Optimierung der Temperaturregelung von industriellen Infrarotstrahlern und Trocknern

Vermeidung von Überhitzung und unzureichender Trocknung von Beschichtungen und Lacken mit Infrarotheizungen

Ein Infrarottrockner oder eine Infrarotheizung ist ein Heizsystem zur Trocknung wasserbasierter Farben, Beschichtungen und Tinten. Zudem wird sie häufig zum Erwärmen von Kunststoffen, Kunststofffolien und Verbundwerkstoffen für nachfolgende Fertigungsschritte eingesetzt.

Sie besteht aus leistungsstarken Infrarotstrahlern und Reflektoren, die die IR-Strahlung auf das Substrat fokussieren und so industrielle Trocknungsprozesse beschleunigen. Infrarotstrahler bieten zahlreiche Vorteile, da sie weder Kontakt noch ein Übertragungsmedium benötigen. Sie ermöglichen eine präzise steuerbare Wärmezufuhr mit kurzen Reaktionszeiten und stellen sicher, dass Wärme nur dort und nur so lange abgegeben wird, wie sie benötigt wird. Im Vergleich zu Heißluftöfen führt Infrarotheizung häufig zu geringerem Energieverbrauch, höherer Produktionsgeschwindigkeit, weniger Platzbedarf und besseren Heizergebnissen.

Materialien interagieren mit Infrarotstrahlung, indem sie einen Teil davon absorbieren, einen Teil an der Oberfläche reflektieren und einen weiteren Teil durchlassen. Der Schlüssel zu erfolgreicher Prozesswärme liegt in der Auswahl von Strahlern mit einem geeigneten Spektrum, sodass das Material möglichst viel der abgegebenen Strahlung absorbiert und in Wärme umwandelt. Diese sorgfältige Abstimmung des Infrarotstrahlers auf die Materialeigenschaften – in Bezug auf Wellenlänge, Form und Leistungsabgabe – ist entscheidend für den Erfolg des Heizprozesses.

Die Temperatur des Heizelements bestimmt die Strahlungswellenlänge eines Infrarotstrahlers und beeinflusst damit den Erwärmungsprozess. Kurzwellige Strahlung kann in einige Feststoffe tief eindringen und sorgt für gleichmäßige Durchwärmung, während mittelwellige Strahlung größtenteils an der Oberfläche absorbiert wird und diese vorrangig erhitzt. Mittelwellige Strahlung wird insbesondere von vielen Kunststoffen, Glas und vor allem Wasser sehr gut absorbiert und direkt in Wärme umgewandelt.

Die Kontrolle der von der Heizung ausgestrahlten Infrarotstrahlung ist essenziell. Wenn die IR-Heizung zu nah positioniert ist und zu viel Wärme abstrahlt, kann das zu trocknende Material überhitzen, was Blasenbildung oder Brandspuren verursachen kann. Wird hingegen zu wenig Wärme abgegeben, trocknet das Material nicht vollständig, was zu Durchhängen und unzureichender Oberflächenqualität führt. Daher ist die richtige Balance bei der Steuerung der Infrarotstrahlung entscheidend für eine erfolgreiche Prozesswärmebehandlung.

Der Einsatz herkömmlicher kontaktbasierter Temperatursensoren auf getrockneten Materialien ist in industriellen, volumenorientierten Produktionsprozessen unpraktisch. Zudem absorbiert ein massiver Kontaktsensor Wärme anders als dünne Beschichtungen, Lacke oder Tinten, da diese unterschiedliche spektrale Absorption und geringere thermische Masse aufweisen. Daher ist eine berührungslose Temperaturmesstechnik erforderlich.

Präzise Steuerung von Infrarotheizungen durch kompakte, hochtemperaturbeständige Infrarotsensoren

Die Integration eines Pyrometers in eine Infrarotheizung stellt eine besondere Herausforderung dar, da der verfügbare Einbauraum begrenzt ist. Der Sensorkopf des Infrarotsensors muss daher so klein wie möglich sein, um in die engen Strukturen der Heizung zu passen. Zudem muss der Sensorkopf, da er sich in unmittelbarer Nähe des Strahlers befindet, hohen Umgebungstemperaturen standhalten. Diese Kombination aus Kompaktheit und Temperaturbeständigkeit ist für eine effektive Integration unerlässlich. Darüber hinaus müssen die vom Pyrometer erfassten Temperaturdaten nahtlos in die Steuerung der Heizung eingespeist werden, um eine präzise Regelung und Optimierung des Heizprozesses zu gewährleisten. Bei Serienanwendungen muss diese Signalintegration zudem einfach und kosteneffizient erfolgen, um den Anforderungen der Großserienfertigung gerecht zu werden.

Der Optris CSmicro erfüllt diese Anforderungen mit seinem außergewöhnlich kleinen Sensorkopf, der über ein M12-Gewinde verfügt und eine einfache Integration in Infrarotheizungen ermöglicht. Dieser kompakte Sensorkopf ist für Umgebungstemperaturen bis 180 °C – einschließlich Kabel – ausgelegt, ohne dass dadurch die Messgenauigkeit beeinträchtigt oder eine Kühlung erforderlich wird. Besonders wertvoll ist dabei die Beständigkeit des Sensors gegen Temperaturschocks, wie sie durch das schnelle Aufheizen von IR-Trocknern entstehen, wodurch zuverlässige und präzise Temperaturdaten sichergestellt werden.

Die Temperaturdaten des Optris CSmicro werden über ein analoges 4–20-mA-Signal übertragen und können direkt in das Steuerungssystem der Heizung integriert werden. Wenn hingegen eine digitale Schnittstelle bevorzugt oder erforderlich ist, bietet die Optris CT-Serie eine vielseitige Alternative. Diese Serie behält denselben kleinen Sensorkopf bei, wird jedoch mit einer separaten Elektronikbox verbunden, die flexible Signaloptionen bereitstellt. Anwender können zwischen analogen und verschiedenen digitalen Schnittstellen wählen, wodurch das System an unterschiedliche Steuerungsanforderungen angepasst werden kann.

Diese Kombination aus kompakter Bauweise, hoher Temperaturbeständigkeit und vielseitigen Datenschnittstellen macht die Optris CSmicro- und CT-Serien ideal für den Einsatz in Infrarotheizungen. Sie bieten zuverlässige, präzise Temperaturmessung und -steuerung und gewährleisten optimale Leistung in industriellen Heizprozessen.