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Emissionsvermögen: Definition und Einfluss in der berührungsfreien Temperaturmessung

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In der berührungsfreien Temperaturmessung ermittelt ein Pyrometer die Wärme oder die Infrarotstrahlung, die durch einen Gegenstand ausgestrahlt werden. Von dieser ermittelten Strahlung berechnet der Pyrometer die Temperatur entsprechend Plancks Strahlungsgesetz.

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In der berührungsfreien Temperaturmessung ermittelt ein Pyrometer die Wärme oder die Infrarotstrahlung, die durch einen Gegenstand ausgestrahlt werden. Von dieser ermittelten Strahlung berechnet der Pyrometer die Temperatur entsprechend Plancks Strahlungsgesetz. Die Menge von Energie ausgestrahlt durch den Gegenstand hängt in großem Maße vom Emissionsvermögen des Materials ab.

Aber was genau bedeuten wir, wann wir auf Emissionsvermögen uns beziehen und wie es die Temperaturmessung beeinflußt? Wie können wir die Menge des Emissionsvermögens bestimmen, und was hängt es an ab? Welche ein bisschen TemperaturLesefehler träten möglicherweise wegen einer falschen Emissionsvermögeneinstellung auf und wie kann eine messende Fehler verhindern? Dieser Artikel bespricht diese und andere Fragen über Emissionsvermögen.

Definition des Emissionsvermögens

Die Menge von Infrarot-/von Wärme, die ein Gegenstand ausstrahlt, ist nicht nur eine Funktion der Temperatur, aber hängt vom Material selbst ab. Emissionsvermögen beschreibt die Fähigkeit eines Materials, die Wärme auszustrahlen oder freizugeben, die sie absorbiert hat. Ein perfekter Heizkörper – bekannt als ein ‚schwarzer Körper‘ – strahlt die gesamte Menge der absorbierten Energie aus. Ein wirklicher Körper strahlt immer weniger Energie als ein schwarzer Körper bei der gleichen Temperatur aus. Emissionsvermögen ε ist das Verhältnis der Infrarotstrahlung ausgestrahlt von einem gegebenen Gegenstand (wirklicher Körper) Φr und von einem schwarzen Körper Φb bei der gleichen Temperatur.

ε = Φr/Φb

Folglich ist Emissionsvermögen eine dimensionslose Quantität oder ein Faktor zwischen 0 und 1 oder zwischen 0 und 100%.

Atmosphärische Strahlung, die einen Maßgegenstand erreicht, wird mehr oder weniger stark, abhängig von dem Reflexionsvermögen des Materials reflektiert. Die gleichen Gesetze der Strahlung, die sichtbares Licht auch regeln, treffen auf Wärme zu. Im Falle der transparenten Gegenstände wie Glas oder Plastikfolie, trüge zusätzliche Wärme möglicherweise von unterhalb der Oberfläche des Gegenstandes oder vom Hintergrund zur ermittelten Strahlung bei. Transmissivität beschreibt den Prozentsatz der Strahlung, der durch einen Gegenstand übertragen werden kann. Die Gesamtmenge von Strahlung ermittelt durch den Sensor ΦΣ eines Pyrometers ist die Summe einiger Komponenten, wie in der folgenden Gleichung gezeigt.

ΦΣ = ε * Φobj + ρ * Φamb + τ * Φback

ε = Emissionsvermögenfaktor

ρ = Reflexionsvermögenfaktor

τ = Transmissivitätsfaktor

Φobj = Strahlung vom Zielgegenstand

Φamb = umgebende Strahlung (Vordergrund)

Φback = Strahlung vom Hintergrund

Die Strahlungskoeffizienten werden zusammen in der Gleichung verbunden:

1 = ε + ρ + τ

Es gibt kein Getriebe der Strahlung durch undurchsichtige Gegenstände; folglich ist der Transmissivitätsfaktor nicht anwendbar.

1 = ε + ρ

Faktoren, die Emissionsvermögen beeinflussen

Das Emissionsvermögen eines Gegenstandes hängt hauptsächlich von der Art des Materials und seiner Oberflächeneigenschaften ab. Nicht-metallische und undurchsichtige Gegenstände sind im Allgemeinen gute Heizkörper mit einem Emissionsvermögen > 80%. Das Emissionsvermögen von Metallen kann zwischen 5% und 90% schwanken. Glänzende, in hohem Grade reflektierende Metalloberflächen haben niedrigeres Emissionsvermögen.

Außerdem kann das Emissionsvermögen abhängig von der Wellenlänge ändern. Dies gilt für Metalle besonders. Die Fähigkeit eines Metalls, Wärmestrahlungszunahmen an den kürzeren Wellenlängen auszustrahlen. Deshalb für Metallanwendungen, ist- es am besten, einen Pyrometer vorzuwählen, der Maße an den kurzen Wellenlängen.

Transparente Gegenstände wie Glas, Plastikfilme oder Gase haben eindeutige Wellenlängenbereiche, in denen die Strahlungseigenschaften gut sind. Um die Temperatur dieser Gegenstände genau zu messen, ist es notwendig Pyrometer mit speziellen Sensoren und Filtern vorzuwählen die für die bestimmte Wellenlänge empfindlich sind.

Das Emissionsvermögen von Metallen und von Glas ändert auch als Funktion der Temperatur. Durch Oberflächenoxidation des flüssigen Metalls und während der Flüssigkeit zum festen Übergang kann das Emissionsvermögen beträchtlich ändern.

Als die Temperatur von Metallzunahmen, also werden Sie das Emissionsvermögen. Im Falle des Glases lässt eine höhere Temperatur den Pyrometer in einem größeren Abstand in das Glas sehen. Dies heißt, dass der Pyrometer an einer Tiefe unterhalb der Glasoberfläche misst und Wärme aus dem Gegenstand ermittelt.

Wie Atmosphäre Emissionsvermögen beeinflußt

Äußere Strahlung kann in der Umwelt entstehen, in denen Maße stattfinden. Ein klassisches Beispiel ist das Maß des kalten Blechs innerhalb eines heißen Heizungsofens. Der Pyrometer ermittelt die Wärme, die direkt vom Blech sowie von der Wärmestrahlung von der Ofenwand ausstrahlt, die weg vom Blech sich reflektiert. Das kleiner die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Strahlenquellen (Gegenstand und Ofen) ist, das größer die Genauigkeit des Maßes ist.

Um die tatsächliche Temperatur des Gegenstandes zu ermitteln sollte ein wassergekühltes Anvisierenrohr eingesetzt werden. Dieser Zusatz dient, den Pyrometer von Störungsstrahlung von der Ofenwand abzuschirmen. Um die reflektierte Strahlung vom Betreten des Anblickweges zu blockieren, sollte der Rohrdurchmesser mindestens sechsmal der Abstand zwischen dem Rohr und dem Gegenstand messen.

Weisen, Emissionsvermögen zu bestimmen

Industrielle Literatur- oder Anweisungshandbücher enthalten häufig Daten bezüglich des Emissionsvermögens von verschiedenen Materialien. Diese Informationen sollten mit Vorsicht verwendet werden, jedoch. Zu wissen ist wichtig, für, welche Temperatur und welche Wellenlänge der Emissionsvermögenwert anwendbar ist.

Außerdem wurden die angegebenen Emissionsvermögenwerte unter idealen Bedingungen erhalten. In der tatsächlichen Praxis schwankt das Gesamtemissionsvermögen des Zielgegenstandes, abhängig von der Menge der äußeren Strahlung übertragen durch den Gegenstand vom Hintergrund oder reflektierte sich auf den Gegenstand vom Vordergrund. Wenn Sie den Pyrometer auf den theoretischen Emissionsvermögenwert einstellen sollten gezeichnet von der Literatur, ist die angezeigte Temperaturlesung irrtümlich hoch.

Um eine genaue Temperaturlesung zu erreichen, muss der Benutzer den Pyrometer auf ein wenig höheres Emissionsvermögen als erklärt einstellen. Wir könnten dieses nennen eine simulierte Zunahme des Emissionsvermögens. Durch ein Vergleichsmaß unter Verwendung eines Kontaktthermometers können wir das tatsächliche Emissionsvermögen eines Gegenstandes herstellen und den Pyrometer dementsprechend justieren, vorausgesetzt, dass das Kontaktthermometermaß sehr genau ist.

Wechselweise für Temperaturen bis zu °C ungefähr 250, kann ein Aufkleber mit einem definierten Emissionsvermögen zum Zielgegenstand hinzugefügt werden.

Zuerst wird die wahre Gegenstandtemperatur an der Aufkleberstelle bestimmt (Abb. 2). Dann wird ein Vergleichsmaß am Gegenstandrecht nahe bei dem Aufkleber durchgeführt. Nachher wird das Emissionsvermögen des Pyrometers justiert, damit das Instrument die frühere Temperaturlesung anzeigt.

Weil der Einfluss des Emissionsvermögens neigt, sich mit Temperatur zu erhöhen, sollte dieses Vergleichsmaß bei den höheren Temperaturen immer durchgeführt werden

Wenn, hohe Temperaturen ist- zu messen oder, wenn das Ziel schwierig ist, wie in ein Vakuumofen, auf ein Vergleichsmaß unter Verwendung der Wellenlängen eines Pyrometers kurz zuzugreifen, empfehlenswert, weil aus Gründen der Physik, die Genauigkeit des Maßes an den kürzeren Wellenlängen größer ist.

Ein verschwindener moderner Intensitätsvergleichspyrometer (Abb. 3) ist zu diesem Zweck ideal. Die Technik von diesem Instrumente basiert auf einem Sichtfarbvergleich an einer Wellenlänge von 0,67 μm.

Die Wirksamkeit dieser Methode ist nicht von der Größe des Zielgegenstandes abhängig. Das Diagramm Abb. 4 zeigt den Effekt einer falschen Pyrometeranpassung oder eine Änderung im Emissionsvermögen.

Zwei-Farbpyrometermaße – ungeachtet des Emissionsvermögens?

Vor einigen Jahren, kamen Pyrometer, die die Fähigkeit hatten, Wärmestrahlung bei zwei verschiedenen Wellenlängen gleichzeitig zu ermitteln, auf den Markt heraus. Das Verhältnis dieser zwei Maße ist zur Temperatur proportional. Wenn das Emissionsvermögen der Zielmaterialänderungen und -effekte eine Änderung in der Menge von Strahlung ermittelt durch jeden Kanal, das Verhältnis oder der Quotient dieser Werte und folglich die Temperatur, weiterhin konstant bleibt. Dieses ist jedoch nur wahr wenn die Änderung im Emissionsvermögen für beide Kanäle identisch ist. Praxis hat gezeigt, dass dieses selten der Kasten für Metalle ist. Für Metallanwendungen kann der Gebrauch der ZweiFARBpyrometer sogar größere messende Fehler, als ergeben einkanalpyrometer produzieren würde. Deshalb wird Vorsicht mit diesem zitierte häufig „Emissionsvermögen-unabhängige“ Technik geraten.

Zwei-Farbpyrometer tun, klare Vorteile in den Situationen anzubieten, die den gleichen Grad von Signalverminderung an beiden Kanälen produzieren, zum Beispiel wenn Staub oder Rauch auf der Linse oder im Blickfeld des Instrumentes teilweise das Getriebe der ausgestrahlten Energie zum Pyrometer-Sensor versperrt. Die Temperaturlesung des ZweiFARBpyrometers fährt fort, korrekt zu sein.

In den besonders ungünstigen oder komplexen Messbedingungen ist es empfehlenswert, beide zwei Spektraltemperaturwerte sowie die Temperaturlesung als basiert auf dem ZweiFARBverhältnis zu betrachten. Abhängig von dem Ergebnis kann der Benutzer die Methode vorwählen, die für seine Anwendung bestgeeignet ist und justiert den Pyrometer dementsprechend.

Schlussfolgerung

Wenn sie die Attribute eines Pyrometers unterstreichen, lenken Broschüren häufig besondere Aufmerksamkeit auf die spezifizierte Messunsicherheit eines Instrumentes. Mit berührungsfreier Temperaturentdeckung jedoch hängt die Wahrscheinlichkeit des Messfehlerauftretens in den meisten Fällen von den Zielgegenstandeigenschaften und -Umgebungsbedingungen ab. Nur selten zu tun stammen metrologische Fehler wirklich ein defektes Instrument ab. Deshalb ob, einen Pyrometer vorwählend oder die messende Position wählend, es am besten ist, die Prinzipien zu beachten, die in diesem Artikel beschrieben werden.