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Einleitung

Die berührungslose Temperaturmessung basiert auf einem optischen Messverfahren. Dabei haben die optischen Eigenschaften eines Pyrometers einen großen und oft unterschätzten Einfluss auf die Messergebnisse. Vielfach werden lediglich die im Datenblatt spezifizierten Parameter bei der Prüfung der Messunsicherheit verglichen. Doch können durch qualitativ minderwertige, falsch ausgewählte oder falsch eingestellte Optiken sehr gravierendere Messfehler entstehen. Der folgende Bericht erläutert die Grundlagen und Auswirkungen von optischen Abbildungsfehler sowie die Spezifikation der optischen Parameter von Pyrometern. Eine einfache Möglichkeit wird vorgestellt, wie der Anwender selbst die Qualität der Optik des eingesetzten Pyrometers kontrollieren kann.

Grundlage der optischen Abbildungsfehler
Sphärische Aberration (Öffnungsfehler)

Lichtstrahlen, die nahe am Rand einer Linse einfallen, werden auf einer anderen Entfernung fokussiert, als mittig einfallende Lichtstrahlen. Die Folge ist ein leicht verschwommenes Bild. Sphärische Aberration kann in optischen Systemen, die aus mehreren Linsen bestehen, durch eine geeignete Kombination mehrerer Linsenoberflächen reduziert werden.
Farblängsfehler verschiedener Objektive
(1) Einzellinse aus Kronglas
(2) Achromat verkittet für den sichtbaren Bereich
(3) Achromat verkittet für den infraroten Bereich
Farblängsfehler verschiedener Objektive
(1) Einzellinse aus Kronglas
(2) Achromat verkittet für den sichtbaren Bereich
(3) Achromat verkittet für den infraroten Bereich


Chromatische Aberration (Farblängsfehler)

Die Brennweite von Linsen ist von der Wellenlänge abhängig. Licht bzw. Strahlung verschiedener Wellenlängen wird in verschiedenen Punkten fokussiert. Das Bild eines Objektes erscheint dann mit farbigen Rändern um das Bild.

Die chromatische Aberration kann durch den Einsatz von Optiken, die für zwei (Achromat) oder drei (Apochromat) Wellenlängen korrigiert sind, stark reduziert werden. Die Materialien der Linsen werden dabei derart gewählt, dass sich für zwei bzw. drei Wellenlängen die Abbildungsfehler der Linsen gegenseitig kompensieren.


Spezifikation der Optik von Pyrometern

Zur Spezifikation der Optik wird entweder die Messfleckgröße für eine bestimmte Entfernung oder das Distanzverhältnis, also das Verhältnis von Messabstand zu Messfleckdurchmesser, angegeben.
Darstellung der Messfleckgrößen bezogen auf 90, 95 und 98 % der maximal empfangbaren Energie
Darstellung der Messfleckgrößen bezogen auf 90, 95 und 98 % der maximal empfangbaren Energie
Die Messfleckgröße von Pyrometern wird auf einen festgelegten Prozentsatz der maximal in einem Halbraum empfangbaren Energie bezogen. 100% entspricht einem unendlich großen Messobjekt. Die Messfleckgröße wird typisch auf 90, 95 oder 98 % der maximal empfangbaren Energie bezogen.

Bezieht man den Strahlungsanteil auf 95 % statt auf 90 %, so steigt die Größe des Messflecks an. Angaben zur Messfleckgröße sind deshalb nur vergleichbar, wenn sie auf den selben Prozentsatz bezogen sind. Leider geben einige Hersteller den prozentualen Strahlungsanteil nicht an oder definieren ihn auf einen geringen Prozentwert. Dadurch täuschen diese Hersteller in den Datenblättern einen sehr kleinen Messfleck vor, wohlweislich, dass sie bei einer anders definierten Angabe einen deutlich größeren Wert angeben müssten. Außerdem spezifizieren einige Hersteller die Größe des Messflecks ohne Berücksichtigung von Linsentoleranzen.


Auswirkung von optischen Fehlern

Bei Pyrometern wird zwischen Geräten mit fokussierbarer Optik und Fixfokus-Optik unterschieden. Nur in der Fokusentfernung wird der Messfleck scharf abgebildet. Bei Betrieb des Pyrometers außerhalb des Fokusbereiches ist keine gleichmäßige Verteilung der Infrarotstrahlung auf den Sensor mehr gewährleistet. Die über die Messfläche erfasste Strahlung wird dann unterschiedlich stark erfasst. Temperaturänderungen im Zentrum wirken sich i. a. stärker aus als im Randbereich des Messflecks. Gerade bei kleinen Messobjekten, die nur geringfügig größer als die Messfläche des Pyrometers sind, kann eine falsche Fokuseinstellung zu erheblichen Messfehlern führen. Doch auch wenn das Pyrometer durch Öffnungen, Schaugläsern, Ofenwandungen oder Sichtrohre auf das Messobjekt schaut, kann eine schlecht angepasste Optik oder eine falsche Fokussierung schnell zu einer Einschnürung des Sichtkegels und damit zu Messfehlern führen. Wird an Objekten gemessen, die deutlich größer als der Messfleck des Pyrometers sind, kommt es bei minderwertigen Optiken zu einer Änderung der angezeigten Temperatur, wenn sich die Größe des Messobjektes oder der Messabstand ändern. Dieser Effekt wird Size of Source Effekt genannt und ist eine mehr oder minder große Fehlerquelle bei allen Pyrometern. 

Die Ursachen können Abbildungsfehler der Optik, Streulicht und Reflexion an optischen Komponenten und Gehäuseteilen, sowie Beugung durch die Wellennatur des Lichtes sein. Der Size of Source Effekt wird mit kürzer werdender Messwellenlänge geringer. Minimieren lässt sich dieser Einfluss durch eine sorgfältige Korrektur der optischen Abbildungsfehler, Einsatz von entspiegelten optischen Komponenten und Vermeidung von Streulicht und Reflexionen im Gerät. Der Anwender kann diesen Fehler in der Praxis durch exaktes Fokussieren auf den Messabstand minimieren. Die von einem Messobjekt ausgesandte Infrarotstrahlung liegt je nach der Temperatur im Wellenlängenbereich im Wesentlichen zwischen 0,6 – 20 µm also meist oberhalb des sichtbaren Lichtes. Das bedeutet zunächst, dass die verwendeten Optiken für den verwendeten Wellenlängenbereich des Pyrometers korrigiert sein müssen. Wenn der Anwender aber auch visuell fokussieren soll, müssen die Optiken so aufgebaut sein, dass die optischen Abbildungsfehler sowohl für den sichtbaren als auch für den infraroten Wellenlängenbereich gleichermaßen korrigiert sind. Einzellinsen sind lediglich für eine Wellenlänge korrigiert. Somit stimmen die Fokuspunkte der Infrarot- und Sichtstrahlung nicht unbedingt überein. Wenn dann das Pyrometer über die Visiereinrichtung scharf eingestellt ist, ist es für die Infrarotstrahlung damit möglicherweise nicht optimal scharf eingestellt. 
Vergleich der Intensitätsverteilung bei fokussierter und defokussierter Optik
Vergleich der Intensitätsverteilung bei fokussierter und defokussierter Optik
Nur durch technisch aufwendigere Zweilinsersysteme oder Dreilinsersysteme lassen sich diese Fehler weitestgehend eliminieren. Das Pyrometer Typ PZ 40 AF 90 beispielsweise verfügt über eine hochwertige Präzisionsoptik mit breitbandentspiegeltem Linsensystem. Damit lassen sich selbst Glühwendel mit einem Durchmesser von 0,3 mm noch sicher temperaturmäßig erfassen.


Überprüfung der Abbildungsqualitäten

Die Abbildungseigenschaft der Pyrometeroptik lässt sich auf einfache Weise vom Anwender überprüfen. Dazu wird das Pyrometer auf eine definierte Strahlungsquelle ausgerichtet. Die Größe der Strahlungsfläche sollte dabei deutlich größer als der Messfleck des Pyrometers sein. Nun positioniert man im Fokusabstand (a) des Pyrometers zwischen der Strahlungsquelle und dem Pyrometer eine geöffnete Irisblende und bestimmt mit dem Pyrometer die Temperatur bei einer Emissionsgradeinstellung von ε = 1. Die Höhe der angezeigten Temperatur ist unerheblich, sollte aber deutlich über der Raumtemperatur liegen. Der Emissionsgrad ist dann auf z.B. 0,95 einzustellen. 

Anschließend ist der Durchmesser der Blende soweit zu reduziert, bis die angezeigte Temperatur wieder dem ursprünglichen Wert entspricht. Diesen Test wiederholt man nun mit den zu vergleichenden Pyrometern und jeweils mit den selben Emissionsgradeinstellungen.

Dadurch lassen sich die tatsächlichen optischen Abbildungseigenschaften einschließlich der Auswirkungen von Linsenfehlern prüfen und vergleichen.

Bei Pyrometern mit Pilotlicht oder Durchblickvisier lässt sich gleichzeitig feststellen, ob der Scharfpunkt des Messflecks und der Sichtfeldes identisch sind, d.h. ob die Messfleckmarkierung auch tatsächlich dem Messpunkt des Pyrometers in Position und Größe entspricht.
Messaufbau zur Überprüfung der optischen Eigenschaften
Messaufbau zur Überprüfung der optischen Eigenschaften


Fazit

Bei der Auswahl von Pyrometern sind neben dem Vergleich der messtechnischen Parametern auch die optischen Eigenschaften genau zu vergleichen. Da leider die Prospektangaben einiger Hersteller unzureichend sind, sollte detailliert erfragt werden, wie der angegebene Messfleck ermittelt wurde und ob Linsenfehler und Ausrichttoleranzen bei der Spezifikation mit berücksichtigt wurden. Nur bei identischen optischen Angaben ist auch ein Vergleich unterschiedlicher Pyrometer möglich. In kritischen Fällen sollte man sicherheitshalber wie beschrieben die Qualität und Spezifikation der Prospektangaben selbst prüfen. Denn was nützt ein Pyrometer, das zwar mit einer Messunsicherheit von deutlich kleiner 1 % spezifiziert ist, jedoch andererseits sich durch den Einsatz schlecht korrigierter Linsen große Messfehler ergeben.

Downloads:

Grundlagen

Optische Einflussgrößen der berührungslosen Temperaturmessung