Berührungslos Temperatur mit Spezialthermometern messen

Die Temperatur ist die physikalische Größe, die mit am häufigsten gemessen wird. Das gilt vor allem in der Industrie, wo Fertigungsprozesse auf perfekte Einstellungen abgestimmt sind.

Messung der Temperatur: Präzise Daten erwünscht

Es geht bei der Messung der Temperatur nicht nur darum, ungefähr zu wissen, wie viel Grad gerade in einer Flüssigkeit oder während eines Produktionsprozesses herrschen. Vielmehr ist die Temperatur ein Indikator dafür, ob ein Produkt gut oder weniger gut hergestellt wird und ob sich die Maschine in einem ordnungsgemäßen Zustand befindet. Erhöhte oder zu niedrige Temperaturen sind ein Hinweis auf Mängel oder nötige Reparaturen.

Wird die Temperatur präzise und dauerhaft überwacht, können Produktivität und Qualität der hergestellten Produkte gesteigert werden, außerdem reduzieren sich Stillstandszeiten aufgrund rechtzeitiger Wartungsarbeiten und Reparaturen. Fertigungsprozesse laufen dauerhaft unter optimalen Bedingungen ab, wobei nicht nur Temperaturen zu überwachen sind, sondern beispielsweise auch Wasserdampf mithilfe eines Hygrometers sowie weitere Daten. Außerdem sind Temperaturen im gesamten Arbeitsbereich zu überwachen, denn auch der Faktor Mensch muss in der Produktion berücksichtigt werden und soll optimale Arbeitsbedingungen haben.

Infrarot ist in dem Zusammenhang keine wirkliche Neuheit, denn diese Technologie wird bereits seit vielen Jahren erfolgreich in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Dennoch haben Infrarotthermometer ständig neue Entwicklungen erfahren und wurden damit deutlich zuverlässiger. Neue Anwendergruppen und Einsatzbereiche sind auch dadurch entstanden, dass Sensoren immer kleiner und zuverlässiger wurden.

Es geht bei der Messung der Temperatur nicht nur darum, ungefähr zu wissen, wie viel Grad gerade in einer Flüssigkeit oder während eines Produktionsprozesses herrschen. (#01)

Vorteile durch berührungslose Temperaturmessung

Die berührungslose Messung der Temperatur per Infrarot birgt viele Vorteile, die die Industrie für sich zu nutzen weiß:

schnelle und präzise Messung
mehrere Messungen in kurzen Zeitabständen möglich
Messung an gefährlichen Objekten möglich
Messung an schwer zugänglichen Stellen und an bewegten Objekten möglich
hohe Temperaturen von über 1300 Grad Celsius messbar (hier nur kurze Lebensdauer von Kontaktthermometern)
kein Entziehen von Energie beim Messobjekt (rückwirkungsfreie Messung), daher hohe Messgenauigkeit
hygienische Messung ohne mechanische Einwirkung
oberflächenschonende Messung ohne Verschleiß möglich

Um diese Vorteile nutzen zu können, müssen die Messobjekte eine Reihe von Ansprüchen erfüllen. Zum einen muss das Messobjekt sichtbar sein, starke Staub- und Rußentwicklung verhindern die natürliche Messung. Der Messkopf des Thermometers muss vor Staub und Flüssigkeiten, die darauf kondensieren können, geschützt werden.

Dies ist über geeignetes Zubehör des Herstellers möglich. Besonders empfehlenswert sind Quotientenpyrometer, die eine genaue Messung auch in ungünstigen Messumgebungen zulassen. Zu beachten ist des Weiteren, dass lediglich die Oberflächentemperaturen gemessen werden können, dafür sind hier Toleranzbereiche von bis zu 3000 Grad Celsius möglich.

Angesichts der Tatsache, dass die Elektromobilität zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist es nur allzu verständlich, dass die Forschung auch den Bereich der Temperatur berücksichtigt. Batterie, Motor, Bordelektronik und Ladestecker sind auf eine zuverlässige Temperaturkontrolle angewiesen.(#02)

Temperatur mit dem Infrarotthermometer messen: So funktioniert das Messsystem

Damit jeder Messwert präzise gemessen und angezeigt wird, muss ein funktionierendes und hochkomplexes System zur Anwendung kommen. Dieses ist am besten mit dem Auge des Menschen zu vergleichen. Die Optik des Thermometers ist die Linse des Auges. Darüber wird der Photonenfluss des Objekts aufgenommen und weitergeleitet.

Dieser Photonenfluss ist die Strahlung, die jedes Objekt abgibt und die zur lichtempfindlichen Schicht (beim Auge die Netzhaut) gelangt. Dort wandelt das „System Auge“ die Strahlung in ein Signal um, dieses wiederum erreicht das Gehirn und löst dort komplexe Vorgänge aus. Auf genau die gleiche Art und Weise funktioniert das Infrarotthermometer, wobei das umgewandelte Signal später den Messwert darstellt und anzeigt.

Dazu ist wichtig zu wissen, dass jeder Körper eine Strahlung aussendet, sofern seine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von – 273,15 °C (entspricht 0 K) beträgt. Diese Eigenstrahlung rührt aus der mechanischen Bewegung der Moleküle, wobei die Stärke der Bewegung von der Temperatur des Körpers abhängig ist.

Jede Bewegung eines Moleküls stellt eine Ladungsbewegung dar, daher werden Photonenteilchen ausgesendet. Diese sind als elektromagnetische Strahlung messbar. Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und können gebündelt, umgelenkt und reflektiert werden. Die Strahlung selbst ist für das Auge nicht sichtbar, für das Infrarotthermometer jedoch messbar. Heiße Körper senden eine sichtbare Strahlung aus, die vom Menschen als glühend gesehen wird (rot- bis weißglühend).

Video: Was ist ein Pyrometer? | OXXPUN das Technikmagazin| PCE Instruments

Zwei Arten von Spezialpyrometern

Ebenso, wie es zur Messung von Wasserdampf und der Luftfeuchtigkeit das Hygrometer gibt, stehen zur Messung der Temperatur verschiedene Spezialthermometer zur Verfügung. Eines davon ist das Pyrometer mit Glasfaseroptik: Es wird immer dann eingesetzt, wenn starke magnetische oder elektrische Störfelder vorliegen oder vermutet werden. Die empfindliche Messelektronik wird durch derartige Thermometer außerhalb des gefährdeten Bereichs platzierbar.

Ein Beispiel dafür ist das Induktionsschweißen, bei dem ein normales Thermometer nicht hilfreich wäre. Die Glasfaseroptik enthält selbst keine Elektronik, daher kann die Betriebstemperatur beim Schweißen auch ohne Kühlung weit nach oben geregelt werden. Höchstwerte bis 300 °C können hier gemessen werden, der Standard liegt bei 200 °C.

Eine Wasserkühlung wird nicht benötigt, was die Betriebskosten sowie die Kosten für die Installation pro Messstelle deutlich senken kann. Glasfaserkabel und Optiken lassen sich darüber hinaus dank fortschrittlicher Technik der Geräte leicht austauschen und müssen nicht nachkalibriert werden. Es ist lediglich die Werkskalibrierungsnummer einzugeben, damit das Thermometer wieder ordnungsgemäß funktioniert.

Ein weiteres Spezialpyrometer ist das Quotientenpyrometer. Es wird auch als Zweifarbenpyrometer bezeichnet und verfügt über zwei Messkanäle, die vollkommen baugleich sind. Mit dieser Art Thermometer lassen sich auch Temperaturen in schwierigen Umgebungen sicher messen, was zum Beispiel die Punkte Emission und Reflexion betrifft.

Ein normales Pyrometer misst nicht mehr genau, wenn zu viel Staub oder viel Feuchtigkeit in der Luft liegt. Das Quotientenpyrometer misst dennoch zuverlässig und präzise, stellt damit eine verlässliche Basis für weitere Daten dar. Grundlage für diese Technik ist das Infrarot auf der einen Seite, auf der anderen Seite die Nutzung der Quotientenbildung aus der Mathematik. Mit ihrer Hilfe werden verschiedene Messeinflüsse eliminiert.

Video: Temperaturmessung | alpha Lernen erklärt Physik

Aus der Praxis: Temperaturmessung in Elektrofahrzeugen

Angesichts der Tatsache, dass die Elektromobilität zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist es nur allzu verständlich, dass die Forschung auch den Bereich der Temperatur berücksichtigt. Batterie, Motor, Bordelektronik und Ladestecker sind auf eine zuverlässige Temperaturkontrolle angewiesen. Nur mit einem präzisen Temperaturmanagement ist es möglich, dass ein Elektrofahrzeug leistungsstark und langlebig ist, zumal der Elektromotor teilweise dauerhaft an der Leistungsgrenze arbeiten muss.

Es sind hohe Ent- und Beladeströme zu realisieren, außerdem soll die Lebensdauer der Batterie stetig verlängert werden. Diese Forderungen bringen die Ingenieure stets an neue Herausforderungen heran. Neuerdings wird daher auf Sensoren gesetzt, die eine Platin-Dünnschicht als Basis aufweisen. Sie sind in Messbereichen von bis zu 1000 Grad Celsius einsetzbar und garantieren ein zuverlässiges und exaktes Temperaturmanagement.

Die Herausforderung für die Ingenieure besteht darin, eine gleichmäßige Temperatur zu erreichen. Dies allerdings in jeder einzelnen Zelle der Batterie! Es sind konsequente Temperaturmessungen gegen den Ladungsverlust der Batterien nötig, denn die Abweichungen der Temperaturen in den einzelnen Zellen dürfen höchstens zwei Grad Celsius betragen. Bei höheren Abweichungen wird die Lebensdauer der Batterie bereits wieder eingeschränkt.

Die Messungen der Temperatur müssen daher in Echtzeit erfolgen, damit direkt darauf reagiert werden kann. Platinsensoren lassen sich hervorragend positionieren und verschalten, sie können direkt in den Hotspots platziert werden. Dies geschieht mithilfe einer selbstklebenden Folie, die die einzelnen Elemente genau dort sichert, wo sie benötigt werden.

Die Herausforderung für die Ingenieure besteht darin, eine gleichmäßige Temperatur zu erreichen. Dies allerdings in jeder einzelnen Zelle der Batterie! Es sind konsequente Temperaturmessungen gegen den Ladungsverlust der Batterien nötig, denn die Abweichungen der Temperaturen in den einzelnen Zellen dürfen höchstens zwei Grad Celsius betragen.(#03)

Das Thema Temperatur spielt überdies bei den Ladesteckern eine Rolle. Diese müsse sehr hohe Ströme kompensieren bzw. aushalten können, denn bei schnellen Ladungen und der geforderten immer gleichen Ladeleistung treten hohe Stromflüsse auf. Dabei entsteht sehr viel Wärme, die wiederum gemessen und abgeführt werden muss.

Würde die Wärme nicht abgeleitet werden, bestünde die Gefahr, dass die einzelnen Zellen der Batterie zu heiß werden und einen Schaden erleiden. Die Grenze liegt in der Regel bei 55 °C. Übersteigt die gemessene Temperatur diesen Messwert, muss der Ladestrom automatisch und vor allem umgehend reduziert werden.

Dies bewirkt eine längere Ladezeit, von der Schnellladung wird auf die Normalladung reduziert. Die bereits erwähnten Sensoren werden auf Leiterplatten appliziert, die mithilfe einer Metallfeder oder eines Schrumpfschlauchs positioniert werden. Sie messen die Temperaturen zuverlässig und in kurzen Zeitabständen, sodass eine Reduzierung des Stromflusses umgehend möglich ist.

Doch auch der Motor der Elektrofahrzeuge muss temperaturtechnisch überwacht werden, stellt er doch das Herzstück des Fahrzeuges dar. Wenn er überhitzen würde, könnte der Totalausfall eintreten. Daher gelten auch hier hohe Anforderungen an die Überwachung der Temperaturen, die möglichst gleichmäßig bleiben müssen. Außerdem muss die gesamte Messtechnik vor mechanischen Einflüssen geschützt werden.

Zu diesen zählt unter anderem die Vibration, die durch den Motor verursacht wird. Empfindliche Geräte stehen hier auf der einen Seite, auf der anderen Seite die Anforderung, diese Geräte trotz der mechanischen Belastung nicht an der präzisen Messung zu hindern. Darüber hinaus bietet ein Motor kaum Platz für eine umfangreiche Messtechnik, diese muss somit ein kompaktes Design mitbringen. Auch in diesem Punkt wissen Platinsensoren zu überzeugen, denn sie sind besonders klein, dennoch aber mit einem speziellen Gehäuse versehen.

Die Temperatur des Kühlmittels für den Elektromotor muss ebenfalls ständig überwacht werden.(#04)

Dieses Gehäuse schützt die Sensoren vor einer mechanischen Beschädigung. Die Sensoren lassen sich dank der kompakten Bauweise direkt im Motorgehäuse positionieren, wo sie dauerhaft Messungen durchführen und entsprechende Warnsignale auslösen, sollten sich Abweichungen von der Norm ergeben.

Die Temperatur des Kühlmittels für den Elektromotor muss ebenfalls ständig überwacht werden. Dies geschieht in einem gesonderten Kreislauf, wo sie durch einen Niedertemperaturkühler auf weniger als 60 °C reguliert werden muss. Damit die Batterie die volle Leistung erbringen kann, darf das Kühlmittel nur zwischen 15 und 30 °C warm werden, was einen vergleichsweise niedrigen Toleranzbereich bedeutet. Meldet das Thermometer, dass die Temperaturen zu niedrig sind, muss ein Hochvolt-Zuheizer zugeschaltet werden, der das Kühlmittel erwärmt.

Ein Niedertemperaturkühler hingegen sorgt für niedrigere Temperaturen, wie der Name schon vermuten lässt. Sollte dieser Kühler nicht ausreichend sein, wird der Chiller zugeschaltet, der das Kühlmittel noch weiter herunterkühlt und im Kühl- und Kältemittelkreislauf eingebunden ist. Das Kältemittel aus der Klimaanlage durchströmt dann den Chiller und kühlt das Kühlmittel ab.

Dieses wird ebenfalls durch den Chiller geleitet. Hieran zeigt sich eine perfekte Zusammenarbeit von Sensoren, Pumpen, Ventilen und vor allem von Thermostaten, die dauerhaft und unter jeglichen Leistungsanforderungen zuverlässige Messwerte liefern müssen, um die Leistungsfähigkeit des Motors und der Batterie zu erhalten.