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Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik - Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Messtechnik Die

Messtechnik Die Herausforderung: Wärmemessung bei hohen Geschwindigkeiten Wie misst man die Wärme von Objekten, die sich schnell bewegen oder ihre Temperatur rasch ändern? Herkömmliche Temperaturmessinstrumente wie Thermoelemente oder Punkt-Pyrometer bieten nicht die erforderliche Auflösung oder Geschwindigkeit, um thermische Hochgeschwindigkeitsanwendungen zu charakterisieren? Diese Instrumente sind unzweckmäßig, um in Bewegung befindliche Objekte zu messen – oder liefern bestenfalls ein unvollständiges Bild von den thermischen Eigenschaften eines Objekts. Im Gegensatz dazu kann eine Infrarotkamera die Temperatur einer gesamten Szene messen, indem sie die thermischen Messwerte für jeden einzelnen Pixel erfasst. Infrarotkameras können eine schnelle, präzise und berührungslose Temperaturmessung bieten. Indem der Anwender die richtige Art von Kamera für seine Anwendung wählt, können zuverlässige Messungen bei Bild 1: Stop-Motion-Aufnahme von FA-18-Hornets mit einer gekühlten FLIR InSb-Wärmebildkamera Bild 2: Wärmebild eines herkömmlichen Thermoelements hohen Geschwindigkeiten durchgeführt, Stop-Motion-Wärmebilder anfertigt und aussagekräftige Forschungsdaten generiert werden. Autoren: Joachim Sarfels, Sales Manager Science, FLIR Systems GmbH, R&D-Science Division, Frank Liebelt, freier Journalist, Frankfurt FLIR Systems GmbH research@flir.com www.flir.com www.irtraining.eu Bild 3: Systemreaktion bei einem 0 °C-zu-100 °C-Übergang; tau = 10 ms, Halbzeit = 7 ms 36 Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2019

Messtechnik Bild 4: Wärmebild von Papier beim Verlassen von Heizwalzen Punkt- und Breitbereichsmessungen im Vergleich Mit Messtemperaturen, die statt Punkt für Punkt einen breiten Bereich abdecken, haben Forscher und Ingenieure eine aussagekräftigere Grundlage, um Entscheidungen über das zu prüfende System zu treffen. Da Thermoelemente und Thermistoren einen Kontakt benötigen, liefern sie immer nur Daten über einen Ort. Außerdem können kleine Test objekte nur wenige Thermoelemente gleichzeitig aufnehmen. Durch das Anbringen kann sich sogar der Temperaturmesswert ändern, weil sie als Wärmeableiter fungieren. Mit einem Pyrometer – auch Infrarot (IR)-Thermometer genannt –, sind zwar ebenfalls berührungslose Messungen möglich, aber wie Thermoelemente messen Pyrometer nur einen einzelnen Punkt. Infrarot kameras erstellen Bilder anhand der Strahlung, die Objekte über dem absoluten Nullpunkt abgeben. Indem sie für jeden Pixel einen Temperaturmesswert bereitstellen, können Forscher ohne jede Berührung die Temperatur einer Szene sehen und messen. Da IR- Kameras mehr Daten als Thermoelemente oder Pyrometer liefern und Temperaturveränderungen im Zeitablauf nachverfolgen können, eignen sie sich gleicher maßen gut für Forschungs- und Konstruktionszwecke. Gekühlte und ungekühlte Infrarotdetektoren im Vergleich Es gibt zwei Arten von Infrarotdetektoren: Thermo- und Quantendetektoren. Thermodetektoren wie Mikrobolometer reagieren auf einfallende Strahlungsenergie. Diese erwärmt die Pixel und erzeugt eine Temperaturveränderung, was wiederum eine Veränderung des Widerstands bewirkt. Diese Kameras benötigen keine Kühlung und kosten weniger als Quantendetektor-Kameras. Gekühlte Quantendetektoren bestehen aus Indiumantimonid (InSb), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) oder Übergitter-Barrierenstrukturen (Strained Layer Superlattice). Diese Detektoren sind photovoltaisch, d. h., die Photonen treffen auf die Bildelemente und werden in Elektronen umgewandelt, die in einem Integrationskondensator gespeichert werden. Das Bildelement wird durch Öffnen oder Kurzschließen des Integrationskondensators elektronisch verschlossen. „Quantendetektoren sind an sich schneller als Mikrobolometer – und das liegt hauptsächlich daran, dass Mikrobolometer die Temperatur verändern müssen“, erläutert Dr. Robert Madding, Präsident von RPM Energy Associates. Als Pionier in der Infrarottechnologie hat Dr. Madding mehr als 35 Jahre Erfahrung im Bereich Infrarot-Thermografieanwendung und -Schulung. „Anstatt die Temperatur der Pixel zu verändern, fügen Quantendetektoren ihre Energie zu Elektronen im Halbleiter hinzu und heben sie über die Detektorenergiebandlücke in das Leitungsband. Dies lässt sich, je nach Detektorkonzept, als Veränderung in der Detektorspannung oder im Detektorstrom messen. Das kann sehr schnell geschehen.“ Bei einer InSb-Kamera wie der FLIR X6900sc kann die typische Integrationszeit beim Messen eines Objekts zwischen -20 °C und 350 °C gerade einmal 0,48 μs betragen. Diese unglaublich kurzen „Schnappschuss-Geschwindigkeiten“ ermöglichen es, Bewegung für Aufnahmen einzufrieren und sehr schnelle Transienten präzise zu messen. Im Gegensatz dazu bestehen die Pixel einer ungekühlten Kamera wie der FLIR T1030sc aus einem Material, dessen Widerstand sich mit der Temperatur deutlich verändert. Auch hier wird jeder Pixel physikalisch erwärmt oder abgekühlt. Der Widerstand variiert mit der Temperatur und lässt sich messen und über einen Kalibrierungsvorgang wieder als Zieltemperaturmuster abbilden. High-Speed InSb und Mikrobolometer im Vergleich (Papier verlässt Heizvorrichtung mit 127 cm/s) • Keine Reaktion bei raschen Temperaturänderungen • Heizung mit 60 °C Sollwert • Heizsteuerung schaltet beim Erreichen des Sollwerts vollständig ab • Rolle kühlt sich bei Kontakt mit Papier (= Raumtemperatur) ab, Heizsteuerung schaltet vollständig ein (On/Off-Controller) • SC6700-Einstellung: 640x128 bei 420 fps (2,4 ms) und 0,36 ms Integrationszeit • A655SC-Einstellung: 640x120 bei 200 fps (5,0 ms) mit 8 ms Zeitkonstante (5,5 ms Halbzeit) • Anstiegszeitunterschiede beachten! Hier wechseln wir von „Substrat abwesend“ zu „Substrat vorhanden“. • SC6000 misst den 33,3 °C-Anstieg in 1 Bild oder 2,38 ms • SC655 braucht 7 Bilder oder 35 ms (~5 Zeitkonstanten wie erwartet) Bild 5: Photonen-zählender Quantendetektor im Vergleich zum Mikrobolometer bei thermischen Transienten Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2019 37

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