Ratgeber zum Kauf von Pyrometern

Wofür wird ein Pyrometer verwendet?

Pyrometer sind unverzichtbare Messgeräte in zahlreichen Industriezweigen und ermöglichen genaue, berührungslose Temperaturmessungen über einen breiten Temperaturbereich – von der Überwachung von Kühlketten bis hin zur Steuerung von Hochtemperaturprozessen in der Glas- und Metallproduktion. Durch die Bereitstellung zuverlässiger Temperaturdaten helfen sie dabei, thermische Unregelmäßigkeiten zu erkennen, wodurch die Effizienz gesteigert, die Sicherheit erhöht und das Kostenmanagement unterstützt wird.

Bei der Überwachung industrieller Prozesse erfassen Pyrometer die Temperaturen von Metall-, Glas- und Kunststoffprodukten während ihrer Herstellung. In der Metallurgie spielen Kurzwellenpyrometer eine entscheidende Rolle bei Prozessen mit geschmolzenen Metallen sowie beim Schmieden, Härten, Glühen und in Walzwerken. Die erfassten Daten fließen direkt in geschlossene Regelkreise ein und ermöglichen die Optimierung von Heiz- und Kühlzyklen, die Verbesserung von Prozessmodellen und letztendlich eine Steigerung von Durchsatz, Ausbeute und Rentabilität.

Bei Anwendungen mit induktiver Erwärmung ermöglichen Pyrometer eine kontinuierliche Überwachung ohne physischen Kontakt und werden dadurch nicht von starken elektromagnetischen Feldern beeinflusst. Sie können außerdem Alarme auslösen, wenn die gemessenen Temperaturen von vorgegebenen Grenzwerten abweichen, und so eine gleichmäßige Prozesskontrolle gewährleisten.

In der Halbleiterindustrie ist eine präzise und stabile Temperaturüberwachung in nahezu jeder Produktionsphase von entscheidender Bedeutung – von der chemischen Gasphasenabscheidung und Atomlagenabscheidung über die Polysilizium- und Kristallzüchtung bis hin zum abschließenden Waferpolieren.

Darüber hinaus werden Pyrometer eingesetzt, um mechanische und elektrische Systeme auf frühe Anzeichen von Reibung, Überhitzung, Fehlausrichtung oder Lagerverschleiß zu untersuchen. Werden diese Probleme frühzeitig erkannt, ermöglicht dies eine vorausschauende Wartung, die die Lebensdauer der Anlagen verlängern und kostspielige Schäden oder unerwartete Stillstandzeiten verhindern kann.

Wie funktioniert ein Infrarotthermometer?

Im Gegensatz zu herkömmlichen Thermometern, die das Messobjekt berühren müssen, um einen Messwert zu erfassen, können Pyrometer Temperaturen aus der Entfernung messen. Die Hauptaufgabe eines Pyrometers besteht darin, die Temperatur eines Objekts berührungslos anhand der von ihm abgegebenen Infrarotstrahlung zu bestimmen. Diese Infrarotstrahlung wird von jedem Objekt mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts (-273,15 °C) ausgesendet und liegt außerhalb des sichtbaren Lichtspektrums. Während sich diese Strahlung durch die Atmosphäre ausbreitet, wird ihr Weg maßgeblich von ihrer Wellenlänge beeinflusst. Die Atmosphäre weist Bereiche auf, in denen die Strahlung stark absorbiert wird, sowie Bereiche, in denen sie nahezu ungehindert passieren kann. Diese werden als atmosphärische Fenster bezeichnet. Für die berührungslose Temperaturmessung wird üblicherweise Infrarotstrahlung mit Wellenlängen von 0,5 bis 14 μm genutzt. Dieser Bereich umfasst verschiedene elektromagnetische Wellen, die in langwellige, mittelwellige und kurzwellige Infrarotstrahlung unterteilt werden.

Ideale schwarze Strahler sind die perfekten Emittenten von Infrarotenergie und strahlen bei allen Wellenlängen, ohne Strahlung zu reflektieren oder zu transmittieren. In der Realität erfüllen jedoch nur sehr wenige Objekte diesen idealen Zustand und geben selbst bei gleicher Temperatur häufig weniger Strahlung ab. Infrarotsensoren sind darauf ausgelegt, die von der Oberfläche eines Objekts emittierte Strahlung zu erfassen, zusammen mit reflektierter Strahlung aus der Umgebung und gegebenenfalls sogar mit transmittierter Infrarotstrahlung.

Der Emissionsgrad eines Materials beschreibt, wie stark es im Vergleich zu einem idealen schwarzen Strahler Wärmestrahlung emittiert, und kann Werte zwischen null und eins annehmen. Diese Eigenschaft wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst, darunter die Art des Materials, seine Oberflächenbeschaffenheit, die Temperatur, die Wellenlänge und der Messwinkel. Der Emissionsgrad ist für genaue Temperaturmessungen von entscheidender Bedeutung. Daher ist es wichtig, ihn entsprechend der jeweiligen Anwendung einzustellen und das geeignete Messgerät sorgfältig auszuwählen.

Bei der Infrarotstrahlung spielt das Stefan-Boltzmann-Gesetz eine wichtige Rolle, da es die Intensität der von einem Objekt emittierten Strahlung mit dessen Temperatur und Emissionsgrad in Beziehung setzt. Pyrometer, die für solche Messungen eingesetzt werden, sind für verschiedene Spektralbereiche erhältlich und können entweder als Einfarben- oder als Zweifarben-Quotientenpyrometer ausgeführt sein.

Alle Pyrometer bestehen aus drei Hauptkomponenten: einem optischen System, einem Detektor und der Elektronik. Zur Messung der Oberflächentemperatur eines Objekts erfasst das optische System die vom Objekt emittierte Energie und fokussiert sie auf den Detektor, der sehr empfindlich auf Infrarotstrahlung reagiert. Je nach verwendetem Infrarot-Wellenlängenbereich können unterschiedliche Detektortechnologien zum Einsatz kommen, beispielsweise Thermopiles oder Infrarot-Photodetektoren. Das vom Detektor erzeugte elektrische Signal wird von der Temperatur des Messobjekts, der Umgebungstemperatur und der Empfindlichkeit des Detektors beeinflusst. Dieses schwache elektrische Signal wird anschließend von der Elektronik des Pyrometers verstärkt und in ein digitales Format umgewandelt. Die digitalisierten Daten werden kontinuierlich anhand von Kalibrierdaten korrigiert. Anschließend stehen die Temperaturmesswerte zur Verfügung. Abhängig von den vorhandenen Schnittstellen kann zusätzlich eine weitere Signalverarbeitung für analoge oder digitale Ausgänge erfolgen.

Infrarotpyrometer sind mit unterschiedlichen Spektralbereichen, Messbereichen, Messgeschwindigkeiten, Empfindlichkeiten und Auflösungen erhältlich und decken dabei verschiedene Preisklassen ab. Darüber hinaus stehen unterschiedliche Leistungsklassen zur Verfügung, die dabei helfen, das passende Modell für die jeweiligen Anforderungen auszuwählen. Die folgende Erläuterung hilft Ihnen dabei, das für Ihre Anwendung am besten geeignete Pyrometer zu identifizieren und auszuwählen.

Schritt 1: Wählen Sie, ob ein Einfarben- oder Zweifarben-Messprinzip bevorzugt wird.

Grundsätzlich gibt es zwei Haupttypen von Pyrometern: Einfarben- und Zweifarbenpyrometer. Zweifarbenpyrometer werden auch als Quotientenpyrometer oder Zweiwellenlängenpyrometer bezeichnet.

Nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz steht die Wellenlänge des Strahlungsmaximums eines schwarzen Strahlers in umgekehrtem Verhältnis zu seiner Temperatur. Mit steigender Temperatur eines Objekts nimmt die von ihm emittierte Strahlung über das gesamte Wellenlängenspektrum zu, während sich das Maximum der emittierten Strahlung zu kürzeren Wellenlängen verschiebt.

Einfarbenpyrometer, die nach dem Intensitätsprinzip arbeiten, messen die Leistung der innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs emittierten Infrarotstrahlung. Quotientenpyrometer hingegen erfassen die Infrarotstrahlung bei zwei eng beieinanderliegenden Wellenlängen und bewerten das Verhältnis der beiden Intensitäten. Die Bandbreiten dieser beiden Wellenlängenbereiche können sich teilweise überlappen oder vollständig voneinander getrennt sein.

Ein wesentlicher Vorteil von Quotientenpyrometern besteht darin, dass sie auch dann zuverlässige Messwerte liefern können, wenn der Emissionsgrad unbekannt ist oder sich mit der Temperatur verändert. Voraussetzung dafür ist, dass beide Wellenlängensignale durch Änderungen des Emissionsgrads oder des Prozesses in gleicher Weise beeinflusst werden. Diese Fähigkeit, auch unter schwierigen Bedingungen konsistente und genaue Messwerte zu liefern, ist eine besondere Stärke von Zweifarbenpyrometern.

Quotientenpyrometer sind besonders dann hilfreich, wenn der Messfleck das Messobjekt nicht vollständig abdeckt oder das Objekt kleiner als der Messfleck des Pyrometers ist. Sie eignen sich außerdem für Situationen, in denen der optische Messpfad des Pyrometers durch wechselnde Transmissionen beeinflusst wird, beispielsweise durch Staub, Dampf, Verschmutzungen oder Fenster. Häufig kommen diese Geräte in anspruchsvollen industriellen Umgebungen wie der Metallverarbeitung zum Einsatz, in denen der Emissionsgrad unbekannt ist und schwankt, sich jedoch bei beiden Wellenlängen gleichermaßen verändert.

Es ist jedoch zu beachten, dass diese Geräte typischerweise einen eher zu höheren Temperaturen verschobenen Temperaturmessbereich aufweisen, größer gebaut sind und im Allgemeinen teurer als herkömmliche Einfarbenpyrometer sind.

Schritt 2: Wählen Sie den optimalen Spektralbereich des Pyrometers.

Unterschiedliche Detektortechnologien erfassen Infrarotenergie bei bestimmten Wellenlängen oder in bestimmten Wellenlängenbereichen, was die Messergebnisse erheblich beeinflussen kann. Materialien mit nicht glänzenden Oberflächen weisen in der Regel einen hohen und relativ konstanten Emissionsgrad auf, insbesondere in langwelligen Spektralbereichen. Metallische Materialien hingegen besitzen meist einen niedrigeren Emissionsgrad, der sich mit der Oberflächenbeschaffenheit verändert und bei längeren Wellenlängen abnimmt. Diese Schwankungen können es erschweren, konsistente und zuverlässige Messergebnisse zu erzielen.

Bei der Auswahl des geeigneten Temperaturmessgeräts müssen die Wellenlänge der Infrarotstrahlung und der Emissionsgrad des Materials innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs berücksichtigt werden. Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen, sollte der Spektralbereich eines Infrarotpyrometers mit dem Bereich übereinstimmen, in dem das Material den höchsten Emissionsgrad aufweist. Dabei sind insbesondere kurzwellige Messungen von Vorteil, da die Strahlungsintensität dort häufig am höchsten ist. Unternehmen wie Optris legen die Wellenlängenbereiche ihrer Infrarotthermometer gezielt auf bestimmte Messanforderungen aus und ordnen Materialien und Pyrometeroptionen entsprechend zu, um eine optimale Anpassung an die jeweilige Anwendung zu ermöglichen.

Schritt 3: Wählen Sie den richtigen Messbereich, die Auflösung und die Geschwindigkeit des Pyrometers

Der Temperaturbereich eines Objekts wird durch seine Fähigkeit bestimmt, sowohl extrem niedrige als auch hohe Temperaturen zu erreichen. Dieser Bereich wird durch die niedrigste und höchste Temperatur definiert, die bei einer bestimmten Messung oder Anwendung auftreten. Kurzwellige Sensoren können beispielsweise für Temperaturmessungen bis zu 3000 °C kalibriert werden. Der begrenzte Dynamikbereich elektronischer Komponenten und die nichtlinearen Eigenschaften der Planckschen Strahlung können es jedoch erschweren, sowohl sehr niedrige als auch sehr hohe Temperaturen zu messen. Daher können verschiedene Sensortypen unterschiedliche Temperaturmessbereiche aufweisen. Darüber hinaus spielt die Materialzusammensetzung des Objekts häufig eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Spektralbereichs, der wiederum den Messbereich beeinflusst.

Ein weiterer wichtiger Faktor bei Pyrometern ist die Temperaturauflösung, die als NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) bezeichnet wird. Dieser Wert gibt die kleinsten Temperaturunterschiede an, die der Infrarotsensor erfassen kann. Er hängt weitgehend vom Eigenrauschen des Sensors ab; ein Sensor mit geringerem Rauschen bietet eine bessere thermische Auflösung. Dabei ist es wichtig, zwischen Temperaturauflösung beziehungsweise Empfindlichkeit und Temperaturgenauigkeit zu unterscheiden. Während die Temperaturauflösung den kleinsten erkennbaren Temperaturunterschied innerhalb einer Szene oder über einen bestimmten Zeitraum angibt, beschreibt die Temperaturgenauigkeit, wie präzise der Sensor die tatsächliche Temperatur eines Objekts bestimmen kann. Selbst wenn ein Pyrometer also eine hohe Temperaturauflösung besitzt und sehr geringe Wärmeveränderungen erfassen kann, kann die Abweichung zwischen der gemessenen und der tatsächlichen Temperatur häufig größer als die thermische Auflösung sein. Dennoch verfügen viele Pyrometer über eine Option mit hoher Empfindlichkeit, bei der zugunsten einer verbesserten Temperaturauflösung auf einen Teil des Messbereichs verzichtet wird.

Aufgrund der Bauweise des Detektors und der Elektronik können Pyrometer unterschiedliche Ansprechzeiten aufweisen. Wenn schnelle Vorgänge erfasst werden müssen, ermöglichen kurz- bis mittelwellige Infrarot-Detektormaterialien in Pyrometern kürzere Belichtungszeiten, während langwellige Detektoren im Allgemeinen langsamer sind. Schnelle Pyrometer können bereits innerhalb von 0,3 ms auf Temperaturänderungen reagieren und eignen sich daher ideal für Hochgeschwindigkeitsmessungen.

Schritt 4: Wählen Sie die Optik des Infrarotsensors.

Bei Messaufbauten ist die Geometrie sowie das Verhältnis zwischen dem Abstand des Sensors und der Messfleckgröße ein wichtiger Faktor. Um genaue Messungen zu erzielen, insbesondere bei Einfarbenpyrometern, muss der Messfleck kleiner als das Messobjekt sein.

Das Verhältnis von Abstand zu Messfleckgröße, häufig als D:S-Verhältnis bezeichnet, ist eine wichtige Leistungskennzahl für Infrarotpyrometer. Im langwelligen Bereich erreichen heutige Hochleistungs-Pyrometer in der Regel maximal ein Verhältnis von 75:1, was hauptsächlich durch die Grenzen der Detektortechnologie bedingt ist. Das bedeutet, dass der Durchmesser des gemessenen Messflecks nur 1/75 des Abstands zwischen Pyrometer und Objekt beträgt. Wenn ein Pyrometer beispielsweise in einer Entfernung von 75 Metern zu einem Objekt installiert ist, misst es die Temperatur eines Messflecks mit einem Durchmesser von 1 Meter. Das D:S-Verhältnis gibt somit an, wie weit das Pyrometer von einem Ziel bestimmter Größe entfernt sein kann und dennoch eine genaue Temperaturmessung ermöglicht, solange der Messfleck kleiner als das Messobjekt selbst ist.

Um den Sensor noch besser an spezifische Anwendungsanforderungen anzupassen, stehen verschiedene Optikoptionen zur Verfügung. Zwei häufig verwendete Varianten sind Standardfokus- und Nahfokusoptiken. Der wesentliche Unterschied zwischen ihnen liegt im Verlauf des Strahlengangs und in ihren Fokusabständen. Standardfokusoptiken mit einem konkaven Strahlengang sind für größere Messabstände optimiert, während Nahfokusoptiken mit einem konvexen Strahlengang für kürzere Abstände ausgelegt sind. Diese Nahfokusoptiken können entweder direkt in das Pyrometer integriert oder als Zubehör erworben werden. Darüber hinaus verfügen einige Hochleistungs-Pyrometer über eine manuelle oder motorisierte Fokuseinstellung, mit der sich der Fokusabstand einfach anpassen lässt.

Schritt 5: Stellen Sie sicher, dass das Infrarotpyrometer mit dem richtigen Zubehör in der industriellen Umgebung zuverlässig funktioniert.

Pyrometer-Zubehör ist entscheidend dafür, dass Infrarotthermometer ihre optimale Leistung erreichen und in anspruchsvollen industriellen Umgebungen geschützt bleiben, in denen sie Hitze, Staub, Vibrationen, Stößen, Rauch und Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Obwohl dieses Zubehör für einen erfolgreichen Einsatz von großer Bedeutung ist, wird es bei der Budgetplanung häufig übersehen. Eine große Auswahl an Zubehörteilen, die auf den jeweiligen Infrarotsensor abgestimmt sind, gewährleistet optimale Leistung und Schutz in unterschiedlichen industriellen Anwendungen.

Während kleine Sensorköpfe Umgebungstemperaturen von bis zu 250 °C ohne Kühlung standhalten können, sind für noch höhere Temperaturen Kühlgehäuse erhältlich, die den Einsatz bei Umgebungstemperaturen von bis zu 315 °C ermöglichen. Bei hohen Umgebungstemperaturen werden außerdem spezielle Anschluss- und Signalkabel erforderlich. Optris Pyrometer sind dank ihres innovativen Designs und ihrer Fertigungstechnologien für ihre hohe Beständigkeit gegenüber Temperaturschocks bekannt. Ein robusteres Gehäuse kann die Wiederholbarkeit jedoch zusätzlich verbessern, wenn rund um den Sensor starke Temperaturschwankungen oder Temperaturgradienten auftreten.

In industriellen Umgebungen sind Luftblasvorsätze wichtig, um die Optik sauber zu halten und das Ablagern von Schmutz und Staub zu verhindern. Eine laminare Luftströmung sorgt dafür, dass der Bereich um die Linse staubfrei bleibt und eine freie Sicht gewährleistet ist.

Verstellbare Montagewinkel, Standard-Rohradapter, Visierrohre, Flansche und Fenster erleichtern die nahtlose mechanische Integration in industrielle Anwendungen. Zusammen erhöhen diese Zubehörteile die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Infrarotthermometern in anspruchsvollen industriellen Umgebungen.

Schritt 6: Berücksichtigen Sie, wie das Infrarotpyrometer in den Regelkreis des industriellen Prozesses integriert werden soll.

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, Infrarotsensoren in Maschinen oder industrielle Prozesse zu integrieren. In modernen Industrieumgebungen lassen sich Pyrometer direkt in Regelkreise einbinden und liefern Infrarot-Temperaturmesswerte, ohne dass zusätzliche Computersoftware erforderlich ist. Diese Sensoren verfügen in der Regel über mehrere analoge Ausgänge, die individuell skaliert werden können und so eine unkomplizierte Echtzeit-Datenübertragung an verschiedene Systeme ermöglichen. Darüber hinaus sind Optris Pyrometer mit einer Vielzahl industrieller Feldbussysteme und Kommunikationsprotokolle kompatibel, darunter EthernetIP, Ethernet, USB, ModbusTCP, CANBus, RS485, RS232, EtherCAT, IO-Link, ProfiBus und Profinet. Dadurch eignen sie sich ideal für Industriehersteller und ermöglichen eine unkomplizierte Integration in Maschinen. Für Einrichtung, Konfiguration und Datenaufzeichnung sind jedoch häufig Firmware-Updates für computerbasierte Software erforderlich, um sicherzustellen, dass jeder Infrarotsensor benutzerfreundlich ist und optimal funktioniert. Je nach erforderlicher Bandbreite, Kosten, Integrationsaufwand und notwendigem Fachwissen für die jeweilige Anwendung sollten die Kommunikationsprotokolle vom verantwortlichen Prozessingenieur im Vorfeld sorgfältig ausgewählt werden.

Schritt 7: Wählen Sie einen Anbieter oder Hersteller mit erfahrenem Anwendungssupport und Service.

Die Wahl eines Partners mit hochwertigen Service- und Supportleistungen ist ebenso wichtig wie die Auswahl des richtigen Infrarotsensors – insbesondere bei komplexen Technologien wie der Infrarotmesstechnik. Zuverlässige Hersteller legen Wert auf langfristige Leistungsfähigkeit und einen sicheren Betrieb, doch ebenso entscheidend ist ein kompetenter Anwendungssupport. Erfahrene Support-Ingenieure können zu Messmethoden beraten, Tests durchführen und Strategien zur Temperaturüberwachung optimieren. Wenn Reparaturen, Fehlerdiagnosen oder Schulungen erforderlich sind, werden ein reaktionsschneller Aftersales-Service und schnell verfügbare technische Expertise besonders wichtig. Diese Faktoren sollten bei der Auswahl eines Infrarotpyrometers eine wesentliche Rolle spielen.