Temperaturen messen: Quotientenpyrometer als Maß der Dinge

Um Produktionsprozesse optimal und wirtschaftlich auszuführen, ist eine zuverlässige Messung der Temperaturen unverzichtbar. Moderne Pyrometer sind trotz aller technischen Fortschritte beeinflussbar.

Temperaturen in der Industrie: Eine Grat(d)wanderung

Die Induktionstechnik kommt heute vor allem in der Schmiedeindustrie zum Einsatz, wo damit Stahl für die weitere Verarbeitung erwärmt wird. Er muss dabei auf Temperaturen zwischen 1000 und 1250 °C gebracht werden, damit die Umformung möglich ist.

Wie hoch genau die Temperatur sein muss, ist vom Stahl selbst abhängig: Der Gehalt an Kohlenstoff ist ebenso ausschlaggebend wie eventuell vorhandene Legierungselemente. Wichtig ist dabei, dass die Temperaturen gleichmäßig gesteigert werden, denn der gesamte Werkstoff muss die gleichen Messwerte aufzeigen.

Hierbei erweist sich vor allem die induktive Erwärmung als besonders vorteilhaft, denn sie bietet eine homogene Erwärmung des gesamten Werkstücks bis oberhalb der Rekristallationstemperatur. Gleichzeitig erfolgt die Erwärmung schnell und lässt sich gut regulieren. Wichtig ist jedoch, die Temperaturen sicher bestimmen zu können.

Schwierig wird das Erhitzen vor allem dadurch, dass nicht alle Stähle mit einer Legierung die gleiche Güte und die gleichen chemischen Zusammensetzungen besitzen. Der Kohlenstoffanteil variiert um bis zu 0,05 %. Dieser vermeintlich kleine Wert bewirkt Temperaturunterschiede von bis zu 90 Grad Celsius! Das bedingt, dass die optimale Schmiedetemperatur der Stähle unterschiedlicher Güteklasse verschieden sein kann.

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

Es wird zwar alles daran gesetzt, dass die verwendeten Stähle eine gleiche Güteklasse haben, dennoch können Unterschiede vorkommen. Der Schmiedebetrieb muss seine Prozessführung darauf abstimmen und der Bestimmung der Temperaturen besondere Bedeutung beimessen. Was in anderen Branchen der Luftdruck oder die Messung von Wasserdampf und Luftbewegung ist, ist hier die Temperatur beim Erwärmungsvorgang.

Für die Blocktemperatur sind folgende Faktoren entscheidend:

• eingebrachte Energiemenge
• Förderleistung
• Vorschubgeschwindigkeit
• Lochdurchmesser des Spulenkastens
• Kühlungsverhalten des Induktors

Diese Faktoren wirken aber nicht nur auf die Temperaturen, die im Werkstück, im Block, vorliegen, sondern auch auf die Prozesssteuerung, die sich an den Punkten orientieren muss. Um die Temperaturen zuverlässig zu überwachen, eignen sich moderne Pyrometer bestens. Sie erfassen die Strahlung, die von einem Objekt abgestrahlt wird („Infrarot“) und ermitteln daraus die Temperatur.

Die Basis für die Ermittlung ist das Planck’sche Strahlungsgesetz. Die Temperaturen werden dabei in Millisekunden gemessen, wobei im Sinne der Automation gleichzeitig das Aussortieren von Werkstücken und Blöcken möglich ist, die außerhalb der zulässigen Temperaturbereiche liegen.

Spektral- und Quotientenpyrometer messen Temperaturen

Zuverlässig oder mit Einschränkungen? Fakt ist, dass Spektral- und Quotientenpyrometer die Temperaturen in der Stahlindustrie messen. Spektralpyrometer messen per Infrarot bei einer Wellenlänge, Quotientenpyrometer hingegen messen bei zwei Wellenlängen. Beide Wellenlängen stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander, was wiederum die Temperaturberechnung in Grad Celsius ermöglicht.

Maßgeblich für die Auswahl des jeweiligen Messgerätes sind die folgenden Kriterien:

• angestrebte Messgenauigkeit
• Flexibilität des Messgerätes
• Benutzerfreundlichkeit des Gerätes
• Kostenaspekte

Zwei Messverfahren: Einflüsse auf die Temperaturen

Alles dreht sich um die Erhebung von Daten, die möglichst exakt sein müssen. Dabei sind gerade Temperaturdaten extrem sensibel und fallen bei mehreren Messungen häufig anders aus. Wichtig ist daher, den Einfluss der Messfaktoren ebenso zu kennen wie die Unterschiede zwischen den Messverfahren.

Die folgende Darstellung zeigt die Vielzahl an Einflussfaktoren, erhebt jedoch keinen Anspruch auf Vollständigkeit:

• Luftverschmutzung (Staub, Dampf, Rauch)
  • Spektralpyrometer: Die Schwächung des Infrarot-Signals führt direkt zu einer falschen Messung.
  • Quotientenpyrometer: Das Strahlungsverhältnis bleibt konstant, auch wenn die Infrarotstrahlung abgeschwächt wird. Die Messung ist nicht beeinträchtigt. Die Messwerte sind auch bei einer 90-prozentigen Schwächung der Strahlung noch sicher.

• Verschmutzung der Linse
  • Spektralpyrometer: Der Transemissionsgehalt des Glases und der Emissionsgrad müssen berücksichtigt werden. Das Signal wird abgeschwächt, es kann zu Falschmessungen kommen. Signalüberwachungen und Warnungen sind nicht realisierbar!
  • Quotientenpyrometer: Um die Optik zu schützen, kann eine Scheibe vorgelegt werden. Es gibt keine negativen Auswirkungen auf die Messung, was auch für Verschmutzungen des Sichtfensters oder der Schutzscheibe gilt. Sollte das Signal zu schwach sein, ertönt eine Warnung, wenn eine kritische Schwelle erreicht wird.

• Sehr kleine Messobjekte
  • Spektralpyrometer: Das Messobjekt muss immer größer als der Messfleck des Pyrometers sein. Es wird immer der Mittelwert der Strahlung erfasst. Wenn das Messobjekt sehr klein und vor einem kalten Hintergrund befindlich ist, kommt es zur Anzeige einer zu niedrigen Temperatur.
  • Quotientenpyrometer: Das Messobjekt kann um bis zu 80 Prozent kleiner als der Messfleck des Pyrometers sein. Die Signalschwächung ist neutral. Der Teilausleuchtungseffekt ist vom Emissionsgrad und von der Temperatur des Messobjekts abhängig. Der Temperaturwert wird nicht beeinflusst. Es gibt allerdings Qualitätsunterschiede bei den Modellen auf dem Markt. Befindet sich der Block im Randbereich des Messfeldes, kann die Temperatur um bis zu 30 °C abweichen.

• Messentfernung und Objektgröße
  • Spektralpyrometer: Der Fokusabstand muss eingehalten werden, damit Temperaturen korrekt bestimmbar sind. Möglich ist der Einsatz einer Fixfokus-Optik in induktiven Erwärmungsanlagen. Anlagebedingt lässt sich der benötigte Fokusabstand oft nicht einhalten, außerdem liegt häufig der Fehler vor, dass die Messentfernung falsch eingestellt wird. Bei der Verarbeitung von Blöcken mit unterschiedlichen Durchmessern liegen besondere Schwierigkeiten vor, die Messungen erfolgen teilweise defokussiert.
  • Quotientenpyrometer: Veränderungen der Messgröße, des Fokusbereichs oder des Messabstands sind vernachlässigbar, sofern sie sich im zu tolerierenden Rahmen bewegen. Die Messung ist dennoch genau, die Daten belastbar.

• Emissionsgrad
  • Spektralpyrometer: Ein falsch eingestellter Emissionsgrad wirkt sich direkt auf die gemessene Temperatur aus. Messfehler sind aber schon allein dadurch unvermeidbar, weil sich in der Praxis der Emissionsgrad in Abhängigkeit von Material und Oberfläche ändern kann. Die gewählte Wellenlänge des Pyrometers ist ausschlaggebend für den Einfluss des Emissionsgrades.
  • Quotientenpyrometer: Neutrale Emissionsgradänderungen wirken sich nicht auf die Temperaturen aus. Der Einfluss von Oberfläche und Emissionsgrad kann vernachlässigt werden.

So werden Temperaturinformationen eingesetzt

Hier bietet sich ein Vergleich aus dem privaten Umfeld an. Es wird Fieber gemessen, um einen Krankheits- bzw. Heilungsverlauf zu überwachen. Ähnlich ist es im Produktionsprozess und beim genannten Beispiel bei der Umformung von Stahl.

Hier werden Pyrometer für genaues Messen benötigt. Sie messen weder Wasserdampf noch Luftdruck, sondern sind einzig für die Überwachung der Temperaturen wichtig. Damit tragen sie zu einem großen Teil zu effizienten Produktionsprozessen bei.

Die meisten Erwärmungsanlagen, die in Europa eingesetzt werden, sind mit Anlagen zur Messung der Temperaturen ausgestattet. Werden Abweichungen festgestellt, kann die integrierte Steuerung darauf reagieren und passt die einzelnen Parameter des Prozesses an. Stahlblöcke mit zu hoher oder zu niedriger Temperatur werden aussortiert, sie sind in der Produktion nicht weiter verwendbar. In technisch weniger hoch entwickelten Ländern hingegen sind noch nicht überall induktive Erwärmungsanlagen im Einsatz.

Hier setzt man immer noch auf alte Anlagen, die mit der hierzulande längst überholten Flammenerwärmung arbeiten. Die Temperaturen können dort nicht genau gemessen werden. Daher geht man überall dazu über, solche Anlagen nach und nach zu ersetzen, um die Produktion auf hohem Niveau zu ermöglichen.

Die Temperaturerfassung wird oft als autarke Lösung installiert, wobei diese unabhängig von der Anlage selbst agiert. Wichtig sind dafür intelligente Anzeigen und schnell messende Pyrometer.

Video: Infrarot Thermometer | Technik Sep

Die Erfassung der Temperaturen erfolgt dann automatisch und muss nicht mehr separat gesteuert werden.
Die Anzeige selbst wird über Schaltrelais gesteuert und sorgt dafür, dass die Schleusenventile, die die Blöcke mit falschen Temperaturen aussortieren, zuverlässig funktionieren. Diese Blöcke können je nach Konfiguration der Anlage auch getrennt entsorgt werden. Teilweise gibt es sogar Anzeigen, die die Anzahl der jeweiligen Blöcke erfassen und darüber ein Protokoll erstellen.

Dank modernster Technik lassen sich die Daten per Bluetooth-Schnittstelle auslesen oder können auf dem Smartphone angezeigt werden. Auffälligkeiten führen somit direkt zu der Möglichkeit, in den aktiven Produktionsprozess einzugreifen und die Menge der Ausschussware zu reduzieren.

Die Übertragung der Daten auf das Smartphone lässt eine Überwachung der Temperaturen von jedem Ort der Welt aus zu. Wichtig ist dafür nur die nötige App, die mit der Anlage kommuniziert und die Temperaturen darstellt.

Darüber hinaus ist es nicht nur wichtig, die Werte angezeigt zu bekommen, sondern es muss auch eine Auswertung möglich sein. So lassen sich aus den Messprotokollen Analysen und Berichte erstellen, die für die Optimierung der Produktionsprozesse unverzichtbar sind.

Fazit: Spektral- oder Quotientenpyrometer: Eine eindeutige Entscheidung

Der oben dargestellte Vergleich zeigt, wie unempfindlich ein Quotientenpyrometer ist und wie genau es trotz verschiedener Einflussfaktoren misst. Vor dem Hintergrund, dass eine präzise Erfassung der Temperaturen in modernen Industrieanlagen mit Induktionserwärmung unverzichtbar ist, kann nur das Quotientenpyrometer eine wirtschaftliche Prozessführung garantieren.

Das Spektralpyrometer mag für viele Anwendungen ausreichend sein und genügende Ergebnisse liefern. Doch dies ist nur möglich, wenn die Produktionsbedingungen immer konstant bleiben. Objektgröße, Material, Oberfläche und Messabstand dürfen sich nicht verändern. Außerdem muss das zu vermessende Objekt immer größer als der Messfleck sein. Unter Einhaltung dieser Bedingungen kann das Spektralpyrometer hochwertige Ergebnisse liefern.

Leider zeigt der Alltag mit seinen herrschenden Produktionsbedingungen aber, dass diese Konstanz nicht gegeben sein kann. Außerdem ist die Voraussetzung für gute Messergebnisse, dass ein hochwertiges optisches System verwendet wird, das Fehler minimieren kann. Der Einfluss der Oberfläche und des Materials kann durch ein kurzwellig messendes Gerät verringert werden.

Soll die Handhabung des Messgerätes aber besonders einfach sein und ist eine hohe Messgenauigkeit gewünscht, führt kein Weg am Quotientenpyrometer vorbei. Es ist in Bezug auf Fokussierung und Genauigkeit sowie bezogen auf die Ausrichtung in allen Punkten dem Spektralpyrometer überlegen. Vor allem dann, wenn die Produktionsbedingungen nicht konstant sind und wenn Umwelteinflüsse oder Verschmutzungen möglich sind, können nur mit dem Quotientenpyrometer verlässliche Ergebnisse erzielt werden.

Allerdings ist das Quotientenpyrometer um 50 bis 100 Prozent teurer als ein Spektralpyrometer, was die Entscheidung für oder gegen ein Gerät sicherlich beeinflussen kann. Ohne diesen Aspekt ist die Entscheidung jedoch klar: Das Quotientenpyrometer ist das Maß der Dinge in Sachen Messung von Temperaturen in induktiven Erwärmungsanlagen.

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