IR-Pyrometer im Vergleich zu IR-Kameras

Wärmebildkamera oder Pyrometer: Sollte ich berührungslose Temperaturmessungen mit einem Einpunkt-Infrarotsensor durchführen oder eine Infrarotkamera mit Temperaturmessfunktion verwenden?

Zwei Hauptinstrumente dominieren die berührungslose Temperaturmessung: Wärmebildkameras und Pyrometer. Diese Technologien erfüllen unterschiedliche Aufgaben – Infrarotkameras erfassen Wärmebilder über mehrere Messpunkte hinweg, um Temperaturverteilungen auf Oberflächen oder in Bereichen abzubilden. Pyrometer hingegen liefern präzise, unmittelbare Temperaturmesswerte an einzelnen Punkten, ohne eine Bildgebung zu ermöglichen.

Historisch gesehen haben Prozessindustrien wie die Glas-, Metall-, Kunststoff- und Papierherstellung überwiegend auf kostengünstige Einpunkt-Pyrometer gesetzt. Diese Pyrometer ermöglichten gezielte Temperaturmessungen mithilfe von Detektorwellenlängen, die für bestimmte Materialien optimiert waren: kurzwellige Infrarotstrahlung für Metallanwendungen, mittelwellige Infrarotstrahlung für die Glasverarbeitung und langwellige Infrarotsensoren für die Überwachung von Umgebungstemperaturen bei Materialien mit hohem Emissionsgrad, beispielsweise Kunststoffen. In dieser Zeit waren Wärmebildkameras noch unverhältnismäßig teuer und verfügten nicht über die erforderliche Robustheit für anspruchsvolle industrielle Umgebungen.

Jüngste Fortschritte bei kostengünstigen Focal-Plane-Detector-Arrays haben diese Situation grundlegend verändert. Moderne Infrarotkameras können heute Tausende einzelner Detektorelemente nutzen, um die Temperatur an jedem beliebigen Punkt innerhalb ihres Sichtfelds zu messen. Darüber hinaus haben Infrarotkameras für industrielle Prozessanwendungen inzwischen ein Preisniveau erreicht, das mit herkömmlichen Pyrometern vergleichbar ist, und bieten gleichzeitig eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen.

Diese technologische Annäherung stellt Prozessingenieure vor eine wichtige Entscheidung: die Auswahl zwischen Punktsensoren und Infrarotkameras auf Grundlage der jeweiligen Anwendungsanforderungen. Die folgende Analyse untersucht die grundlegenden Stärken der jeweiligen Sensortechnologie und bietet praktische Orientierung bei der Auswahl der am besten geeigneten Sensortechnologie für Anwendungen zur Temperaturmessung.

Wann ist eine Infrarotkamera die bessere Lösung als ein Pyrometer?

• Wenn Sie nicht wissen, wo sich der Hotspot befindet.

Viele Prozessingenieure müssen die höchsten Temperaturen an einem bestimmten Bauteil kennen. Einpunktsensoren müssen auf einen einzelnen Messpunkt ausgerichtet und entsprechend montiert werden, sodass das Pyrometer die Temperatur des durch die Sensoroptik erfassten Messflecks bestimmt. Eine Infrarotkamera kann hingegen den gesamten Bereich eines Bauteils überwachen und die höchste (oder niedrigste) Temperatur des Bauteils ausgeben. Kurz gesagt: Ein Punktpyrometer ist ein geeignetes Messgerät, wenn die Position des Messpunkts genau bekannt ist. Wenn sich das Messziel jedoch nicht immer an derselben Stelle befindet und der heißeste Punkt zuverlässig erkannt werden soll, ist eine Infrarotkamera die richtige Wahl.

• Wenn mehrere Messungen vorzuziehen sind.

Große Kunststoffteile wie Stoßfänger für Kraftfahrzeuge oder Bauteile für die Luft- und Raumfahrt können erhebliche Temperaturschwankungen aufweisen, die auf gravierende Prozessprobleme hindeuten können. Eine Infrarotkamera mit der richtigen Optik kann Hunderte von Punktmessungen an kleinen und großen Messobjekten erfassen. Es können auch zahlreiche Punktpyrometer eingesetzt werden, doch die Anbringung mehrerer Infrarotsensoren an verschiedenen Stellen und die Verarbeitungsauswertung der Messdaten kann kompliziert und kostspielig sein. Viele Ingenieure ziehen es zudem vor, eine IR-Kamera anstelle von Kontakt-Thermoelementen zu verwenden, wenn sie Dutzende von Stellen in einem Bereich überwachen, wie beispielsweise im Motorraum eines zu prüfenden Fahrzeugs. Zwei kostengünstige IR-Kameras, die auf beiden Seiten eines zu prüfenden Objekts angebracht sind, erfassen Tausende von Temperaturmessungen und bieten den Vorteil, dass sie Hotspots erkennen, an denen möglicherweise kein Thermoelement positioniert wurde.

• Wenn Temperaturgradienten auf Prozessprobleme hinweisen.

Temperaturgradienten in vielen Produkten, die in Plattenform hergestellt werden (Papier, Glas, Stahl, Kunststofffolie, Gipskartonplatten usw.), werden häufig mit Infrarotkameras oder Zeilenabtastsystemen im manuellen Modus überwacht. Ein Bediener passt Trockner oder Heizelemente anhand von Farbabweichungen in einem Infrarotbild an, das Temperaturunterschiede darstellt. Mehrere Infrarot-Pyrometer könnten zahlreiche Datenpunkte erfassen. Dennoch würden sie niemals einen umfassenden Überblick und ein visuelles Verständnis der allmählichen Temperaturschwankungen an einem Produkt liefern, das in einem bahnbasierten Fertigungsprozess hergestellt wird. „Wärmestreifen“, die höhere oder niedrigere Temperaturen anzeigen, werden mit einer IR-Kamera deutlich sichtbar, würden jedoch übersehen, wenn das Pyrometer nicht auf den Streifen ausgerichtet wäre. Optris-Wärmebildkameras und -Software können in den „Zeilenabtastmodus“ umgeschaltet werden, um Temperaturgradienten über jede Bahn hinweg zu erfassen, die sich unter der Zielzeile bewegt. Wenn Temperaturgradienten auf Prozessprobleme hinweisen.Temperaturgradienten in vielen in Bahnen hergestellten Produkten (Papier, Glas, Stahl, Kunststofffolie, Wandplatten usw.) werden häufig mit Infrarotkameras oder Zeilenscansystemen im manuellen Modus überwacht. Ein Bediener passt Trockner oder Heizelemente anhand von Farbabweichungen in einem Infrarotbild an, das Temperaturunterschiede darstellt. Mehrere Infrarot-Pyrometer könnten zahlreiche Datenpunkte erfassen. Dennoch würden sie niemals einen umfassenden Überblick und ein visuelles Verständnis der allmählichen Temperaturschwankungen bei einem Produkt liefern, das in einem bahnbasierten Fertigungsprozess hergestellt wird. „Wärmestreifen“, die höhere oder niedrigere Temperaturen anzeigen, werden mit einer IR-Kamera deutlich sichtbar, würden jedoch übersehen, wenn das Pyrometer nicht auf den Streifen ausgerichtet wäre. Optris-Wärmebildkameras und -Software können in den „Zeilenabtastmodus“ umgeschaltet werden, um Temperaturgradienten über jede sich unter der Zielzeile bewegende Bahn zu erfassen.

• Wenn der zu messende Messfleck sehr klein ist.

Selbst bei Verwendung einer Nahfokusoptik lassen sich mit einem Pyrometer genaue Messungen der Messfleckgröße nur an Zielen durchführen. Hier ist das Verhältnis von Entfernung zu Messfleckgröße, auch bekannt als D:S-Verhältnis oder Entfernung-zu-Ziel-Verhältnis, ein wichtiges Leistungsmerkmal für Infrarot-Pyrometer. Im langwelligen Bereich sind aktuelle hochleistungsfähige Pyrometer des neuesten Stands der Technik aufgrund der verwendeten Detektortechnologie auf ein Verhältnis von 75:1 begrenzt. Das bedeutet, dass der Durchmesser des zu messenden Messflecks 1/75 der Entfernung vom Pyrometer zum Objekt beträgt. Ein Pyrometer, das 75 m vom Objekt entfernt positioniert ist, misst die Temperatur eines Spots mit einem Durchmesser von 1 m.

Aufgrund der Detektortechnologie und der Detektorgröße erreicht eine moderne ungekühlte Infrarotkamera mit einem Pixelabstand von 17 µm und handelsüblicher Fernfeldoptik ein überragendes Abstand-zu-Spotgrößen-Verhältnis von 813:1.

Die Vorteile kleiner Spotgrößen kommen bei der Messung winziger Objekte in mikroskopischen Anwendungen noch deutlicher zum Tragen. Wenn kleine Ziele gemessen werden müssen, sind IR-Kameras die bessere Wahl, da das Verhältnis von Entfernung zu Spotgröße um eine Größenordnung besser ist.

Wann ist ein Punktpyrometer die bessere Lösung als eine Wärmebildkamera?

• Wenn Budgetbeschränkungen eine sehr kostengünstige Messlösung oder eine Anwendung im Großmaßstab erfordern.

Kalibrierte Einpunkt-Pyrometer, die genaue berührungslose Messungen an Zielen mit hohem Emissionsgrad liefern, sind zum gleichen Preis wie industrielle Kontakt-Temperaturmessgeräte erhältlich, was sie für manche Anwender zur einzigen zugänglichen berührungslosen Messlösung macht.

Selbst das günstigste Pyrometer kostet immer noch etwa ein Zehntel des Preises der günstigsten Wärmebildkamera.

• Wenn das Zielmaterial einen Wellenlängenbereich erfordert, der für eine Wärmebildkamera nicht verfügbar ist,

erfordern manche Materialien, wie beispielsweise dünne Kunststofffolien oder Metalle unter 450 °C, spezielle Wellenlängensensoren, die als Detektoroptionen für Wärmebildkameras nicht erhältlich sind, sodass ein Pyrometer die bessere Wahl darstellt.

Einige Unternehmen setzen seit vielen Jahren Einpunkt-Infrarotsensoren mit einem bestimmten Wellenlängenbereich ein und benötigen möglicherweise einen Ersatz-IR-Sensor, der im gleichen Wellenlängenbereich arbeitet, um historische Daten abzugleichen. Ein Beispiel hierfür ist ein Pyrometer zur Glasmessung, das bei 5,0 µm anspricht. Da für diese Wellenlänge keine erschwinglichen Wärmebildkameras erhältlich sind, ist der Austausch eines älteren Pyrometers durch ein neues, das auf dieselbe Wellenlänge anspricht, möglicherweise die beste Option.

• Wenn der Platz die Anbringung einer IR-Kamera unmöglich macht.

Wärmebildkameras sind bereits in Größen von 36 mm (Durchmesser) x 90 mm (Länge) erhältlich. Dennoch kann diese Größe für manche Messanforderungen zu groß sein, beispielsweise wenn ein Sensor in ein anderes Gerät eingebaut werden soll. Ein Pyrometer lässt sich in einem kleinen Sensorkopf mit den Maßen 14 mm (Durchmesser) x 28 mm (Länge) unterbringen und ist damit die beste Lösung für beengte Einbaubedingungen.

• Wenn hohe Betriebstemperaturen und raue Umgebungsbedingungen die widerstandsfähigste Technologie erfordern.

Obwohl viele Optris-Wärmebildkameras ohne zusätzliche Kühlung bis zu 70 °C eingesetzt werden können, erfordern viele industrielle Umgebungen und die Maschinenintegration eine höhere Umgebungstemperaturbeständigkeit.

Kleine Pyrometer-Sensorköpfe können zudem ohne Kühlung bei Umgebungstemperaturen zwischen 85 °C und 250 °C betrieben werden, was sie zur einzigen Lösung für heiße Umgebungen macht.

Stöße und Vibrationen von Prozessanlagen können den Verschlussmechanismus beschädigen, der für genaue Messungen einer Infrarotkamera erforderlich ist. IR-Kameras unterliegen den in der Norm IEC 60068-2 beschriebenen Vibrationsgrenzen. Die meisten Infrarot-Pyrometer sind Halbleitersensoren und halten höheren Stößen stand, da sie in der Regel keine beweglichen Teile aufweisen.

• Wenn eine einfache Integration in SPS und eine unkomplizierte Installation wichtig sind.

Ein besonderes Merkmal der Optris-Infrarotkameras der Xi-Serie ist der autonome Betrieb. Eine permanente Verbindung zur Software oder zu einem Computer ist nicht erforderlich. Es müssen lediglich einige Einstellungen vorab in der Software vorgenommen werden. In Kombination mit modernen Feldbussystemen wie EthernetIP, ProfiNet oder Modbus TCP lassen sich Wärmebildkameras problemlos in bestehende SPS-Netzwerke integrieren.

Dennoch kann zusätzliche Software, die auf zusätzlicher Hardware läuft und für fortgeschrittene Bildverarbeitung oder sehr komplexe Anwendungen vorgesehen ist, zu einem wesentlichen Bestandteil einer maßgeschneiderten Lösung werden. Die Adressierung jedes einzelnen Pixels im Bild anstelle der Verwendung eines einzigen Temperaturwerts erhöht die Komplexität von Softwarelösungen und den Bedarf an Hardware-Ressourcen.

Pyrometer bieten eine geringere Komplexität, da meist nur ein einziger Temperaturwert an eine Steuerungsanwendung übermittelt werden muss.

Alle Punkt-Sensoren der Optris-Produktreihe unterstützen gängige analoge (Spannung, Strom) und digitale Ausgangsstandards wie EthernetIP, ProfiNet, ProfiBus, CANBus, ModbusTCP sowie weitere serielle Kommunikationsprotokolle wie RS232 und RS485.

• Wenn es auf Geschwindigkeit ankommt

Die meisten für Produktionsumgebungen entwickelten IR-Kameras können bei Zielen unter 450 °C keine Temperaturrückmeldung mit einer Reaktionszeit von weniger als 8 ms liefern.

Neue Detektormaterialien für Infrarot-Pyrometer können bereits nach 0,3 ms auf Temperaturänderungen reagieren und sind damit die bevorzugte Lösung für Hochgeschwindigkeitsmessungen an sich schnell bewegenden Zielen oder für Temperaturtests mit ultraschnellen Temperaturverläufen. Eine Ausnahme von den Geschwindigkeitsbeschränkungen bei IR-Kameras bilden die für hohe Temperaturen eingesetzten Kurzwellenkameras, die einzelne Temperaturmesswerte im Millisekundenbereich liefern.

• Wenn spezielle Anwendungen Verhältnis- oder Zweifarben-Wellenlängenmessungen erfordern

Bei einigen Produktionsprozessen entstehen erhebliche Mengen an Staub oder anderen Partikeln in der Sichtlinie des Sensors, die das vom zu messenden Teil abgegebene Infrarotsignal dämpfen. Die daraus resultierenden Fehler lassen sich beseitigen, wenn die Ausgangssignale von Zweifarben-Wellenlängensensoren in eine Verhältnis-Temperaturberechnung einbezogen werden.

Diese einzigartigen Pyrometer bieten je nach Temperaturmessverfahren eine geringere Emissivität, wobei die Temperatur durch den Vergleich der Intensität der abgegebenen Infrarotstrahlung berechnet wird.

Diese Pyrometer sind in verschiedenen industriellen Anwendungen nützlich, beispielsweise in der Stahlproduktion, der Keramikherstellung und der Glasverarbeitung. Wenn der Emissionsgrad unbekannt ist, wird der Strahlengang durch Staub gedämpft oder die Messung teilweise blockiert.

• Wenn die Zieltemperaturen über 3000 °C liegen

Kurzwellige Infrarotkameras für die Hochtemperaturmessung von Metallen messen typischerweise bis zu 2000 °C. Eine spezielle G7-Wärmebildkamera ist nun in der Lage, bis zu 3000 °C zu messen. Kurz- oder kurzwellige Verhältnissensoren können auf Temperaturen bis zu 3500 °C kalibriert werden. Dies hängt mit den Funktionsprinzipien einiger Detektoren zusammen, die nur in Pyrometern verfügbar sind, darunter die Übersättigung von Bolometern bei hohen Temperaturen und ein überlegener Dynamikbereich der analogen Elektronik.

Fazit und nächste Schritte:

Bevor Sie sich für eine berührungslose Infrarot-Messlösung entscheiden, sollten Sie zunächst prüfen, welche Technologie – Infrarotkamera oder Pyrometer – für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist. Im nächsten Schritt wählen Sie die optimale Sensorwellenlänge aus, um präzise Messungen zu gewährleisten. Neben der Auswahl der optischen Optionen, mit denen sich Ihr Ziel oder Ihre Ziele am effizientesten erfassen lassen, muss auch die richtige Schnittstellenoption ausgewählt werden.

Dennoch ist es immer ratsam, die Anwendung mit einem von Optris geschulten Anwendungsingenieur zu besprechen, der sicherstellt, dass das optimale Messgerät für genaue berührungslose Temperaturmessungen ausgewählt wird.

Unsere Anwendungsingenieure oder Vertriebspartner unterstützen Sie bei diesen Überlegungen mit ihrem umfassenden Fachwissen.