Kurzwellig vs. langwellig

Kurz- und langwellige Wärmebildkameras und Pyrometer: Ein Leitfaden zur Auswahl

Nach dem Planckschen Gesetz strahlt ein heißeres Objekt deutlich mehr Infrarotenergie ab, und der Peak seines Emissionsspektrums verschiebt sich mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen. In der Praxis strahlen Hochtemperaturziele einen größeren Anteil ihrer Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich ab, was zu einem deutlich stärkeren Signal für kurzwellige Sensoren führt. Bei jeder gegebenen Temperatur wächst die abgestrahlte Energie exponentiell mit abnehmender Messwellenlänge, was bei kurzwelligen Detektoren zu einer steileren Sensorantwortkurve führt. Im Gegensatz dazu weisen langwellige Sensoren einen allmählicheren Anstieg des Signals mit der Temperatur auf, da sie in einem Teil des Spektrums arbeiten, in dem die Temperaturabhängigkeit weniger ausgeprägt ist. Das bedeutet, dass kurzwellige Pyrometer bei hohen Temperaturen äußerst empfindlich reagieren, während sich bei niedrigeren Objekttemperaturen der Großteil der Strahlung in den langwelligen Bereich verlagert – wodurch kurzwellige Detektoren nur ein sehr schwaches Signal empfangen.

Diese Prinzipien erklären, warum kurzwellige Sensoren sich hervorragend für die Messung hoher Temperaturen eignen, während langwellige Sensoren oft für die genaue Messung kälterer Objekte erforderlich sind.

Abbildung 1 zeigt die durch einen Fehler von 10 % bei der Emissivität verursachte Messabweichung. Die auf einer logarithmischen Y-Achse dargestellte Temperaturabweichung ist erheblich. Bei kürzeren Wellenlängen nimmt diese Abweichung exponentiell ab.

Vorteile von Kurzwellen-Pyrometern und Wärmebildkameras

Kurzwellen-Infrarotsensoren bieten zahlreiche Vorteile, insbesondere bei hohen Temperaturen oder unter schwierigen Messbedingungen:

• Geringere Empfindlichkeit gegenüber Emissivitätsfehlern: Bei Kurzwellenmessungen spielt die Temperatur des Messobjekts die entscheidende Rolle, sodass eine falsche Emissivitätseinstellung die Genauigkeit weniger stark beeinträchtigt. Im kurzwelligen IR-Bereich überwiegt die exponentielle Temperaturabhängigkeit die Emissionsgrad-Effekte, was bedeutet, dass der Messfehler aufgrund von Unsicherheiten beim Emissionsgrad deutlich geringer ist.
• Höhere Robustheit gegenüber Schwankungen des Emissionsgrades: Dank des geringeren Einflusses des Emissionsgrades bei kurzen Wellenlängen behalten diese Sensoren ihre Genauigkeit auch dann bei, wenn der Emissionsgrad eines Messobjekts unbekannt ist oder sich ändert. Kurzwellensensoren sind daher zuverlässiger in Anwendungen, in denen der Emissionsgrad nicht genau definiert werden kann oder während des Betriebs variieren kann.
• Bessere Messung auf metallischen Oberflächen: Viele Metalle und glänzende Materialien weisen bei kurzen IR-Wellenlängen eine höhere Emissivität auf. Kurzwellige Pyrometer können daher die Temperaturen metallischer Objekte zuverlässiger erfassen, während langwellige Sensoren auf polierten Metalloberflächen instabile oder zu niedrige Messwerte liefern können.
• Hohe Signalstärke bei hohen Temperaturen: Bei sehr hohen Objekttemperaturen empfangen kurzwellige Sensoren ein deutlich stärkeres Infrarotsignal. Der Großteil der Wärmestrahlung eines heißen Objekts liegt im kurzwelligen Bereich, was zu einem höheren Detektorausgang im kurzwelligen Band führt.

Vorteile von Kurzwellen-Pyrometern und Wärmebildkameras

Langwellen-Infrarotsensoren haben in bestimmten Anwendungsszenarien ihre eigenen Stärken:

• Messung niedriger Temperaturen: Langwellen-Detektoren können kältere Ziele messen als Kurzwellensensoren. Objekte mit niedriger Temperatur strahlen den Großteil ihrer Wärmestrahlung bei längeren IR-Wellenlängen ab, sodass ein Langwellensensor unter diesen Bedingungen ein stärkeres Signal empfängt.
• Geeignet bei gut charakterisiertem Emissionsgrad: Ist der Emissionsgrad des Zielobjekts hoch, stabil und genau bekannt, kann ein Langwellen-Sensor mit minimaler Fehlerquote gute Ergebnisse liefern. In kontrollierten Situationen, in denen Niedertemperaturmessungen erforderlich sind und der Emissionsgrad des Materials gut charakterisiert ist, ist der Einsatz eines Langwellen-Messgeräts die richtige Wahl.

Auswahlkriterien für die Wellenlänge von Pyrometern und Wärmebildkameras

Bei der Entscheidung zwischen einem kurzwelligen und einem langwelligen Pyrometer oder einer Wärmebildkamera ist es entscheidend, den Kompromiss zwischen der Messwellenlänge und der Starttemperatur des Sensors zu berücksichtigen. Als Starttemperatur wird hier die niedrigste Temperatur bezeichnet, bei der ein zuverlässiger Messwert ermittelt werden kann. Kurzwellige Wärmebildkameras oder Pyrometer weisen naturgemäß höhere Starttemperaturgrenzen auf – sie können sehr niedrige Temperaturen schlichtweg nicht erfassen, da kalte Objekte bei kurzen IR-Wellenlängen zu wenig Energie abstrahlen. Das bedeutet, dass der Messbereich der Infrarotkamera oder des Pyrometers unterhalb der niedrigsten im Prozess zu erwartenden Temperatur beginnen muss. Wenn der Prozess oder das Messobjekt zu irgendeinem Zeitpunkt recht kalt sein kann, ist möglicherweise ein langwelliger Sensor erforderlich, um diese niedrigen Temperaturwerte zu erfassen.

Im Allgemeinen ist es am besten, die kürzeste Wellenlänge der Infrarotkamera oder des Pyrometers zu wählen, die knapp unter der Mindesttemperatur der Anwendung liegt, oder sogar auf den unteren Bereich des Temperaturbereichs zu verzichten, um insgesamt eine bessere Wiederholbarkeit und Genauigkeit zu erzielen. Vermeiden Sie die Wahl eines Modells mit unnötig langer Wellenlänge, nur um etwas niedrigere Temperaturen zu erfassen – die Verwendung einer längeren Wellenlänge als nötig kann die Messgenauigkeit verringern und die Anfälligkeit für Emissionsgradfehler erhöhen.

Wählen Sie die kürzestmögliche Wellenlänge, um Genauigkeit und Robustheit zu maximieren und gleichzeitig den gesamten Temperaturbereich abzudecken!