Pyrometer
Berührungslos und schnell
Die PYROSPOT-Pyrometer von DIAS Infrared nutzen das Plancksche Strahlungsgesetz zur berührungslosen Temperaturmessung. Mit modernen MWIR-Fotodioden ermöglichen sie schnelle Messungen von 20 bis 2 500 °C. Die neuen Geräte bieten Einstellzeiten ab 1 ms und sind ideal für industrielle Anwendungen sowie Forschung und Entwicklung.
Jeder Körper sendet in Übereinstimmung mit dem Planckschen Strahlungsgesetz eine elektromagnetische Strahlung insbesondere im infraroten Spektralbereich aus, die von der Wellenlänge sowie dessen Temperatur und Emissionseigenschaften abhängt. Durch quantitative Messung dieser Strahlung in einem definierten Wellenlängenbereich kann basierend auf diesen physikalischen Gesetzmäßigkeiten die Temperatur des Objektes berührungslos gemessen werden, wenn die Emissionseigenschaften bekannt sind. Dieses Prinzip nutzen Pyrometer, die in einem kleinen Messfeld nahezu punktförmig die Temperatur messen.
Von besonderer Bedeutung ist der Spektralbereich des Pyrometers. Prinzipiell sollte so kurzwellig wie möglich gemessen werden, um emissionsgradbedingte Messfehler zu minimieren. Weiterhin muss der Spektralbereich so gewählt werden, dass der Emissionsgrad des Messobjektes bei diesen Wellenlängen möglichst hoch und stabil ist. Auch die Messstrecke zwischen Pyrometer und Messobjekt soll im gewählten Wellenlängenbereich eine hohe Transparenz aufweisen. In Abhängigkeit vom Messobjekt gibt es deshalb viele praktisch bedeutsame Spektralbereiche (Tabelle 1).
Diese und weitere Spektralbereiche sind auch in der langjährig bewährten PYROSPOT-Pyrometerserie von DIAS Infrared verfügbar. Aus der Tabelle wird deutlich, dass in der industriellen berührungslosen Temperaturmesstechnik der mittlere Infrarot-Spektralbereich (MWIR, Wellenlängen zwischen 3 und 5 µm, gelb hervorgehoben) von großem Interesse ist. Dabei spielen sowohl breitbandigere Geräte (3 bis 5 µm z. B. für Metalle und Keramiken oder 3,5 bis 4,0 µm für Halbleiter) als auch schmalbandig messende Pyrometer (beispielsweise um 5 µm für die Glasindustrie, 4,6 µm für heißes CO2 oder 3,9 µm für Messungen durch Flammen und Verbrennungsgase) eine Rolle.
Bisher wurden für die Pyrometer im MWIR-Wellenlängenbereich hauptsächlich Thermopile-Infrarotsensoren eingesetzt, die wegen ihrer thermischen Zeitkonstanten nur relativ langsame Pyrometer (Einstellzeiten von 10 bis 100 ms) ermöglichten. Das vorhandene Signal/Rausch-Verhältnis (spezifische Detektivität D*) der Thermopile-Sensoren beschränkt auch die erreichbare untere Temperaturmessbereichsgrenze und das Distanzverhältnis (Messabstand/Messfelddurchmesser) der Pyrometer.
Im Vergleich zu Thermopiles sind aktuelle MWIR-Halbleiter-Fotodioden deutlich schneller und empfindlicher (höheres D*). Das obige Bild zeigt, dass die Sensorkenngröße D* der Fotodioden im MWIR-Spektralbereich etwa 10-mal größer gegenüber Thermopiles ist.
Wegen dieser Eigenschaften erfolgte die Entwicklung neuer schneller digitaler PYROSPOT-Pyrometer, die auf diesen MWIR-Fotodioden basieren. Die mit diesen Detektoren ausgestatteten Geräte innerhalb der PYROSPOT-Serie 10 erreichen Einstellzeiten t95 ab 1 ms bei Distanzverhältnissen bis 130 : 1 und Temperaturmessbereichen zwischen 30 und 2 500 °C. Die Pyrometer der Serie 10 sind mit ihren Visiereinrichtungen (Laser-/LED-Pilotlicht, Durchblickvisier oder Farb-Videomodul), einem temperaturlinearen 0/4…20-mA-Ausgang, einer Schnittstelle RS-485 sowie Display und Bedientasten zur Anzeige und Parametrierung universell sowohl für industrielle Messaufgaben als auch im FuE-Bereich einsetzbar.
Für den stationären Einsatz in rauen Industrieumgebungen wurden mit den neuen MWIR-Fotodioden auch Pyrometer in den PYROSPOT-Serien 44 und 47 entwickelt. Sie ermöglichen Einstellzeiten t95 ab 5 ms und Temperaturmessungen von 20 bis 2 500 °C bei einem Distanzverhältnis von 50 : 1. Diese Pyrometer befinden sich in robusten Edelstahl-Rundgehäusen und besitzen neben dem temperaturlinearen 0/4…20-mA-Ausgang eine digitale Schnittstelle (Serie 44: RS-485, Serie 47: Ethernet) zur Datenübertragung und Parametrierung. Ausgewählte Eigenschaften der neuen Pyrometer zeigt die Tabelle 2
Im Aufmacherbild sind die Pyrometer der Serie 10 (li) und der Serie 47 (re) zu sehen. Die mit den neuen MWIR-Fotodioden ausgestatteten Pyrometer haben gegenüber den bisherigen Geräten mit Thermopiles eine deutlich
verringerte untere Temperaturmessbereichsgrenze und Einstellzeit t95.
Autoren: Daniel Wagner, Mario Kerl, Dieter Franke und Günter Hofmann, DIAS Infrared GmbH
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