Prinzip, Vorteile und Einsatzmöglichkeiten von neuartigen Panorama-Pyrometern

Pyrometer erfassen die Wärmestrahlung auf der Oberfläche eines Messobjektes in einem definierten Messfeld und ermitteln daraus die Temperatur. Die Größe und Form des Messfeldes werden durch die Linsen, den optischen Aufbau und die Sensorik bestimmt. Üblicherweise besitzen aufgrund der Geometrie der Linsen, des Blendensystems und der Sensorik die bislang am Markt erhältlichen Geräte eine runde Messfläche. Basierend auf einem neuartigen optischen Aufbau und hochwertiger Linsen werden neuerdings auch Geräte mit einem rechteckförmigen Messfeld angeboten. Der folgende Artikel erläutert den Aufbau, die Funktionsweise, die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten von Pyrometern mit rechteckigem Messfeld.

Die Idee, ein Pyrometer mit rechteckigem Messfeld zu entwickeln, wurde schon vor mehr als 30 Jahren kreiert, da es doch Anwendungen in der berührungslosen Temperarturmesstechnik gibt, die sich damit einfacher und vor allem sicherer lösen lassen. Ein wesentlicher Vorteil der pyrometrischen Temperaturmessung im Gegensatz zur Kontaktmessung ist der, das Pyrometer ideal geeignet sind, um bewegte Objekt zu erfassen. Voraussetzung ist natürlich, dass sich das Messobjekt im Messfeld des Pyrometers befindet. Problematisch wird es, wie das Beispiel einer Drahtproduktion zeigt, dass das Messobjekt quer zur Produktionsrichtung schwingt und dabei nicht immer das Messfeld ausfüllt (Bild 1).

Bislang werden zur Lösung derartiger applikationsbedingter Messprobleme Einkanal-Pyrometer mit einem sehr kleinen Messfeld in Verbindung mit einem Schwenkspiegel eingesetzt, der vor das Pyrometer montiert wird. Der rotierende oder schwenkende Spiegel lenkt den Messfleck periodisch ab. Über eine Maximalwertspeicherung im Pyrometer wird die Temperatur zu dem Zeitpunkt erfasst, zu dem der Messfleck vom Objekt voll ausgefüllt wird. Neben dem Nachteil einer störanfälligen, sich bewegenden Mechanik ist die Erfassungszeit begrenzt. Durch die scannende Bewegung wird die Objekttemperatur nicht kontinuierlich, sondern nur zyklisch erfaßt. 

Daher hat es schon vor vielen Jahren Versuche mit Geräten gegeben, die ein rechteckförmiges Messfeld auf rein optischer Weise erzeugten. Eine spezielle Zylinderlinse spreizte dabei das Messfeld in Richtung einer Achse, wie man es aus einem Spiegelkabinett kennt. Grundsätzlich konnte damit eine Lösung geschaffen werden. Als ein Problem erwies sich die ungleichmäßige Empfindlichkeitsverteilung auf der Messfläche des Sensors. Nachteilig waren zudem die hohen Kosten dieser Speziallinse. Außerdem waren die Geräte nur für einen festen Messabstand einsetzbar. Eine weitere Schwierigkeit war, dass das optische Bild im Durchblickvisier verzerrt und daher das Gerät schwer auszurichten war. 

Interessant ist die Verwendung eines rechteckigen Messfeldes insbesondere in Verbindung mit einem Quotienten-Pyrometer. Ein Quotienten-Pyrometer erfasst die Wärmestrahlung eines Messobjektes in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. Der Quotient der beiden spektralen Strahldichten ändert sich proportional zur Temperatur. Dieses Messprinzip ermöglicht es, dass das Messobjekt auch kleiner als das Messfeld sein darf. Im Unterschied zu einem Einkanal-Pyrometer wird bei einem heißen Messobjekt vor einem kalten Hintergrund dennoch die richtige Temperatur ermittelt.

Im Unterschied zur oben beschriebenen Lösung mit einer Zylinder-Linse wird bei dem neuartigen Panorama-Pyrometer das rechteckige Messfeld durch eine hoch präzise Blende realisiert, die im Messzweig des Detektors zwischen der Blende (3) und dem Umlenkspiegel mit Sensor (4) positioniert ist (Bild 2). Damit wurden die zwei elementaren Probleme gelöst. Das Gerät benötigt keine speziell geformte Linse und im Durchblickvisier bzw. auf dem Monitorbild bei Geräten mit integrierter Videokamera wird wie gewohnt das Messobjekt im Fokusabstand scharf abgebildet.

Ein weiterer Vorteil dieses neuartigen optischen Aufbaues ist, dass die Messfeldmarkierung im Sucher oder auf dem Monitor sowohl in der exakten Position als auch in der tatsächliche Größe des rechteckförmigen Messfeldes korrekt dargestellt wird. Nur so kann eine korrekte Ausrichtung der Geräte überprüft und sichergestellt werden.

Eine weitere optische Herausforderung war bei der Entwicklung des Panorama-Pyrometers zu lösen. Durch optische Abbildungsfehler und eine inhomogene Empfindlichkeitsverteilung auf der Messfläche haben Quotienten-Pyrometer üblicherweise die Eigenschaft, dass die Position des Messobjektes im Messfeld einen merkbaren Einfluss auf die gemessene Temperatur hat. Im Randbereich des Messfeldes kann bei einer Objekttemperatur von 1000 °C die Anzeige um über 30 °C ansteigen (Bild 3).

Auch kann es bei herkömmlichen Quotienten-Pyrometern zu Schwankungen in der Temperaturanzeige kommen, wenn sich der Durchmesser des Messobjektes produktionsbedingt ändert und damit das Messfeld unterschiedlich ausgefüllt ist. 

Um diesen physikalischen Effekt zu minimieren, wurden für die Optiken Präzisionslinsen entwickelt, die einerseits über die gesamte Fläche der Eintrittsapertur eine konstant gute Abbildungseigenschaft besitzen (minimale sphärische Aberration). Des Weiteren besitzen die Linsen einen minimalen Farblängsfehler (chromatische Aberration), um sowohl für die beiden Messwellenlängen als auch für den sichtbaren Bereich eine gleichermaßen scharfe Abbildung zu erzielen. Zusätzlich waren zur Realisierung des Panorama-Pyrometers die Entwicklung eines aus Präzisionsblenden bestehenden optischen Aufbaus und hochwertige Sensoren erforderlich. Als Ergebnis liefert das neue Panorama-Pyrometer damit unabhängig von der Position und dem Durchmesser beispielsweise eines Drahtes im Messfeld einen konstanten Messwert.

Der gerätetechnische Aufbau durch die modulare Bauweise der optischen und elektrischen Komponenten bietet auch für das Panorama-Pyrometer die Möglichkeit, aus mehreren fokussierbaren Wechselobjektiven auszuwählen. Zusätzlich lassen sich in das Frontgewinde des jeweiligen Objektivs verschiedene Vorsatzlinsen schrauben, um damit das Messfeld zu verkleinern. Damit ergeben sich zahlreiche optische Abbildungsvarianten sowohl in Bezug auf den gewünschten Messabstand als auch auf die benötigte Messfeldgröße (Bild 4). So lassen sich selbst z.B. Drähte ab einem Durchmesser von 0,1 mm erfassen.
 

Die optische Ausrichtung eines Pyrometers auf ein kleines Messobjekt oder bei einer großen Messentfernung verlangt eine hochwertige Mechanik zur Justage. Es ist selbsterklärend, dass sich unter diesen Bedingungen ein Gerät mit rechteckigem Messfleck viel einfacher ausrichten lässt (Bild 5). Besonders macht sich dieser Vorteil bei einem portablen Pyrometer bemerkbar, wenn der Bediener das Gerät beim Anvisieren in der Hand hält, da die Breite des rechteckigem Messfeldes um das 2- bis 3- Fache größer als bei einem vergleichbaren Gerät mit rundem Messfeld ist. Dies sorgt für eine sicherere Handhabung und Temperaturerfassung.

In Produktionsprozessen, bei denen sich die Position und Größe des heißen Objektes ändern kann oder in Wärmebehandlungsanlagen, bei denen die Aufheizzone am Werkstück schwankt, bietet das Panorama-Pyrometer eine höhere Betriebssicherheit und ist wesentlich einfacher auszurichten. Da ein rechteckförmiges Messfeld breiter als ein rundes Messfeld mit gleicher Fläche ist, ist die Gefahr des Auswanderns des heißen Punktes aus dem Messfeld deutlich geringer.

Ein typisches Beispiel ist die Produktion von Endlosrohren, in denen das Material gebogen und zusammen geschweißt wird. Die Aufheizung erfolgt per Induktionsspule. Die Position der kleinen Schweißstelle kann schwanken, so dass bei herkömmlichen Geräten die Schweißnaht auch mal außerhalb des Messfeldes liegen könnte und dann keine Messung mehr möglich ist (Bild 6).

Bei der Produktion von Glasflaschen ändert sich die Position und Form des Glastropfens an der Schere. Auch hier liefert ein Panorama-Pyrometer eine höhere Messsicherheit. Hinzu kommt noch Temperatureinfluss des Materials und der Farbe des teils transparenten Glases. Dieser Einfluss wird durch das Quotienten-Messverfahrens des Panorama-Pyrometers stark vermindert.

In Drahtziehanlagen wird der Draht einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen. Dabei läuft der Draht mit hoher Geschwindigkeit durch eine Induktionsspule hindurch. Zwischen den Führungsrollen ist ein Schwingen des Drahtes unvermeidbar. Bei dünnen Drähten kann die Schwankungsbereite schon einmal das Mehrfache des Drahtdurchmessers betragen. Eine punktuelle Messung ist unter diesen Bedingungen kaum noch möglich.

Die manuelle berührungslose Temperaturmessung von flüssigem Metall beim Gießen in die Form erfolgt aus sicherer Entfernung. Mit einem herkömmlichen Gerät mit rundem Messfeld ist es schwierig, das Pyrometer auf den Gießstrahl auszurichten, zumal sich die Position des Strahles je nach Kippwinkel der Pfanne ändern kann. Ein Gerät mit rechteckigem Messfeld ist hierbei wesentlich einfacher zu handhaben (Bild 7).

Die Temperaturmessung kleinster Objekte wie etwa eine Glühwendel oder ein Heizelement in einer Röntgenröhre stellen schon höchste optische Ansprüche an die Geräte. Großteils waren derartige Anwendungen bislang nur mit sogenannten Intensitätsvergleichspyrometern lösbar. Bei den Geräten erfolgt die Temperaturerfassung manuell durch einen visuellen Abgleich der Strahldichte eines geräteinternen Referenzstrahlers und des Messobjektes durch den Bediener.

Die Schwierigkeit bei Verwendung elektronisch messender Geräte lag in der mechanischen Ausrichtbarkeit der Geräte auf extrem kleine Messobjekte. Auch derartige Messaufgaben lassen sich mit dem Panorama-Pyrometer wesentlich einfacher lösen.

Aufgrund des Quotienten-Messprinzips ist der Einsatzbereich auf Anwendungen mit Temperaturen über 600 °C beschränkt. Eine weitere Grenze ist der Grad der Teilausleuchtung bis zu dem das Quotienten-Pyrometer noch in der Lage ist, einen reproduzierbaren Messwert zu bilden.

Dieser Wert hängt u.a. vom Emissionsgrad des Messobjektes und der absoluten Temperatur ab. Am Messbereichsanfang kann ein Quotienten-Pyrometer bereits einen zuverlässigen Messwert liefern, wenn die Strahlungsenergie 10 % der Strahldichte eines Schwarzen Strahlers bei gleicher Temperatur beträgt. Mit steigender Messtemperatur ist sogar noch eine größere Signalschwächung zulässig. Zur Schwächung tragen der Emissionsgrad, der Grad der Teilausleuchtung, die Form des Messobjektes und sichtbehindernde Einflüsse wie Dampf, Staub und Rauch im Messfeld bei. Als Beispiel sei ein Stahldraht mit einem Emissionsgrad von 0,6 angenommen. Bei einem runden Messobjekt ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass die vom Pyrometer erfasste Strahlung teils unter sehr flachem Winkel abgestrahlt wird. Näherungsweise wird dann noch der Sicherheitsfaktor von 1,5 mit einkalkuliert. Aus den folgenden Formeln lassen sich der Grad der Teilausleuchtung, die Breite des Messfeldes und die maximale Messentfernung berechnen.

Grad der Teilausleuchtung = (minimal auswertbare Signalstärke ÷ Emissionsgrad) × Sicherheitsfaktor

Bezogen auf das obige Beispiel muss das Messfeld mindestens zu 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 % ausgefüllt sein, damit das Pyrometer einen Messwert ermitteln kann. Die Signalstärke als Indiz für die Sicherheit des Messwertes lässt sich auf dem Display des Pyrometers anzeigen.

Für einen Drahtdurchmesser von 5 mm ergibt sich daraus für den Messbereichsanfang eine maximale Breite des Messfeldes von 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm.

Bei einem Panorama-Pyrometer wird die optische Auflösung durch das Distanzverhältnis (Messabstand ÷ Messfeldgröße) für die Breite DW (width) und für die Höhe DH (height) angegeben. Bezogen auf ein Distanzverhältnis von beispielsweise DW = 40 : 1 ergibt sich eine maximale Messentfernung von 40 × 20 mm = 800 mm. Oder anders betrachtet bei einem vorgesehenen Messabstand von beispielsweise 500 mm ist ein Objektiv mit einem Distanzverhältnis von DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm sprich ≥ 25 : 1 einzusetzen, damit das Messfeld vom Messobjekt ausreichend ausgeleuchtet wird.

Das Panorama-Pyrometer kann auch so betrieben werden, dass das Messfeld längs zum Objekt ausgerichtet ist. Damit erfasst das Pyrometer eine größere Fläche vom Messobjekt im Vergleich zu einem Gerät mit rundem Messfeld, so dass es so für Drähte mit einem Durchmesser ab 0,1 mm einsetzen lässt.

Angeboten werden Geräte mit Panorama-Optik für die stationäre Geräteserie CellaTemp PA und die portable Serie CellaTemp PT. Beide Ausführungen verfügen über ein Durchblick-Visier zur Ausrichtung und Fokuseinstellung des Gerätes. Das stationäre CellaTemp PA ist alternativ mit einer Farb-Videokamera erhältlich. Damit kann auf dem Monitor im Leitstand die Ausrichtung und das Sichtfeld auf das Objekt jederzeit überwacht werden. Über das Videosignal wird neben der Messfeldmarkierung auch der Messwert und die Messstellenummer übertragen und im Monitorbild eingeblendet. Dank der speziellen TBC-Funktion (Target Brightness Control) der Kamera wird zur Belichtungssteuerung die Intensität nur im Messfeld und nicht wie ansonsten üblich über das gesamte Sichtfeld der Kamera erfasst. Damit wird ein kleines heißes Messobjekt vor einem kalten Hintergrund mit optimaler Helligkeit und ohne Übersteuerung des Messobjekts im Monitorbild dargestellt.
 

Neuerdings werden auch zwei Ausführungen der Kompakt-Pyrometer Serie CellaTemp PKL mit Panorama-Optik angeboten (Bild 8). Zur Kontrolle der Ausrichtung verfügen die Geräte über ein LED Pilotlicht. Da das Licht neben der Position auch die tatsächliche Breite des Messfeldes ausleuchtet, lässt sich das Gerät sehr einfach und präzise auf das Messobjekt ausrichten.

Bei wärmetechnischen Prozessen und Temperaturen ab 600 °C ist das neue Panorama-Pyrometer den bisherigen Geräten mit rundem Messfeld klar überlegen, wenn an kleinen Objekten oder bei großen Messabständen eine Ausrichtung schwierig ist oder wenn der Hot Spot sprich die zu erfassende heiße Stelle nicht fix ist. Die Mehrkosten von ca. 25 % sind aufgrund der höheren Betriebssicherheit dann sicherlich gut investiertes Geld.