestellt. Auch wenn die meisten Materialien einen Grad von 0,95 aufweisen, weichen viele Messobjekte doch davon ab. Passen die Einstellungen nicht, werden die angezeigten Ergebnisse fehlerhaft.

Eine weitere Fehlerquelle stellt der Temperaturwechsel ohne Einhaltung einer Angleichzeit dar. Ein großer Wechsel der Umgebungstemperatur (Pyrometer wurde an einen anderen Ort mitgenommen) muss immer mit Einhaltung einer gewissen Angleichzeit verbunden werden. Dann passt sich das Pyrometer an Luftfeuchtigkeit, Raum- und Oberflächentemperaturen an. Idealerweise wird ein Pyrometer samt Zubehör immer dort gelagert, wo es eingesetzt werden soll. Bei großen Temperaturschwankungen sollte die Angleichzeit mindestens fünf Minuten betragen.

Werden zu große Abstände gewählt, wirkt sich das negativ auf die Messergebnisse aus. Beim Messen wird normalerweise ein Kegel um den Laserpunkt gemessen, der auf die zu messende Oberfläche auftrifft. Dieser sogenannte Messfleck kann aber größer sein als das Messobjekt, wenn die Entfernung zwischen Thermomeer und Objekt zu groß ist. Die Messoptik des Geräts ist die Kennziffer zur optischen Auflösung und gibt die optimale Messentfernung an. Im Zweifel lieber aus kürzerer Distanz messen als mit zu großer Entfernung!

Brillenträger kennen das Problem: Sind die Gläser beschmutzt, ist keine klare Sicht möglich. Nicht anders sieht das bei Pyrometern aus, deren Linsen schmutzig geworden oder durch das Messen über warmen Flüssigkeiten mit Wasserdampf beschlagen sind. Die Pflege ist neben dem professionellen Zubehör ein wichtiger und einfach zu beeinflussender Faktor für genaue Messergebnisse!

Dabei sollte natürlich auch die Oberfläche des Messobjektes sauber sein, denn wenn sich Schmutz auf der Oberfläche ablagert, wird zuerst die Temperatur des Drecks gemessen. In dem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Messung nicht direkt über einem Lufteinschluss im Material vorgenommen werden sollte. Luft leitet Wärme deutlich schlechter ab als andere Materialien, daher kann es sein, dass die Ergebnisse der Messungen viel zu niedrig ausfallen.

Viele der genannten Messfehler sind gerade im privaten Raum schwer zu vermeiden. Das Pyrometer, welches in der Küche eingesetzt wird, kommt zwangsläufig mit wechselnden Temperaturen und häufigen Temperaturschwankungen in Kontakt. Außerdem ist beim Messen heißer Flüssigkeiten damit zu rechnen, dass sich der Dampf auf der Linse des Messgeräts niederschlägt. Die dabei entstehenden Abweichungen sind allerdings gering und können in der Regel vernachlässigt werden. Geht es um besonders präzise Messungen, sind sie aber zu berücksichtigen!

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