Berührungslose Messungen mit Infrarotthermometern

Infrarotthermometer kommen zumeist dort zum Einsatz, wo andere Sensoren und Verfahren passen müssen. Dies ist zum Beispiel bei der Temperaturmessung von schwer zugänglichen oder bewegten Objekten mit sehr hoher Wärmeabstrahlung der Fall. Doch welche Vorteile hat Infrarot-Messtechnik gegenüber anderen Lösungen?

Die Temperatur gehört zu den physikalischen Größen, die wohl am häufigsten in Industrieanwendungen gemessenen wird. Generell kann zwischen medienberührenden und berührungslosen Messverfahren unterschieden werden. Die medienberührende Temperaturmessung kann zum Beispiel mit einem PT100 Thermowiderstand als Messfühler und einer Auswerteeinheit erfolgen. Oftmals lassen sich solche Lösungen jedoch nicht einsetzen, zum Beispiel weil die Geräte durch die Wärmestrahlung eines Messobjektes gestört werden oder durch die Umgebungsbedingungen derart verschmutzen, dass keine verwertbaren Messergebnisse erzielt werden können.

Infrarotstrahlung als Indikator für Temperaturänderungen

In solchen und ähnlichen Fällen sind zumeist Infrarot (IR)-Thermometer von IPF gefragt, weil sie berührungslos arbeiten und zudem sehr hohen Temperaturen standhalten sollen. Die IR-Thermometer von IPF bestehen als zweiteilige Systeme aus einem Infrarotmesskopf und einer Auswerteeinheit. Bei der berührungslosen Ermittlung der Oberflächentemperatur beispielweise von Objekten mit besonders hoher Wärmeabstrahlung macht es sich diese Technologie zunutze, dass jeder Körper in Abhängigkeit zu seiner Temperatur eine bestimmte Menge an Infrarotstrahlung aussendet, deren Intensität sich bei einer Temperaturänderung entsprechend verändert. Da die Intensität der von einer Materialoberfläche emittierten infraroten Wärmestrahlung nicht nur von dessen Temperatur, sondern auch von dessen spezifischen Strahlungseigenschaften abhängt, wird bei den IR-Thermometern vor Inbetriebnahme der sogenannte Emissionsgrad als materialabhängige Konstante eingestellt, damit eine exakte Arbeitsweise des Thermometers ­sichergestellt ist.

Verfahren zur Bestimmung des ­Emissionsgrades

Es gibt eine Reihe an unterschiedlichen Verfahren, mit der der Emissionsgrad eines Materials bestimmt werden kann. Zu der gängigsten Methode gehört es, zunächst die aktuelle Temperatur eines Objektes aus einer definierten Entfernung mit einem Handheld-Gerät zu messen und danach die Temperatur mit einem IR-Thermometer zu bestimmen. Anschließend wird der Emissionsgrad so weit justiert, bis der am IR-Thermometer angezeigt Messwert mit der anfänglich per Handheld-Gerät gemessenen Temperatur übereinstimmt. Sollte in einer bestimmten Anwendung diese Methode nicht zielführend sein, kann u. a. auch auf Tabellen zurückgegriffen werden, aus denen die Emissionsgrade von Metallen und nicht-metallischen Materialien hervorgehen. Hierbei handelt es sich jedoch um Durchschnittswerte für die Kalibrierung eines IR-Thermometers, da der tatsächliche Emissionsgrad von vielen weiteren Einflussgrößen abhängt, zum Beispiel Messwinkel, Geometrie der zu messende Oberfläche oder die Materialdicke.

Manteltemperatur zeigt Verschleiß

Welche Potenziale sich mit den IR-Thermometern von IPF in der Praxis ergeben, zeigt eine Anwendung bei einem Unternehmen, das Altbatterien von Fahrzeugen recycelt und hierdurch unter anderem Rohblei beispielsweise für die Chemie- oder Batterieindustrie gewinnt. Das Blei wird hierzu in großen Drehöfen geschmolzen, die im Inneren mit Schamottsteinen ausgekleidet sind. Da die Steine im Ofenbetrieb dem Verschleiß unterliegen, müssen sie nach einer gewissen Zeit instandgesetzt werden. Fragt sich nur wann? Um konkretere Aussagen zum Zustand der Ausmauerung und damit dem Ofenverschleiß zu erhalten, wurde vor längerer Zeit damit begonnen, regelmäßig die Temperatur am Stahlmantel des Ofens zu messen. Hierzu ein konkretes Beispiel: Wird der Ofen alle vier Stunden befüllt, nimmt das kalte Blei bei zunächst kleiner Flamme allmählich Temperatur auf. Steigt in dieser Zeit auch die Temperatur am Ofenmantel stark an und fällt nach dem Entleeren des Ofens nicht signifikant ab, ist das ein Indikator für die abnehmende Dicke der Ausmauerung, die ihre Isolationseigenschaften nach Außen verliert.

Die Auswerteeinheiten der beiden Messköpfe befinden sich in einem separaten Gehäuse in einem thermisch weniger kritischen Bereich am Drehofen für die Bleischmelze

Ungenaue Daten durch manuelle Messungen

Die Temperaturmessungen wurden mit einem Handheld-Gerät durchgeführt. Idealerweise sollten die Messdaten hierbei an genau definierten Ofenbereichen und zudem zu stets den gleichen Betriebsphasen des Ofens erfolgen. Doch die manuellen Messungen führten zu einigen Ungenauigkeit, weil nicht immer an denselben Stellen am Ofenmantel mit den gleichen Abständen gemessen wurde. Auch die exakten Messzeitpunkte in Abhängigkeit zu einem zuvor festgelegten Betriebszustand des Ofens wurden mitunter nicht eingehalten, sodass sich die Messdaten nicht vergleichen ließen und daher am Ende wenig, bis gar keine Aussagekraft hatten.

Kontinuierliche Temperaturmessung in widriger Umgebung

Das Unternehmen entschied sich daher für kontinuierliche Temperaturmessungen, um zu jeder Zeit zuverlässigere Daten zu erhalten. Da die entsprechende Lösung nicht nur einer hohen Schmutz- und Staubbelastung ausgesetzt war, sondern auch hohen Umgebungstemperaturen standhalten musste, kam nur die zweiteilige Systemlösung OI98C558 (Infrarotmesskopf und Auswerteeinheit) von IPF in Frage, die sich mit einer kostenfreien Software parametrieren lässt. Die Auswerteeinheit hat unter anderem einen Schaltausgang sowie einen frei wählbaren Analogausgang (0…10V/0…20mA/0…5V/4…20mA) und ist optional mit zahlreichen Schnittstellen erweiterbar. Der robuste Infrarotmesskopf ist ohne Kühlung für Umgebungstemperaturen bis +180 °C ausgelegt. Das System mit einem besonders weiten Messbereich von -40 bis +900 °C ermittelt berührungslos die vom Ofenmantel abgegebene Infrarotstrahlung und berechnet auf dieser Basis dessen Oberflächentemperatur.

Für die Montage der Infrarot-Messköpfe ist zahlreiches Zubehör erhältlich, zum Beispiel ein in zwei Achsen justierbarer Winkel

Optimierte Instandhaltung

Für die Messungen wurden zwei Infrarotmessköpfe mit einem Abstand von rund 1000 mm zum Ofenmantel im vorderen und hinteren Bereich des Drehofens installiert. Die Auswerteeinheit befindet sich hingegen in einem separaten Gehäuse in einem thermisch weniger kritischen Bereich des Ofens. Die Lösung zeigt nach mehrmonatigem Einsatz vielversprechende Ergebnisse, denn jetzt lässt sich die Manteltemperatur zuverlässig und kontinuierlich ermitteln, wodurch der Verschleiß der Ausmauerung im Ofeninneren wesentlich genauer zu beurteilen ist. Zudem konnten einige entscheidende Abläufe in der vorbeugenden Instandhaltung des Recyclingunternehmens optimiert und somit noch besser geplant werden. Dies betrifft unter anderem die Kalkulation der Vorlaufzeiten für eine Just-in-Time-Lieferung der Ofensteine sowie die zeitnahe Benachrichtigung der Fremdfirma für die Instandsetzungsarbeiten im Drehofen.

Wenn Sie sich detaillierter über berührungslose Temperaturmessung mittels Infrarottechnologie informieren wollen, vermittelt Ihnen das folgende Whitepaper die wesentlichen Grundlagen und stellt konkrete Lösungen vor:
bit.ly/WhitepaperInfrarotsensoren

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Text- und Bildquelle: ipf electronic