Strahlungspyrometer: Ein kontaktloser Temperatursensor

Ein Strahlungspyrometer ist ein Gerät, das die Temperatur eines entfernten Objekts durch Detektion der von ihm emittierten Wärmestrahlung misst. Dieser Temperatursensor muss das Objekt nicht berühren oder mit ihm in thermischen Kontakt stehen, im Gegensatz zu anderen Thermometern wie Thermoelementen und Widerstandstemperaturen-Messern (RTDs). Strahlungspyrometer werden hauptsächlich zur Messung von Temperaturen über 750°C eingesetzt, bei denen ein physischer Kontakt mit dem heißen Objekt nicht möglich oder wünschenswert ist.

Was ist ein Strahlungspyrometer?

Ein Strahlungspyrometer ist ein kontaktloser Temperatursensor, der die Temperatur eines Objekts durch Detektion seiner natürlichen Wärmestrahlung bestimmt. Die Wärmestrahlung oder Emission eines Objekts hängt von seiner Temperatur und seinem Emissionsgrad ab, der angibt, wie gut es Wärme verglichen mit einem idealen Schwarzen Strahler abstrahlt. Laut dem Stefan-Boltzmann-Gesetz kann die gesamte Wärmestrahlung, die von einem Körper emittiert wird, berechnet werden durch:

Wobei,

• Q ist die Wärmestrahlung in W/m$^2$

• ϵ ist der Emissionsgrad des Körpers (0 < ϵ < 1)

• σ ist die Stefan-Boltzmann-Konstante in W/m$2$K$4$

• T ist die absolute Temperatur in Kelvin

Ein Strahlungspyrometer besteht aus drei Hauptkomponenten:

• Eine Linse oder ein Spiegel sammelt und fokussiert die Wärmestrahlung vom Objekt auf ein Empfangelement.

• Ein Empfangelement, das die Wärmestrahlung in ein elektrisches Signal umwandelt. Dies kann ein Widerstandsthermometer, ein Thermoelement oder ein Fotodetektor sein.

• Ein Aufzeichnungsinstrument, das die Temperaturanzeige basierend auf dem elektrischen Signal anzeigt oder aufzeichnet. Dies kann ein Millivoltmeter, ein Galvanometer oder eine digitale Anzeige sein.

Arten von Strahlungspyrometern

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Strahlungspyrometern: Festfokus-Typ und Veränderbarer Fokus-Typ.

Festfokus-Typ Strahlungspyrometer

Ein Festfokus-Typ Strahlungspyrometer hat einen langen Rohr mit einer schmalen Öffnung am vorderen Ende und einem konkaven Spiegel am hinteren Ende.

Ein empfindliches Thermoelement wird vor dem konkaven Spiegel in geeigneter Entfernung platziert, so dass die Wärmestrahlung vom Objekt vom Spiegel reflektiert und auf den heißen Kontakt des Thermoelements fokussiert wird. Die im Thermoelement erzeugte Spannung wird dann mit einem Millivoltmeter oder einem Galvanometer gemessen, das direkt mit der Temperatur kalibriert werden kann. Der Vorteil dieses Typs von Pyrometer ist, dass es für verschiedene Abstände zwischen dem Objekt und dem Instrument nicht angepasst werden muss, da der Spiegel die Strahlung immer auf das Thermoelement fokussiert. Allerdings hat dieses Pyrometer einen begrenzten Messbereich und kann durch Staub oder Schmutz auf dem Spiegel oder der Linse beeinträchtigt werden.

Veränderbarer Fokus-Typ Strahlungspyrometer

Ein veränderbarer Fokus-Typ Strahlungspyrometer hat einen justierbaren konkaven Spiegel aus hochpoliertem Stahl.

Die Wärmestrahlung vom Objekt wird zunächst vom Spiegel empfangen und dann auf eine schwarze Thermojunktion reflektiert, die aus einer kleinen Kupfer- oder Silberplatte besteht, an der die Drähte der Junktion angelötet sind. Das sichtbare Bild des Objekts kann durch ein Okular und ein zentrales Loch im Hauptspiegel auf der Platte gesehen werden. Die Position des Hauptspiegels wird so eingestellt, dass der Brennpunkt mit der Platte zusammenfällt. Die Erwärmung der Thermojunktion durch das thermische Bild auf der Platte erzeugt eine Spannung, die mit einem Millivoltmeter oder einem Galvanometer gemessen wird. Der Vorteil dieses Typs von Pyrometer ist, dass es Temperaturen in einem weiten Bereich messen kann und auch unsichtbare Strahlen von Strahlung messen kann. Allerdings erfordert dieses Pyrometer sorgfältige Einstellung und Ausrichtung für genaue Messungen.

Vorteile und Nachteile von Strahlungspyrometern

Strahlungspyrometer haben einige Vorteile und Nachteile im Vergleich zu anderen Arten von Temperatursensoren.

Einige Vorteile sind:

• Sie können Temperaturen über 600°C messen, bei denen andere Sensoren schmelzen oder beschädigt werden könnten.

• Sie benötigen keinen physischen Kontakt mit dem Objekt, was Verunreinigungen, Korrosion oder Störungen vermeidet.

• Sie haben eine schnelle Reaktionszeit und hohe Ausgangsspannung.

• Sie werden weniger von korrosiven Atmosphären oder elektromagnetischen Feldern beeinflusst.

Einige Nachteile sind:

• Sie haben nichtlineare Skalen und mögliche Fehler aufgrund von Emissivitätsunterschieden, eingreifenden Gasen oder Dämpfen, Änderungen der Umgebungstemperatur oder Schmutz auf optischen Komponenten.

• Sie erfordern Kalibrierung und Wartung für genaue Messungen.

• Sie können teuer und komplex in der Bedienung sein.

Anwendungen von Strahlungspyrometern

Strahlungspyrometer werden weit verbreitet in industriellen Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Temperaturen beteiligt sind oder bei denen ein physischer Kontakt mit dem Objekt nicht möglich oder wünschenswert ist.

Einige Beispiele sind:

• Messung der Temperatur von Öfen, Kesseln, Brennkammern, Backöfen usw.

• Messung der Temperatur von flüssigen Metallen, Glas, Keramik usw.

• Messung der Temperatur von Flammen, Plasmen, Lasern usw.

• Messung der Temperatur von beweglichen Objekten wie Rollen, Förderbändern, Drähten usw.

• Messung der Durchschnittstemperatur großer Flächen wie Wände, Dächer, Rohre usw.

Zusammenfassung

Ein Strahlungspyrometer ist ein Gerät, das die Temperatur eines entfernten Objekts durch Detektion der von ihm emittierten Wärmestrahlung misst. Dieser Temperatursensor muss das