Strahlungspyrometer für Aluminium und Stahl von

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Welche Voraussetzungen gelten für das Messen mit Strahlungspyrometern?

Eine grundsätzliche Betrachtung der physikalischen Gegebenheiten mit einem Ausblick auf die Einsatzmöglichkeiten von Pyrometern in der Metallindustrie speziell beim Strangpressen.

Ein Strahlungspyrometer ist ein Gerät, mit welchem sich die Wärmestrahlung, welche von einem Körper abgegeben wird, gemessen , und dann aus der empfangenen Energie der Strahlung auf die Temperatur des Körpers geschlossen wird.

Eine erste Frage die sich daraus ergibt ist zwangsläufig:

"Was sagt die Strahlung eines Körpers über seine Temperatur aus?"

Und schon bei dieser Frage kommt man zu schwierigen Details!

Es kommt darauf an!

Worauf? Auf den Körper!

So verrät uns ein dunkler Körper mehr über seine Temperatur, als ein heller.
Ein idealer schwarzer Körper (schwarzer Strahler) würde sogar sämtliche in ihm enthaltene Wärme als Strahlung über seine Oberfläche abgeben.
Nur trifft man diesen in Praxis kaum an!

Wollen wir also Rückschlüsse von der empfangenen Strahlung eines Körpers auf seine Temperatur ziehen, so müssen wir seine Farbe, genauer gesagt seine Fähigkeit Wärme abzustrahlen, berücksichtigen.

Diese Abstrahlfähigkeit nennt man auch Emissivität, und der Faktor, mit dem man diese Emissivität berücksichtigt heißt -logisch- Emissivitätsfaktor.
Dieser geht von 0.1 bis 1, und muss nun bei jeder Messung berücksichtigt werden.

Aus diesem Grund haben fast alle auf dem Markt befindlichen Pyrometer irgendwo eine kleine Stellschraube mit einer Skala von 0,1 bis 1, mit welcher man nun diesen Faktor einstellen kann.

Aber hier taucht gleich eine neue große Schwierigkeit auf: Woher wissen wir denn, welchen Emissivitätsfaktor dieses oder jenes Material eigentlich hat?

Nun ja, vieles wird mit Erfahrung gemacht, oder mit Tabellen, aber stimmt denn die Tabelle immer mit dem Material überein? Oder das Material mit der Tabelle?
Es ist nicht einfach, aber generell hat man es in den Fällen einfacher, bei denen das zu messende Material immer gleich bleibt. Am besten in Farbe, Form, Oberflächenbeschaffenheit und auch im Abstand.

Und die Umbebungsverhältnisse dürfen sich ebenfalls nicht ändern!

Sie merken schon - einfach ist das alles nicht!

Wir können der Sache aber näher kommen, indem wir eine andere zusätzliche Schwierigkeit mit einbeziehen, die wir bislang noch überhaupt nicht betrachtet haben:

Das, was das Pyrometer "sieht" ist ja immer 100 % Strahlung.
Aber es gibt das Phänomen, das Körper welche eine glänzende Oberfläche haben, Wärme nicht nur von ihrem eigenen Körper abstrahlen, sondern das sie mit Hilfe ihrer Oberfläche in der Lage sind fremde, nicht von ihnen selbst stammende Strahlung zu reflektieren!
Es wird also zunächst noch schwieriger!
Hat man einen Spiegel vor sich, so kann man sagen: Fast alles, was ich von dem Spiegel bekomme ist reflektierte Strahlung!
Und bei einem matten, dunklen Körper: Fast alles, was wir messen, ist emittierte Strahlung.
Und bei allen Zwischenstufen haben wir dem zur Folge eine Mixtur aus remittierter und emittierter Strahlung.

Stellen wir uns zum besseren Verständnis einfach einen Spiegel vor, der mit Wachsmalkreide einige Striche aufgemalt bekommen hat!

Dort, wo kein Wachs ist, ist der Spiegel nur Spiegel und wird alle Strahlung die auf ihn auftrifft wieder zurück reflektieren. Von seiner eigenen Wärme wird er auf diesen Flächen so gut wie nichts abstrahlen.
Emissivity-reflection radiation-reflection

(Sie kennen ja sicher die philosophische Frage, ob man einen Spiegel überhaupt sehen kann!? - In unserem Fall nur dort, wo Wachs aufgemalt ist! Bitte sagen sie jetzt nicht : Dort ist ja auch Wachs - und kein Spiegel!)

Dort wo Wachs aufgemalt ist, ist der Spiegel kein Spiegel, er wird nichts reflektieren, aber er wird etwas von seiner eigenen Wärme abstrahlen.

Und nun? Und nun greift man üblicherweise zu einem kleine Trick!

Man misst - soweit möglich - die Temperatur des Produktes auf herkömmliche Art,
sagen wir mit einem Kontakt-Thermometer oder mit einem IR Scanner*, und eicht das Pyrometer, oder die nachfolgende Messschaltung auf den gemessenen realen Wert ab.

Man sagt also dem Sensor oder Regler: Das was du jetzt siehst, entspricht einer realen Temperatur von sagen wir 350°C. Unabhängig davon, wie sich jetzt die Anteile von Emission und Remission darstellen.

Bleiben nun die Umgebungsbedingungen gleich, wird sich nur die Menge der emittierten Strahlung analog zur einer Temperaturänderung des zu messenden Körpers ändern.
Allerdings - sie merken schon, es kommt wieder ein aber, wieder eine Einschränkung :

Ein auf diese Art abgeglichenes Pyrometer kann nur so genau messen, wie sie es abgeglichen haben!

Die Messung mit einem Kontakt-Thermometer steckt voller Tücken und ist auf gar keinen Fall zu unterschätzen!
Gestatten sie einen kleinen Ausflug in diese Messtechnik um ein paar der wesentlichen Schwierigkeiten zu beleuchten.

Generell lässt sich sagen, das kontaktbehaftete Messungen immer mehr oder weniger mit Übertragungsverlusten zu kämpfen haben.

Verluste durch ungenügenden Kontakt, durch Verschmutzung, ungünstige Positionierung auf dem Objekt ect.
Mit dem Kontakt-Thermometer messen sie im Prinzip also immer zu wenig! Benutzen Sie daher immer eine Spitzenwertspeicherung bei der Messung!
Wählen sie ein Anzeigegerät aus, das so oft wie möglich pro Sekunde (3 oder 4x ist gut) einen Wert aufzeichnet!
(Sie haben oft sehr wenig Zeit, und sei es nur deswegen, weil sie weil sie nur von oben messen können und es einfach wegen der Strahlungswärme nicht länger aushalten)

Verwenden Sie nur Messköpfe welche eine sehr geringe Masse haben. Das ist wichtig!

Sie sehen z. B. bei einer rotglühenden Titanscheibe nach 20 Sekunden Kontakt mit einem ungeeigneten Fühler einen dunklen Fleck an der Messtelle, und dieser dunkle Fleck kann 40- 50°C kühler sein als das Umfeld!
Sehen sie Leuten zu, die Erfahrung mit solchen Messungen haben. Man glaubt es kaum - bei meinen eigenen Versuchen hatte ich mit dem selben Gerät immer 20-30°C weniger als ein erfahrener Pressenführer vor Ort!! Nur durch eine andere Methode, den Messkopf aufzusetzten!

Also - Verwenden sie zum Abgleich kein ungeeignetes Werkzeug! Es lohnt sich auf jeden Fall präzise schnelle Fühler zu verwenden.

(Die nach unserer Erfahrung weltweit besten Fühler haben wir mit in unser Programm mit aufgenommen - Fragen sie im Zweifel bei uns nach)

Die modernsten Messkameras aus dem Hause 3T bringen heute eine komplette Datenbank mit dem Messverhalten aller uns bekannten Aluminiumarten mit, so dass sie in über 95% aller Fälle nur montieren, einschalten und dann sofort genau messen können. (Plug and play)
Allenfalls ein geringes Feintuning ist bei einigen Anlagen angebracht.
Das Drama mit den unendlichen Abgleichmessvorgängen gehört also mittlerweile der Vergangenheit an!

Haben sie alle diese Klippen überwunden, dann können sie die Vorteile einer berührungslosen kontinuierlichen Messung nutzen.
Dieses ist besonders interessant, wenn Objekte schwierig zu vermessen sind. Also z. B. sehr klebrig, flüssig, aggressiv, in Bewegung, oder einfach mechanisch schwer zu erreichen. Auch können Objekte so wenig Masse besitzen, das sie durch einen wie immer gearteten mechanischen Kontakt abgekühlt oder aufgewärmt werden können. Abgesehen davon, das empfindliche Oberflächen durch einen mechanischen Kontakt ja auch beeinträchtigt werden können.
Bei Schleppkontakten tritt z. B. das Phänomen der Reibwärme auf, welche natürlich mitgemessen wird, und das Messergebnis erheblich beeinflussen kann.
Bei Betrachtung dieser Einflüsse hat die berührungslose Messung mit einem Pyrometer sicher grosse Vorteile. Natürlich nur, wenn man die vorher betrachteten Schwierigkeiten zu berücksichtigen weiss.


An einer Tatsache und grossen Schwierigkeit kommen allerdings alle Betrachtungen nicht vorbei:

Ändert das Objekt währen der Messung seine Emissivität willkürlich, so sind alle bis dato gemachten Betrachtungen zur kontaktlosen Messung unerheblich!

Denn wie soll eine sich willkürlich ändernde Emissivität erfasst und berücksichtigt werden?
Das Phänomen der Emissivitätsänderung tritt unglücklicherweise am häufigsten in eine Produktionzweig auf, in welchem die Temperatur eine sehr wesentliche Rolle spielt:
In der Metallindustrie, speziell beim Strangpressen, beim Schmieden, Walzen, Drücken, Giessen oder reduzieren von Aluminium- oder Kupferprodukten.
In all diesen Produktionszweigen ist die Einhaltung der richtigen Temperatur für den Produktionprozess von eminenter Wichtigkeit.

So lassen sich allein durch optimierte Temperaturen beim Strangpressen Produktivitätssteigerungen von drei bis vier Prozent erreichen!

Wie aber die sich ständig ändernden Emissivitäten berücksichtigen?

Nun - es gibt seit 3 Jahren ein Messverfahren mit dem man dieses Problem lösen kann!

Einem israelischen Forscher ist es gelungen, einen Sensor zu entwickeln, der in der Lage ist, die
Emissivität von Objekten zu vermessen!

Mit einem solchen Sensor lässt sich die reale Temperatur von Objekten mit einer Genauigkeit von einem Prozent vermessen, und das bei einem Emissionsfaktor von 0,1 bis 1!

Noch vor kurzer Zeit erschien eine solche Lösung unmöglich. Dennoch sind inzwischen weltweit bereits über 800 solcher Messsysteme mit grossem Erfolg im Einsatz.

Nun wird man ein solches System - Sensor kann man diese Kamera eigentlich nicht mehr nennen - nicht für jede Anwendung einsetzen können - Der Aufwand wäre einfach zu gross.
Aber zum Beispiel im Bereich von Strangpressen, bei denen die Ermittlung der realen Temperatur sehr sehr wichtig ist, dort sind diese Messsysteme in erster Linie sinnvoll einzusetzen.
Das fängt bei der Blockerwärmung an. Oft gibt es Blöcke von unterschiedlicher Oberfächenbeschaffenheit, so dass ein 'normales' Pyrometer im Normalfall nicht ohne weiteres messen kann, es müsste für jeden Emissionswert 'nachgeeicht' werden.
Bei modernen Anlagen kommen immer öfter sogenannt Stossöfen zum Einsatz, mit deren Hilfe das Kopfende des Blockes auf eine höhere Temperatur als der restliche Block aufgeheizt wird, damit dieser beim Pressvorgang im Werkzeug zuerst an die Aussenkontur gepresst wird.
In diesen Fällen gilt es die das Temperaturprofil über dem Block zu Erfassen. Etwas , was mit einem Kontaktthermometer kaum möglich ist.
Sicherlich ist an dieser Stelle auch die Überwachung der Mindesttemperatur wichtig, damit verhindert wird, das ein zu kalter Block in die Presse gelangt.
Die Folgen wären fatal.
Der nächste Punkt ist der Werkzeugstössel. Dieser kann bei längerem Stillstand unter seine
Solltemperatur kommen und dann beim pressen Probleme verursachen.
Einer der wichtigsten Punkte ist sicher der Ausgang der Presse. Die Temperatur des Profils dort zu erfassen ist aus mehreren Gründen wichtig.
Ein Wert hier 'fällt' sozusagen noch fast nebenbei ab:
Die Emissivität ist bei vielen Profilen ein Mass für die Oberflächengüte des Profils. Einfach gesagt:

Geringe Emissivität ist gleich hochglänzende Oberfläche ist gleich gute Qualität. Höhere Emissivitätswerte deuten auf eine rauhere und damit schlechtere Oberfläche hin.

Die Temperatur am Pressenausgang gibt wichtige Informationen darüber, ob das Profil mit der
maximalen Geschwindigkeit gepresst wird, ob das Profil stabil bleibt, und wie die Oberflächenbeschaffenheit ist. Alles Werte, die ganz wesentlich von der Temperatur abhängen.

Zu guter Letzt soll auf dem Kühltisch überwacht werden, wie das Profil über der Zeit abkühlt.

Dieses Zeitprofil hat nicht unerheblichen Einfuss auf die mechanische Eigenschaften und damit auf die Qualität des extrudierten Materials.
Hat man eine optimale Abkühlkurve für ein Produkt gefunden, so kann dieselbe für das nächste Profil (Produktwechsel) schon ganz anders aussehen!

Mit einem Sensor am Eingang und am Ausgang des Kühltisches lässt sich dieses Profil genau feststellen und damit die Menge der Kühlluft regeln.

Diese Betrachtung ist nicht vollständig, und kann es auch nicht sein, da auch in diesem Bereich die Innovationszyklen recht kurz sind.

So ist der gesamte Bereich der Emissivitätsermittlung nicht enthalten.

Das kann aber für den Anwender auch in Hintergrund bleiben. Für diesen ist nur wichtig, das es auch funktioniert!

Mit diesen neuen Technologien sind Messungen mit Hilfe von Pyrometern in neue
Dimensionen vorgestossen. In Bereiche, die vor einiger Zeit noch nicht vorstellbar waren.
L.J. Finger
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