EP Basics Pyrometer und Wärmebildkamera: Messen mit Infrarot im industriellen Einsatz

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Infrarot-Temperaturmessung ermöglicht berührungslose Messungen dort, wo herkömmliche Sensoren an ihre Grenzen stoßen. Von Pyrometern bis zu Wärmebildkameras bietet die IR-Technik präzise Messlösungen für den Einsatz in der Industrie.

Die Auswertung der von Oberflächen abgegebenen Wärmestrahlung ermöglicht Rückschlüsse auf deren Temperatur. Dieses Verfahren wird seit langer Zeit sowohl zur punktuellen als auch zur flächigen Messung von Objekttemperaturen eingesetzt. In diesem Artikel werden die grundlegenden Verfahren im Überblick dargestellt und ein aktuelles Forschungsprojekt, bei dem die Rohmessdaten eines an der Decke einer Produktionshalle angebrachten Netzes aus Infrarotmodulen mit KI-basierter Auswertung erfasst werden, kurz skizziert.

Mit Pyrometern berührungslos die Temperatur messen

Manchmal ist es nicht möglich, Temperatursensoren an den Stellen zu platzieren, an denen Temperaturen gemessen werden sollen. In diesem Fall bietet sich die berührungslose Temperaturmessung nach dem sogenannten pyrometrischen Prinzip als Alternative an. Dabei wird ausgenutzt, dass jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt Strahlung emittiert, die mit einer entsprechenden Optik, meist einer einfachen Sammellinse, eingefangen werden kann.

Wie in Bild 1 dargestellt, wird dabei entsprechend der Brennweite der Optik ein Messpunkt auf einer Oberfläche anvisiert. Die von diesem Messpunkt ausgehende Strahlung wird auf einen konventionellen Temperatursensor gebündelt. Hier kommen überwiegend thermoresistive Sensoren oder Thermopiles zum Einsatz. Ausgenutzt wird die im Sensor auftretende Temperaturerhöhung. Die physikalische Grundlage hierfür ist das Plancksche Strahlungsgesetz. Es beschreibt die sogenannte spektrale spezifische Ausstrahlung eines schwarzen Strahlers Mλ, gemessen in W/(m² m) , über der Wellenlänge λ in Form einer Funktion.

Pyrometer und das Stefan-Boltzmann-Gesetz

Bild 2 zeigt den Zusammenhang in Form einer Kennlinienschar, wobei die Absoluttemperatur T des Strahlers der Parameter ist. Der Wellenlängenbereich umfasst das gesamte Spektrum von der Röntgenstrahlung über den Ultraviolettbereich bis in den schmalen sichtbaren Bereich, dann in den Infrarotbereich und schließlich bei noch größerer Wellenlänge in den Bereich der Radiowellen.

Integriert man eine Scharkurve über den gesamten Wellenlängenbereich, so erhält man die gesamte spezifische Ausstrahlung eines schwarzen Strahlers (in W/m²), was zum Stefan-Boltzmann-Gesetz führt:

In der Formel ist σ die Stefan-Boltzmann-Konstante mit einem Wert von ungefähr 5,670·10^-12 W/(cm²K⁴).

Mit den bei Pyrometerlinsen verwendeten optischen Materialien lässt sich nur Strahlung im sichtbaren Bereich bis in den nahen Infrarotbereich hinein bündeln. Die Durchlässigkeit von Glas endet beispielsweise bei ungefähr 4 µm, beschichtete Si-Wafer schaffen je nach Beschichtung bis ungefähr 20 µm.

Pyrometer werten also nur einen gewissen Bruchteil von M gemäß dieser Formel aus. Der Hersteller eines Pyrometers könnte dieses im Prinzip auf die sich bauartbedingt ergebende Kennlinie kalibrieren, wenn nicht ein wichtiger Einflussfaktor noch existierte: Reale Körper sind keine schwarzen Strahler im Sinne der Physik. Ihre Oberflächen weisen gewisse Strukturen auf, die dafür sorgen, dass nur ein Bruchteil von M als M_r wirklich emittiert wird. Dieser Anteil wird durch einen Emissionsfaktor ε ausgedrückt.

Der Emissionsfaktor ε bewegt sich zwischen 0 = keine Emission und 1 = vollständige Emission.

Beispiele:

• polierter Stahl: ε ≈ 7 %

• Chrom: ε ≈ 30 %

• stark verrosteter Stahl: ε ≈ 85 %

• Glas: ε ≈ 94 %

Auch diese Werte sind nur grobe Anhaltspunkte, da ε wiederum selbst auch von der Wellenlänge und der Temperatur abhängt. Für die messtechnische Praxis bedeutet dies, dass stets eine Kalibriermessung unter Verwendung der konkreten Messoberfläche vorzunehmen ist. Oftmals geht ein niedriger Emissionsfaktor auch mit einem hohen Reflexionsfaktor einher. So kann es passieren, dass blank polierte Metalloberflächen nicht nur relativ geringe Strahlungsemissionen zeigen, sondern darüber hinaus auch sehr schnell Störstrahlungen per Reflexion in die Optik einbringen.

Dadurch wird eine Messung mit einfachen Pyrometern unmöglich. Hierfür gibt es aufwendigere Multispektralpyrometer, die über mehrere Messkanäle für jeweils spezielle Wellenlängenbereiche verfügen. Durch entsprechende Verrechnungen kann näherungsweise ein vom Emissionsfaktor und gewissen Umgebungsstörungen unabhängiges Messergebnis erzielt werden.

Fortschritte in der Wärmebildsensorik

Zur Aufnahme von Wärmebildern im industriellen Umfeld oder an Hausfassaden werden seit längerem mehr oder weniger großvolumige Wärmebildkameras eingesetzt. In den letzten etwa zehn Jahren wurden nun kleinvolumige Sensoren eingeführt, die Wärmebilder mit einer Auflösung von beispielsweise 640 x 512 Pixeln (um einen weit verbreiteten Typ zu nennen) und Messzeiten von deutlich unter einer Sekunde pro Bild erzeugen. Diese können über konventionelle Videoausgänge oder eine Digitalschnittstelle ausgelesen werden. Sowohl reine Sensorchips als auch komplette Miniatursensormodule mit integrierter Optik in verschiedensten Brennweiten werden angeboten.

Derartige Sensoren basieren, ähnlich wie Pyrometer, auf der Auswertung von Infrarotstrahlung. Bild 3 zeigt das Prinzip. Eine Oberfläche wird mithilfe einer Optik auf einen 2D-Detektorchip abgebildet. Die bildaufnehmende Struktur ist ein in Pixel unterteiltes Flächenelement. Jedes Pixel wertet die durch die einfallende Strahlung generierte Erwärmung aus (Bolometerprinzip).

Bild 4 zeigt die Struktur eines einzelnen Pixels: Eine Membran aus typischerweise Vanadiumoxid (VOx) oder amorphem Silizium (a-Si), welche die eigentliche Infrarotstrahlung aufnimmt, ist wärmeisoliert über einer darunterliegenden Ausleseelektronik aufgehängt. Die Aufhängung erfolgt über zwei Stäbe, die gleichzeitig als Elektroden dienen. Über diese Elektroden wird der elektrische Widerstand der Membran gemessen, der sich bei Erwärmung ändert.

Die Membran nimmt zunächst nur einen Teil der einfallenden Strahlung auf. Der verbleibende Teil durchläuft die Membran, wird jedoch durch die darunter befindliche Reflektorschicht wieder zurückgeworfen. Da der Abstand zwischen Reflektorschicht und Membran auf etwa ein Viertel der mittleren Wellenlänge der typischen Infrarotstrahlung dimensioniert ist, ergibt sich eine Resonatorstruktur, die eine maximale Absorption ermöglicht. Zur thermischen Isolation wird die Umgebung vakuumisoliert, was eine geeignete Gehäusung des Chips erfordert. Entsprechende Chips oder damit aufgebaute Sensormodule sind für die folgenden Wellenlängenbereiche erhältlich. Dabei sind auch die typischerweise damit gemessenen Temperaturbereiche sowie die Materialien der Messoberflächen aufgeführt:

• 0,8 bis 1,1 μm / 600 bis 3.000 °C / Metalle, Glasschmelzen

• 1,4 bis 1,6 μm / 300 bis 1.200 °C / Metalle, Keramik, Graphit

• 3 bis 5 μm / 100 bis 500 °C / Metalle, Keramik

• 4,8 bis 5,2 μm / 200 bis 1.250 °C / Glas

• 8 bis 14 μm / -20 bis 500 °C / diverse Oberflächen

Zum Vergleich: Sichtbares Licht umfasst Wellenlängen von ungefähr 0,4 bis 0,7 μm.

Kalibrierung und technische Spezifikationen des Wärmebildsensors

Aufgrund der bereits beim Pyrometer geschilderten Problematik, dass verschiedene Messoberflächen das Messergebnis beeinflussen, ist bei Anwendungen mit Wärmebildsensoren meist die flächige Temperaturverteilung von Interesse und nicht der genaue Temperaturmesswert an einzelnen Stellen. Um letzteren einigermaßen exakt zu messen, ist auch beim Wärmebildsensor eine Kalibrierung anhand einer spezifischen Messoberfläche erforderlich. Heute verfügbare Wärmebildsensoren sind typischerweise mit folgenden Kenndaten ausgestattet:

• Auflösung: ca. 320 x 240 bis 1.024 x 768 Pixel

• Bauform: Sensormodul oder Wärmebildkamera

• Öffnungswinkel: ca. 18° x 14° bis 90° x 74°

• Messentfernung: ca. 1 bis 10 m

• Fokus: fest, manuell einstellbar, Motorfokus

• Bildfrequenz: ca. 1 bis 50 Hz

NETD (Noise Equivalent Temperature Difference): ca. 0,06 bis 1 K (bei 25 °C Umgebungstemperatur). Hierunter versteht man die maximale Messabweichung, die durch das Eigenrauschen des Chips entsteht.

Datenausgang: analoges Bildsignal (PAL, NTSC), digitale Schnittstelle (USB/LAN/WLAN/Bluetooth) mit Bildformat beispielsweise JPEG oder herstellerspezifisch

Zusatzfunktionen: beispielsweise Emissionsgradkorrektur, Bildfilter (z.B. Grauskala, Hot Spots), Schaltausgänge, Treiber-/Auswertesoftware

Forschungsprojekt mit KI-basiertem Infrarot-Monitoringnetz

Die Professur arbeitet aktuell zusammen mit drei Unternehmen an einem Forschungsvorhaben, in dem ein komplett neuer Hardwareansatz verfolgt wird, um eine Vielzahl kritischer Betriebszustände, die in Produktionsbereichen auftreten, frühzeitig zu lokalisieren. Die Innovation dieses Ansatzes besteht darin, dass hierzu erstmals ein intelligentes Netz aus Infrarotsensormodulen, das über dem Produktionsbereich installiert ist, benutzt werden soll (Bild 5).

Die Strahlengänge mehrerer Module überschneiden sich dabei, sodass aus den zunächst pro Modul erfassten zweidimensionalen Wärmebildern eine dreidimensionale Temperaturverteilung aller unter beliebigen Blickwinkeln „sichtbaren” Oberflächen (zum Beispiel von Maschinen) errechnet werden kann. In Kombination mit einer entsprechend lernfähigen KI-basierten Algorithmik, die dezentral in mit zusätzlichen Edge-Controllern ausgestatteten Sensormodulen abläuft, können alle Betriebszustände detektiert werden, die eine Änderung der Wärmeabstrahlung innerhalb des Beobachtungsbereichs einer PRODgrid-Installation zur Folge haben. Bild 6 zeigt dies exemplarisch. Bild 7 zeigt exemplarisch die Rohinfrarotbilder von vier benachbarten Infrarotmodulen beim Erkennungsszenario Personendetektion.

Beispiele weiterer damit erkennbarer Szenarien sind:

• Verschleiß an bewegten Maschinenteilen wie Wellen, Lager, Werkzeuge, Motoren, Generatoren oder Kupplungen.

• Fehlfunktionen/Ausfälle von Elektronikkomponenten.

• Undichtigkeit von hydraulischen oder pneumatischen Komponenten.

• Öffnungszustand von beispielsweise sicherheitsrelevanten Maschinenklappen/Türen/Absperrwänden.

• Standort mobiler Systeme wie fahrerlose Transportsysteme oder Stapler.

Mehr über den Autor finden Sie auf der Homepage von Prof. Böttcher. (heh)

EP Basics

Was beim Messen elektrischer Ströme zu beachten ist

Referenzen

Jörg Böttcher: Basiswissen Messtechnik. ISBN 9783695192342, Verlag: Books on Demand, Verlag: Books on Demand (www.bod.de).

Jörg Böttcher: Basiswissen Sensorik. ISBN 9783695199761, Verlag: Books on Demand (www.bod.de).

* Prof. Dr.-Ing Jörg Böttcher hat eine Professur für Regelungstechnik und Elektrische Messtechnik an der Universität der Bundeswehr München inne.

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