Kontaktlose Temperaturmessung und Temperatur-Diagnostik

Der enorme Fortschritt im Bereich der Thermometrie und Thermografie hat dafür gesorgt, dass eine große Zahl von kontaktlosen Thermometern und Wärmebildsystemen auf dem Markt erschienen ist. Infrarot-Thermometer, die auch Pyrometer genannt werden, sind verfügbar. Deren wichtigste Eigenschaft ist der nicht-invasive Charakter der Messung.

Eigenschaften von Infrarot-Messungen

• es kommt zu keinem Wärmeaustausch zwischen dem gemessenen Element und dem Temperatursensor,
• es entsteht keine zeitliche Änderung der Temperaturverteilung an der Kontaktstelle zwischen Sensor und Objekt,
• das Warten auf die Stabilisierung der Temperatur, also den Ausgleich der Sensor-Temperatur und Temperatur des gemessenen Objekts ist nicht erforderlich.

Einsatz von Pyrometern zur thermischen Diagnose

Die Messung mit Infrarot-Thermometern, die Überwachung und Aufzeichnung von Ergebnissen, erweitern deutlich die Möglichkeiten der Temperaturdiagnose und dynamischen Messungen. Die Temperaturdiagnose (thermische Diagnose) umfasst zeitliche Temperaturänderungen sowie die räumliche Temperaturverteilung. Auf Grundlage der ständigen Überwachung oder periodischen Kontrolle, kann der technische Zustand vieler Geräte und Baugruppen beurteilt werden, die Messüberwachung der Temperatur für (physikalische und chemische) Produktions- und Betriebsverfahren sowie Logistik- und Lagerprozesse durchgeführt werden.

Beispiel-Anwendungsbereiche der kontaktlosen Temperaturmessung

• Betriebsaufsicht von Lagern und Rollen,
• Diagnose elektronischer Schaltkreise und PCB-Baugruppen,
• Temperaturkontrolle von Elementen und Geräte unter Spannung,
• Temperaturmessung in EX-Bereichen,
• Temperaturmessung in kleinformatigen Elementen,
• Temperaturkontrolle in Lager- und Produktionsräumlichkeiten.

Einfluss der Temperatur auf Maschinenlager

Während des Betriebs von Maschinen mit rotierenden sowie anderen, beweglichen Elementen, folgt das Erwärmen aus der erhöhten Reibung, fehlenden Anpassung der beweglichen Elemente oder Änderung der Kräfteverteilung. Am meisten sind jegliche Arten von Lagern dem ausgesetzt. In ihrem Fall, weist eine erhöhte Temperatur eindeutig hin auf:

• Betriebsverschleiß,
• Veränderung der Geometrie, des Kräftesystems oder Schwerpunkts des rotierenden Systems (fehlende Auswuchtung),
• zu geringe oder zu hohe Menge an Schmiermittel,
• falsche technische Parameter des Schmiermittels. Die periodische Kontrolle der Temperatur der Lager oder der Stellen ihrer Absetzung mithilfe des Pyrometers ist also wesentlich, da sie die Beurteilung des technischen Zustands und Vorhersage ermöglicht.

Temperatur von Führungsrollen

Die Effekte der Erwärmung sind auch in beweglichen Baugruppen sichtbar, in denen Führungsrollen eingesetzt werden. Die Temperaturkontrolle von Rollensystemen erlaubt die einfache Durchführung der Diagnose oder Lokalisierung einzelner Rollen, deren kinetische Eigenschaften wesentlich abweichen.

Diagnose von elektronischen Baugruppen und PCB-Schaltkreisen

Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich der Temperaturdiagnose sind elektronische Baugruppen und PCB-Platten. Im Hinblick auf die kleinen Abmessungen von SMD- und THT-Elementen, ist ein kontaktloses Thermometer mit hoher optischer Auflösung die optimalste und häufig einzige Art der Temperaturdiagnose an PCB-Platten. Dies folgt aus der Beschränkung der Messstelle und dem potenziellen Risiko, das durch den elektrischen Kurzschluss der Temperatursonde verursacht wird.

Kontrolle von Schaltkreisen

Durch die Messung der Temperatur von integrierten Schaltkreisen, Halbleitern, Kondensatoren, Radiatoren und Gehäusen, können der technische Zustand bestimmt sowie anormale Verhaltensweisen des Systems diagnostiziert werden, die aus der falschen Temperatur einzelner Elemente folgen. Die Kontrolle oder Messung der Temperatur von einzelnen Halbleiter-Leistungselementen und Kühlsystemen mit Radiatoren sind relativ einfach. Ein Teil der Halbeiter-Leistungssysteme arbeitet im Bereich der hohen Temperaturen. Diese sind nahe an der zulässigen Maximaltemperatur, im Hinblick auf die großen Werte der geleiteten Ströme oder Verluste, die durch die Widerstände der Verbindungen hervorgerufen werden. Durch die lokale (Punkt-)Temperaturmessung, ist die Identifikation mangelhafter Verbindungen möglich, die einen erhöhten Widerstandswert aufweisen, sowie lokaler Kurzschlüsse in den Isolationselementen. Darüber hinaus kann man mithilfe des Pyrometers auf einfache Weise die Temperaturverteilung auf der Oberfläche von Radiatoren und Gehäusen bestimmen, die häufig als Systeme der Wärmestreuung in integrierten elektronischen Modulen arbeiten.

Beurteilung der Temperatur von Trafos, Spulen und Widerständen

Ein kontaktloses Thermometer ist unersetzbar bei der Schätzung der Temperatur von Transformatoren, Spulen, Widerständen und anderen elektronischen Elementen mit irregulärer Form, ohne flache Oberflächen oder mit Beschichtung aus elektrisch isolierendem Lack mit hohem Wärmewiderstand, auf denen man die Messung mittels klassischen, elektronischen Thermometern durchführen kann. Darüber hinaus ist die Anwendung klassischer Thermometer mit Resistanz-Sonden oder Thermoelementen häufig werden der Messung von leitenden, unter Spannung befindlichen Elementen unmöglich.

Pyrometer als natürliche Methode für die Erzeugung einer Isolierung

Die Temperaturmessung mittels Pyrometer garantiert die natürliche und bestmögliche galvanische Isolierung vom gemessenen Objekt, das sich unter Spannung befindet. Während dieser Untersuchung kann es nämlich zu einer Beschädigung des Thermometers oder zum Stromschlag kommen, was aus der galvanischen Verbindung des Thermometers mit dem Stromkreis folgt. Die kontaktlose Temperaturmessung eliminiert diese Gefahr und ermöglicht die sichere Temperaturdiagnose der elektrischen Teile und Baugruppen unter Betriebsbedingungen, selbst bei sehr hohen Spannungen.

Messung von chemischen Substanzen und Prozessanlagen

Die Anwendung der kontaktlosen Temperaturmessung steigert die Sicherheit und beschränkt das Risiko im Fall von Messungen, die sich auf gefährliche chemische Substanzen sowie Behälter und Prozessanlagen beziehen, in denen diese Substanzen verarbeitet oder gelagert werden. Dank dem Pyrometer kann man einfach gefährliche Bereiche aussondern, die Mittel des direkten Schutzes einschränken und die kostspieligen Sonderlösungen eliminieren, im Bereich der Sensoren und Thermometer. Als Beispiel kann die Petrochemische Industrie sowie die Produktion und Konfektionierung leicht brennbarer, chemischer Substanzen dienen.

Untersuchungen in kleinformatigen Objekten

Ein weiterer Anwendungsbereich von pyrometrischen Thermometern sind Messungen von kleinformatigen Objekten und solchen, in denen das Volumen und die Wärmekapazität des gemessenen Objekts vergleichbar mit den Abmessungen und der Wärmekapazität des Temperatursensors sind. In diesen Fällen erfolgt im Moment des Kontakts infolge der Temperaturdifferenz zwischen Objekt und Sensor ein intensiver Wärmeaustausch und in Verbindung damit eine große Änderung der Temperatur des Objekts. Das bedeutet, dass ein Kontaktsensor (PT100, Thermodampf, NTC, Halbleiter) im Laufe der Messung das Objekt sehr intensiv abkühlt oder erwärmt bzw. die lokale Temperaturverteilung ändert. Dieser langfristige Prozess der Einstellung der Temperatur des Objekts reduziert die Glaubwürdigkeit und Genauigkeit der Messung.

Dauer der Messung bei festgelegten Bedingungen

Kennt man die Zeitkonstante des Kontakt-Temperatursensors, kann man die für die Durchführung der Messung bei festgelegten Bedingungen erforderliche Zeit bestimmen. Diese Zeit beträgt in der Praxis 3 oder entsprechend 5 Zeitkonstanten. Und die Zeitkonstante τ des Thermometers ist die Zeit, die zur Erlangung von 63 % der gesamten Amplitude der Änderungen erforderlich ist. Im Fall der Pyrometer-Messung besteht das Problem der Festlegung der Sensor-Temperatur nicht und diese kann wesentlich schneller durchgeführt werden, ohne Berücksichtigung der Zeitkonstanten der Messung. Die einzige Verzögerung ist dann mit der Dauer der Messung im Gerät verbunden, die deutlich kürzer als die Zeitkonstante ist und in der Regel einige Dutzend Millisekunden nicht überschreitet.

Infrarot in Lagerflächen

Ein enormer Anwendungsbereich von Infrarot-Thermometern sind Lager- und Produktionsflächen, in denen strenge Temperatur-Richtlinien (klimatische Richtlinien) gelten. Konkrete Temperatur-Vorgaben gelten während der Produktion, Lagerung und des Transports von Lebensmitteln und Pharmaprodukten. Diese Vorgaben, die sich auf die stetige, periodische oder zufällige Temperaturkontrolle beziehen, folgen aus:

• geltenden Normen (internationalen, inländischen, branchen- und betriebsspezifischen Normen),
• allgemein angenommener „guter Praktiken“, wie z. B. die Gute Produktionspraxis eng. GMP, Gute Vertriebspraxis eng. GDP,
• Branchenstandards, wie dem HACCP-System, das sich auf Lebensmittel bezieht, FARMAKOPEA System, das sich auf die Pharmazeutik bezieht.

Pyrometer und Lebensmittel- und Pharmaindustrie

Prinzipiell sind kontaktlose Thermometer nicht für die Systeme der Temperaturüberwachung und -aufzeichnung in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie vorgesehen. Im Hinblick auf die kontaktlose und unverzügliche Messung jedoch, finden sie in folgenden Situationen Anwendung:

• dort, wo lokale Temperaturänderungen auftreten können und wo direkt keine konventionellen Thermometer installiert wurden, z. B. in großräumigen Logistik- und Lagerräumen, Produktionshallen,
• im Fall der Zweifel und des Bedarfs des Vergleichs der Messungen mit verschiedenen Thermometern,
• während der periodischen oder zufälligen Inspektion,
• während eines Ausfalls des Kühlsystems bzw. des Systems zur Temperaturüberwachung.

Einfluss des Emissionswerts auf die Messungen

Bei Messungen mit Infrarot-Thermometern, muss man beachten, dass die Messergebnisse so genau sein werden, wie gut der Emissionswert des untersuchten Objekts bekannt ist. Die tatsächliche Temperatur im Inneren des Objekts und die mittlere Temperatur des gesamten Objekts kann sich von der Temperatur in der Oberflächenschicht sowie direkt auf der Oberfläche unterscheiden, bei der die kontaktlose Messung durchgeführt wird.

Emissionswert

Pyrometer-Kalibrierung

Die Überprüfung und Kalibrierung der Messung mit einem Infrarot-Thermometer kann man lediglich durch den Vergleich seiner Anzeige mit einem Referenz-Thermometer (meistens ein konventionelles Thermometer mit PT100, RTD oder Thermodampf-Sensor), und danach die Einstellung des korrekten Emissionswerts durchführen. Die zweite Art zur Verbesserung der Genauigkeit der Anzeige ist die unmittelbare Einstellung des Emissionswerts, falls dieser genau bestimmt oder bekannt ist. Der Großteil aller auf dem Markt verfügbaren Pyrometer ermöglicht die Messung im Bereich eines Emissionswerts von 0,1 bis 1. Zusätzlich sind die Geräte mit Funktionen der flüssigen Regulierung des Emissionswerts ausgestattet.

Bestimmung des Emissionswerts

Man darf nicht vergessen, dass die typischen Emissionswerte für die am meisten verbreiteten Materialien tabellarisiert und allgemein verfügbar sind. Der Emissionswert jedoch hängt nicht ausschließlich vom Material alleine ab. Sehr häufig entscheidet der physikalisch-chemische Zustand der Oberfläche des diagnostizierten Elements über den effektiven Wert dieses Parameters. Beispielsweise besitzt eine polierte Kupferoberfläche einen Emissionswert unterhalb von 0,1, eine oxidierte Kupferoberfläche hingegen zeichnet sich bereits durch einen Wert auf dem Niveau von 0,6÷0,7 aus, im Fall einer oxidierten und mit Patine beschichteten Kupferoberfläche hingegen, kann der Wert des Koeffizienten sogar auf 0,9 steigen.

Unterschiede des Emissionswerts

Eine sehr große Verteilung der Emissionswerte betrifft eigentlich alle Metalloberflächen, die den Prozessen der Oxidation und physikalischen Wechselwirkungen unterzogen werden. Kunststoffe und Materialien natürlicher Herkunft mit angenäherter Zusammensetzung, können Änderungen des Werts auf dem Niveau von über einem Dutzend Prozent aufweisen.

Aktive Messoberfläche

Das zweite wesentliche Element, auf das während der Temperaturmessung mittels kontaktlosem Thermometer zu achten ist, ist die Bestimmung der aktiven Messoberfläche, die aus der optischen Auflösung des Geräts folgt. Die optische Auflösung ist das Verhältnis von D (Entfernung des Thermometers vom Objekt) zu S (Durchmesser des Messbereichs). Wenn die optische Auflösung 10:1 beträgt der Durchmesser des Kreises, in dem eine Messung aus einer Entfernung von 100 mm erfolgt, 10 mm.

Optische Auflösung

Eine große optische Auflösung steigert die Messeigenschaften des Thermometers wesentlich, da die Messung selektiver ist und auf einer entsprechend kleineren Fläche stattfindet. Es kommt dabei zu keinem Effekt der Mittelung des Ergebnisses der Temperaturmessung von einer großen Oberfläche. Für Punktmessungen, auf sehr kleinen Oberflächen, dienen hochauflösende Kontaktthermometer, deren Koeffizient der optischen Auflösung sogar einen Wert von 100:1 haben kann.

Zusammenfassung

Man sollte betonen, dass die größte Bedeutung im Fall von Infrarot-Thermometern die große Schnelligkeit und Einfachheit der Messung sowie deren kontaktloser Charakter haben. Diese Eigenschaften entscheiden zweifellos über die sehr hohe praktische Nützlichkeit von Pyrometern.