Strahlungspyrometer

Pyrometer (v. altgriech. πῦρ /pyr/„Feuer“), auch Strahlungsthermometer genannt, dienen zur berührungslosen Temperaturmessung. Temperaturen zwischen -50 °C und +4000 °C können mit solchen Geräten gemessen werden.

Messung der Temperatur an Lüftungsschächten mit einem Pyrometer mit Messfleckmarkierung

Berührungsloses Messen an unter Spannung stehenden Anlagen

Erfinder

Der eigentliche Erfinder des Pyrometers ist schwer festzustellen. Pieter van Musschenbroek und Josiah Wedgwood haben wohl beide etwas erfunden, das sie und auch andere Wissenschaftler ihrer Zeit^[1] Pyrometer nannten, doch sind diese Geräte nicht mit modernen Pyrometern vergleichbar.

Grundlagen

Jeder Gegenstand mit einer Temperatur größer als 0 Kelvin emittiert Wärmestrahlung, deren Intensität von seiner Temperatur abhängt. Diese Strahlung wird mit dem Pyrometer erfasst und ausgewertet. Wenn das Messobjekt kälter als das Pyrometer ist, ist der Strahlungsfluss negativ, d.h. das Pyrometer gibt Wärmestrahlung an das Messobjekt ab, was man ebenfalls auswerten kann.

Grundlage bildet das Stefan-Boltzmann-Gesetz, nach dem die Gesamtstrahlungsleistung P für einen idealen Schwarzen Körper von der absoluten Temperatur T (in K) und der Fläche A (in m²) abhängt. Mit der Stefan-Boltzmann-Konstanten σ (in W / (m²K⁴)) ist:

$P = \sigma \cdot A\cdot T^4$.

Reale Körper strahlen eine um den Faktor ε geringere Intensität aus:

$P = \varepsilon \cdot \sigma \cdot A \cdot T^4$.

Für eine berührungslose Temperaturmessung muss man den Emissionsgrad $\varepsilon$, also die Wärmeabstrahl-Fähigkeit des Messobjekts kennen.

Pyrometer-Arten

In einem Quotientenpyrometer (auch Verhältnispyrometer oder 2-Farben-Pyrometer genannt) wird nicht die Intensität in nur einem Wellenlängenbereich gemessen, sondern es wird das Verhältnis der Intensitäten bei zwei unterschiedlichen "Farben" gebildet. Das bedeutet, dass die Temperatur nicht aufgrund der Helligkeit sondern aufgrund der Farbe der Strahlung bestimmt wird. Bei diesem Verfahren spielt der Emissionsgrad bei der Verhältnisbildung (Kürzen bei der Division) für die Messung keine Rolle, wenn er für das betreffende Messgut nicht stark wellenlängenabhängig ist.

Pyrometer werten manchmal nur einen durch einen Filter auf einen bestimmten Wellenlängenbereich eingeschränkten kleinen Teil des Strahlungsspektrums aus. Man nennt sie Schmalbandpyrometer - die Signalauswertung wird einfacher, da der spektrale Empfindlichkeitsverlauf des Sensors keine Rolle spielt.

Ist der Wellenlängenbereich breiter, spricht man von einem Bandstrahlungspyrometer.

Unter einem Gesamtstrahlungspyrometer versteht man ein Gerät, welches die Ausstrahlung einer Messoberfläche über den gesamten Spektralbereich erfasst. Da jedoch die zum Pyrometer gehörigen Linsen, Fenster und Strahlungsempfänger nur jeweils in einem beschränkten Wellenlängenbereich arbeiten, gibt es streng genommen keine Gesamtstrahlungspyrometer, sondern nur Bandstrahlungspyrometer. Es hat sich jedoch als Vereinbarung durchgesetzt, auch dann von Gesamtstrahlungspyrometern zu sprechen, wenn mindestens 90% der bei einer bestimmten Temperatur möglichen Ausstrahlung ausgewertet werden.

Glühfadenpyrometer

Für glühende Objekte gibt es ein visuelles Verfahren, bei dem das Glühlicht einer Wolframbandlampe (Glühlampe mit Wolfram-Band statt einer -Wendel) mit dem zu messenden Objekt zur Deckung gebracht wird. Man kann nun den Strom der Lampe solange verändern, bis ihr Bild vor dem Messobjekt verschwindet - dann ist die Bandtemperatur gleich der des Messobjektes. Der Einstellknopf des Lampenstromes hat zum Ablesen der Temperatur eine Temperaturskala. Eine solche Messapparatur wird als Glühfadenpyrometer bezeichnet und gehört zur Gruppe der Vergleichspyrometer.

Messwellenlänge

Welcher Bereich für die gewünschte Messung optimal ist, hängt vom zu messenden Material und seiner Temperatur ab.

Für Temperaturen um die Raumtemperatur kommen Wellenlängen im Mittleren Infrarot (MIR) in Frage. Es kommen thermische und pyroelektrische Sensoren zum Einsatz.

Temperaturen ab ca. 350 °C können im Nahen Infrarot mit IR-Fotodioden bestimmt werden. So hat eine Germanium-Fotodiode z. B. eine untere Empfangswellenlänge von etwa 1,9 µm.

Temperaturen ab etwa 700 °C können mit Fotodioden im sichtbaren Spektralbereich gemessen werden.

Meistens wird der Empfangswellenlängenbereich von Hochtemperatur-Pyrometern durch den verwendeten Fotoempfänger bestimmt: Die unterste Empfangswellenlänge von Silizium-Fotodioden ist z. B. etwa 1,1 µm. Ein Körper mit einer Temperatur von 3000 K hat hier sein Strahlungsmaximum, es können mit ihr jedoch Temperaturen bereits ab etwa 700 °C gemessen werden.

Generell ist der Temperaturmessbereich eines Pyrometers nach oben deutlich einfacher zu erweitern als nach unten.

Emissionsgrad-Korrektur

Der Emissionsgrad des Materials muss für eine Messung mit Hilfe eines Pyrometers bekannt sein. Dieser hängt im Allgemeinen nicht nur vom Material des Messobjekts, sondern auch von der Wellenlänge (dem Empfangswellenlängenbereich des verwendeten Pyrometers) und daher der Temperatur des Objekts ab.

Während die meisten organischen Stoffe (Holz, Kunststoff, Papier, Lack) sowie Glas und Keramik sehr hohe Emissionsgrade (um 0,95) im mittleren (MIR) und fernen Infrarot (FIR) aufweisen, emittieren blanke Metalle besser bei kurzen Wellenlängen (violettes Ende des sichtbaren Spektralbereiches) und haben im nahen (NIR) und mittleren Infrarot (MIR) deutlich niedrigere und daher für die Messung ungünstigere Emissiongrade (poliertes Gold im MIR-Bereich z. B. nur ca. 0,02).

Ist Metall hingegen z. B. eloxiert (Aluminium) oder stark oxidiert, hat es im MIR einen deutlichen höheren Emissionsgrad um 0,9. Auch bei lackierten Metallen (Farbe beliebig!) ist dann der deutlich höhere Emissionsgrad des Lacks für die Temperaturmessung maßgeblich.

Pyrometer haben daher oft eine Korrekturmöglichkeit für den Emissionsgrad, z. B. einen Drehknopf (Potentiometer) mit einer Skala von 0...1. Einige Hand-Pyrometer („Infrarot-Thermometer“) haben auch einen zusätzlichen Messeingang für einen Kontakt-Temperatursensor (z.B. ein Thermoelement). Zur Kalibrierung des Pyrometers für ein unbekanntes Material, also zur Emissionsgradbestimmung, kann die Temperatur zunächst mit diesem zusätzlichen Sensor gemessen werden; die Einstellung für den Emissionsgrad am Pyrometer wird dann solange verstellt, bis die kontaktfreie Messung zu demselben Ergebnis wie diejenige mit dem Kontaktsensor führt.

Detektoren

Als Detektoren für Pyrometer werden thermische (z. B. Bolometer, pyroelektrische Sensoren oder Thermosäulen aus Thermoelementen) oder photoelektrische Detektoren (ungekühlte oder gekühlte Fotodioden) verwendet.
Die Linse oder das Fenster für Geräte im nahen Infrarotbereich besteht aus Glas oder Quarzglas.
Im mittleren und fernen IR sind die Geräte fensterlos oder die Linsen / Fenster bestehen aus Kristallen wie Germanium, CaF2, ZnS, ZnSe, KRS5 oder auch aus Polyethylen (PE).

Vorteile der berührungslosen Temperaturmessung

• sehr schnelle Messung (< 1 s bis zu 10 µs je nach Gerät)
• sehr lange, durchgängige Messbereiche möglich (z. B. 350 ... 3500 °C)
• kein Verschleiß
• keine Temperatur-Beeinflussung des Messobjekts oder Fehler durch mangelhaften Wärmekontakt
• keine mechanische Beschädigung von empfindlichen Objekten wie Folien oder Papier
• kein Problem mit bewegten Messobjekten
• Möglichkeit der Messung auch bei hohen Spannungen, elektromagnetischen Feldern oder aggressiven Materialien

Nachteile der berührungslosen Temperaturmessung

• Emissiongrad muss für Material, Wellenlänge und Temperatur bekannt sein.
• Insbesondere bei Metallen erschweren starke Emissionsgrad-Variationen eine präzise Messung (z.B. Kupfer: 0,012 (poliert, 327 °C), 0,78 (stark oxidiert, 25 °C), 0,91 (stark oxidiert, 527 °C)).

Siehe auch

• Thermographie-Kameras sind im Prinzip ortsauflösende Pyrometer.
• Bolometer
• Strömungsmesstechnik
• Thermosäulen

Einzelnachweise

1. ↑ Johann Samuel Traugott Gehler: Physicalisches Wörterbuch

Weblinks

• VDI-Richtlininie 3511 Blatt 4 - Technische Temperaturmessung - Strahlungsthermometrie
• Das Pyrometerhandbuch - pdf
• Grundlagen der berührungslosen Temperaturmessung - pdf
• Grundlagen der berührungslosen Temperaturmessung 2 - pdf