Temperatursensoren
Produktpalette
Die digitalen Infrarot-Temperatursensoren der Modellreihe FT verfügen über einen hohen Nenntemperaturbereich und eine sehr schnelle Ansprechzeit. Große Erkennungsabstände sowie eine einfache Einstellung machen eine Installation einfach möglich. Die Infrarot-Resonanzfolie der Thermosäule zur Temperaturerkennung (in Serie geschaltete Thermoelemente) wurde zu minimaler Stärke ausgedünnt, um eine effiziente Thermoelementanordnung zu ermöglichen. Somit wird die absorbierte Wärme schnell und zuverlässig erkannt und die Ansprechzeit der Thermosäule kurz gehalten. Die Produktpalette umfasst zwei Ausführungen: Modelle für hohe Temperaturen und Modelle für mittlere bis niedrige Temperaturen. Zwei intergrierte Laser-Pointer zeigen den Erkennungsbereich auf, was die Ausrichtung des Sensors bei der Installation vereinfacht. Die aktuelle Temperatur des zu erkennenden Objekts kann direkt an der Auswerteeinheit eingegeben werden, wodurch zusätzlicher Arbeitsaufwand zum Einstellen des Emissionsgrades entfällt.
Ein Temperatursensor ist ein Gerät, welches die Temperatur eines bestimmten Bereichs auf einem Objekt erfassen kann. Der Sensor wandelt die erkannte Temperatur in ein elektrisches Signal um und wertet dieses aus. Temperatursensoren werden in Kontaktsensoren und berührungslose Sensoren eingeteilt. Zu ersteren gehören Thermistoren, Thermoelemente und Widerstandsthermometer. Zu letzteren gehören Infrarot-Temperatursensoren und Farbtemperatursensoren.
Infrarot-Temperatursensoren können eine kompakte Bauweise und einen sehr großen Erkennungsabstand aufweisen.
Sie bieten den Vorteil, dass sie weniger Einschränkungen hinsichtlich der Einbaulage und des Platzbedarfs haben.
Prinzip der Infrarot-Temperatursensoren
Infrarot-Temperatursensoren nutzen das folgende Prinzip, um die von Objekten emittierte Infrarotstrahlung zu erfassen und deren Temperatur zu erkennen:
1. Die von einem Objekt emittierte Infrarotstrahlung wird von einer Linse aufgefangen und auf ein Empfangselement, die sogenannte Thermosäule, gerichtet.
2. Wenn die Thermosäule die Infrarotstrahlen absorbiert und ihre Temperatur ansteigt, erzeugt sie entsprechend der Temperatur elektrische Signale.
3. Diese elektrischen Signale werden aufbereitet und anhand des Emissionsgrades des Objekts korrigiert. Anschließend wird die Temperatur angezeigt.
Eine Thermosäule ist so aufgebaut, dass mehrere Thermoelemente in Reihe geschaltet sind. Die heißen Verbindungsstellen der Thermoelemente werden in der Mitte und die kalten Verbindungsstellen am Randbereich platziert. Die von der Linse gesammelte Infrarotstrahlung trifft nur auf die heißen Verbindungsstellen. Nur diediese werden erwärmt. Der Seebeck-Effekt erzeugt eine Spannungsdifferenz zwischen den heißen und den kalten Verbindungsstellen und ermöglicht so eine Temperaturerkennung.
Was ist der Emissionsgrad:
Der Emissionsgrad eines Körpers gibt an, wie viel Strahlung er im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler abgibt, und zwar mit einer Zahl zwischen 0 und 1. Der Emissionsgrad eines Objekts, welches die maximal mögliche Strahlung abgibt, ist 1. Ein Objekt mit einem Emissionsgrad von 1 wird als schwarzer Körper bezeichnet. Ein Objekt, bei dem alle Infrarotstrahlen reflektiert oder durchgelassen werden, (z.B Luft) hat einen Emissionsgrad von 0. Der Emissionsgrad von Objekten liegt im Allgeimeinen irgendwo zwischen 0 und 1. Auch wenn das Material gleich ist, hat ein Objekt mit rauer Oberfläche einen höheren Emissionsgrad.
So bestimmen Sie den Emissionsgrad:
Wenn der Emissionsgrad eines Objekts als physikalische Konstante in einem Referenzmaterial oder anderweitig beschrieben ist, verwenden Sie den entsprechenden Wert. Berücksichtigen Sie bei der Bestimmung des Emissionsgrades die Bedingungen, unter denen der Emissionsgrad ermittelt wurde. (z.B die Oberflächenbeschaffenheit des Objekts).
Wenn der Emissionsgrad unbekannt ist, überprüfen Sie die Temperatur des tatsächlichen Objekts mit einem Pyrometer und verwenden Sie den darauf angezeigten Wert.
Der Infrarot-Temperatursensor von KEYENCE
Um die Erkennung der Temperatur mit einem Infrarot-Temperatursensor bestmöglich durchzuführen, müssen Sie den Emissionsgrad im Voraus speziell für das Prüfobjekt einstellen. Die Einstellung des Emissionsgrades ist allerdings mit Arbeitsaufwand verbunden und erfordert verschiedene Berechnungen und Einstellungen, die speziell auf das Prüfobjekt ausgelegt sind.
Bei der Modellreihe FT entfällt dieser Arbeitsaufwand und die erforderlichen komplexen Einstellungen. Wenn der Emissionsgrad des Prüfobjekts bekannt ist, geben Sie den Wert einfach direkt an der Auswerteeinheit ein. Ist der Emissionsgrad nicht bekannt, können Sie ihn leicht einstellen, indem Sie einfach das optionale Schwarzkörperband auf das Prüfobjekt kleben und die Temperatur mit der Modellreihe FT messen.
Vorteile von Temperatursensoren
Die Verwendung eines Temperatursensors zur Überwachung der Temperatur von Anlagenteilen in einer Produktionsstätte kann verschiedene Probleme verhindern, die durch übermäßige Belastung, elektrischen Strom oder durch Fehlfunktionen der Anlagen verursacht werden. Es ist zudem möglich, Kühlgeräte nur bei Bedarf zu aktivieren.
Die Kontrolle der Temperatur kann Probleme in der Anlage verhindern, die durch den Einfluss von Wärme verursacht werden. Wenn z.B ein Termperatursensor mit einer oberen und unteren Grenztemperatur eingestellt wird, um die Kühleinheit für den Motor einer Verarbeitungsmaschine ein- bzw. auszuschalten, kann der Motor mit der entsprechenden Taktung gekühlt werden, wenn er aufgrund von übermäßiger Belastung oder anderen Ursachen heiß wird.
Da der Temperatursensor die Temperatur kontinuierlich überwachen kann, lässt sich der Vorgang nachvollziehen, bei dem der Motor eine bestimmte Temperatur erreicht und dann abgekühlt wird. Dadurch können Probleme frühzeitig erkannt und behoben werden.
Wenn sich die Temperatur des Motors unerwartet ändert, obwohl die Verarbeitungsmaschine in Betrieb ist, kann es sein, dass die Kühleinheit nicht richtig arbeitet oder der Motor durch eine zu hohe Belastung überhitzt ist.
Wird ein Temperatursensor zur Kontrolle der Temperatur eines Prüfobjekts genutzt, kann man überprüfen, ob ein oberer oder unterer Grenzwert erreicht wurde und kann somit Rückschlüsse auf die Umgebungstemperatur ziehen. Dadurch kann die Klimaanlage entsprechend angesteuert werden. Somit können Probleme vermieden werden, wie z.B fehlhafte Produkte, die aufgrund von abnormalen Temperaturen produziert werden.
Durch den Einsatz eines Temperatursensors Probleme vermieden werden, die durch Temperaturschwankungen während eines Beschichtungsvorgangs verursacht werden. Wenn ein Sensor zur Nachregelung für den Beschichtungsprozess eingestellt ist, kann die Linie entsprechend erwärmt oder gekühlt werden.
Da der Temperatursensor die Temperatur kontinuierlich überwachen kann, lässt sich der Prozess des Erreichens einer bestimmten Temperatur nachvollziehen. Dies ermöglicht eine angemessene Erwärmung und Kühlung sowie eine genaue Steuerung der Zeit, die der Lack zum Trocknen benötigt. Probleme können somit schnell erkannt werden, z.B wenn sich die Temperatur auch bei laufender Klimaanlage kontinuierlich ändert. Dies kann dazu beitragen, die Freigabe von fehlerhaften Produkten zu minimieren.
Infrarot-Temperatursensoren können die Temperatur aus der Ferne sehr gut erkennen. Sie können die Herstellung fehlerhafter Produkte verhindern, indem Sie die Temperatur kleinster Teile während der Verarbeitung erfassen oder abnormale Temperaturen von Werkzeugen und Materialien erkennen.
Durch den Einsatz eines Infrarot-Temperatursensors lassen sich Probleme vermeiden, die z. B. durch zu niedrige Löttemperaturen verursacht werden.
Wenn ein Temperatursensor auf den korrekten Wert eingestellt wird, die für den Lötvorgang erforderlich ist, kann die Erwärmung des Lottigels entsprechend gestartet werden.
Infrarot-Temperatursensoren können die Temperatur erkennen, ohne dass sie durch Infrarotstrahlung aus der Umgebung des bearbeiteten Abschnitts beeinflusst werden.
Die Akkumulation der von der kontinuierlichen Überprüfung der Temperatur während des Lötens stammenden Daten erleichtert das Management der Verarbeitungsqualität, was mit bisherigen Methoden schwierig war, und führt so zur Erhaltung und Verbesserung der Qualität.
Anwendungsbereiche von Temperatursensoren
Schweißindustrie: Temperaturkontrolle in Prozessen der Hochfrequenz-Induktionserwärmung
Die Hochfrequenz-Induktionserwärmung ist eine Bearbeitungsmethode, die ein Erwärmungsphänomen nutzt, das als Skin- oder Näherungseffekt bezeichnet wird.
In diesem Prozess ist es erforderlich die Temperatur von Objekten zu überprüfen, die durch Flammen erhitzt werden. Thermoelemente und andere Kontakt-Temperatursensoren können nicht verwendet werden, da sie durch hohe Temperaturen beschädigt werden. Mit herkömmlichen Infrarot-Temperatursensoren ist eine genaue Überprüfung aufgrund des Einflusses der von den Flammen abgegebenen Infrarotstrahlung nicht möglich.
Die digitalen Infrarot-Temperatursensoren der Modellreihe FT sind mit einer neu entwickelten Schaltung ausgestattet, um die Stabilität zu maximieren – die wichtigste Eigenschaft eines Temperatursensors. Trotz der berührungslosen Methode kann die Modellreihe FT eine stabile Temperaturüberprüfung unter verschiedensten Bedingungen durchführen. Die Modellreihe FT trägt zudem zur Automatisierung von Aufgaben bei, die bisher von Facharbeitern erledigt wurden, wie z.B die Steuerung der Restwärme, die in Abhängigkeit von der Außentemperatur variiert.
Metallverarbeitende Industrie: Temperaturerkennung von warmgeschmiedeten Produkten
Die Temperatur der Objekte beim Warmschmieden steigt auf maximal 900°C an. Hier kann die Temperatur nicht mit Kontakt-Temperatursensoren überprüft werden. Selbst an Stellen, die mehr als 6m von den Prüfobjekten entfernt sind, treten aufgrund der Wärmeausdehnung der Sensoren bei der Überprüfung Fehler auf. Das bedetutet, dass die Temperatur der Objekte während des Warmschmiedens von einem entfernten Ort aus überprüft werden müssen, an dem die Sensoren nicht von der Hitze beeinflusst werden.
Der digitale Infrarot-Temperatursensor der Modellreihe FT hat keine Begrenzung des Erkennungsabstands. Die Produktpalette umfasst verschiedene Modelle, die je nach Größe der Prüfobjekte und der Temperaturbereiche ausgewählt werden können.
Die Auswahl eines optimalen Modells aus der Reihe ermöglicht eine genaue Überprüfung der Temperatur von Objekten während des Warmschmiedens aus weiter Entfernung, an dem der Sensor nicht von der Hitze beeinflusst wird.
Diese Eigenschaften helfen, die Zeit zu reduzieren und die Analyse der Beziehung zwischen Temperatur und Form von Prüfobjekten unter hohen Temperaturen zu verbessern, was mit bisherigen Sensoren als unmöglich galt.
Spritzguss: Temperaturkontrolle der Materialien unmittelbar vor dem Gießen
Bei diesem Verfahren dauert es einige Zeit, bis das erwärmte Material in die Formen gegossen wird. Dies führt zu Schwankungen des Materials, was zu Gussdefekten führt. Zur Vermeidung solcher Defekte ist eine Temperaturkontrolle des Materials unmittelbar vor dem Gießen erforderlich.
In vielen Fällen ist der verfügbare Platz für den Einbau eines Thermometers begrenzt und die Betriebsumgebung ist nicht sauber, so dass auch die Verschmutzung der Linse berücksichtigt werden muss.
Bei den digitalen Infrarot-Temperatursensoren der Modellreihe FT ist der Detektor einschließlich der Thermosäule in eine zylindrische Struktur eingeschlossen und schwimmend gelagert, um einen Kontakt mit dem Sensorkopfgehäuse zu vermeiden. Die durch diese schwimmende Struktur erzeugte Luftschicht kann den Einfluss von Störgrößen wie der Umgebungstemperatur der Sensoren eliminieren. Die Sensoren sind außerdem sehr kompakt, sodass sie vielerorts installiert werden können. Da der Erkennungsabstand groß ist, kann eine saubere Montageumgebung für die Installation gewählt werden.
Häufig gestellte Fragen zu Temperatursensoren
Das Verhältnis der von Objekten emittierten Infrarotstrahlung (Emissionsgrad) ist je nach Material und Oberflächenbeschaffenheit unterschiedlich, auch wenn sie die gleiche Temperatur haben. Folglich erfordert die genaue Temperaturerkennung eines Objekts die Einstellung des Emissionsgrades in Übereinstimmung mit dem Objekt.
Die Einstellung des Emissionsgrades variiert je nachdem, ob Sie den Emissionsgrad kennen oder nicht. Bei der Modellreihe FT können Sie, wenn Sie den Emissionsgrad kennen, den Wert einfach an der Auswerteeinheit eingeben. Auch wenn Sie den Emissionsgrad nicht kennen, können Sie ihn automatisch einstellen, indem Sie einfach die aktuelle Temperatur des Prüfobjekts an der Auswerteeinheit eingeben.
Wenn Sie die aktuelle Temperatur des Prüfobjekts nicht kennen, können Sie das optionale Schwarzkörperband auf das Prüfobjekt aufkleben und die Oberflächentemperatur zur Einstellung des Emissionsgrades erfassen.
Metallische Prüfobjekte, beispielsweise aus Eisen oder Aluminium, weisen einen hohen Reflexionsgrad und einen geringen Emissionsgrad auf. Die Erkennung von Prüfobjekten mit niedrigem Emissionsgrad kann instabil werden, da der Infrarot-Temperatursensor weniger Infrarotstrahlen vom Prüfobjekt empfängt. Der Emissionsgrad einer glänzenden Metalloberfläche ist gering und kann weiter sinken, wenn die Oberfläche geneigt ist. Wenn sich die Erkennungsposition ändert, kann sich die Temperatur der Metalloberfläche ebenso ändern.
Bei der Modellreihe FT kann eine stabile Erfassung generiert werden, wenn der Sensor senkrecht zum zu kontrollierenden Bauteil montiert ist und jedes Mal denselben Punkt überprüft.
Da Infrarot-Temperatursensoren auch sichtbaren Dampf oder Rauch erfassen, kann die zu prüfende Temperatur fehlerhaft sein.
Die Modellreihe FT kann mit einer Luftspülung verwendet werden, um Dampf oder Rauch zwischen dem Sensorkopf und dem Prüfobjekt zu entfernen und so eine stabile Erkennung zu gewährleisten. Wenn leichter Ölbebel in der Luft schwebt, können Sie dessen Einfluss reduzieren, indem Sie die Linsenoberfläche des Sensorkopfes regelmäßig reinigen oder den Sensorkopf mit einem Gehäuse umschließen und die Luftspülung verwenden. Wenn der Sensorkopf durch die Wärme des Prüfobjekts erhitzt wird und die Erkennung aufgrund der hohen Temperatur der Thermosäule im Inneren ungenau wird, können Sie den Anstieg der Innentemperatur verhindern, indem Sie den Sensorkopf mit Aluminiumfolie abdecken.
Temperatursensoren werden in Kontaktsensoren und berührungslose Sensoren eingeteilt. Diese werden je nach Betriebsumgebung und/oder Zweck ausgewählt. Um eine genaue und stabile Überprüfung zu erreichen, ist es notwendig, die Eigenschaften dieser Sensoren zu verstehen.
Eigenschaften von Kontakt-Temperatursensoren
Kontakt-Temperatursensoren erkennen die Temperatur aufgrund von Änderungen der Werte, wie z. B. der elektrischen Leistung oder des elektrischen Widerstands, die mit einer Kontaktspitze direkt in Kontakt mit dem zu kontrollierenden Objekt gemessen werden. Im Folgenden werden die Ausführungen und Eigenschaften der wichtigsten Kontakt-Temperatursensoren beschrieben.
Thermoelemente
Diese Temperatursensoren nutzen den Seebeck-Effekt, das Phänomen, bei dem eine thermoelektrische Kraft erzeugt wird, wenn zwei Leiter aus unterschiedlichen Metallen elektrisch zu einem Stromkreis verbunden sind und an beiden Enden eine Temperaturdifferenz entsteht.
Diese Sensoren verfügen über einen großen Nenntemperaturbereich, eine schnelle Ansprechzeit, die Fähigkeit, kleine Objekte zu erkennen, sowie eine einfache Verarbeitung und Überprüfung der Temperaturinformationen. Kombiniert mit geringeren Kosten als bei anderen Temperatursensoren, wird diese Ausführung in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Zur Verlängerung des Kabels ist jedoch eine Ausgleichsleitung erforderlich.
Widerstandsthermometer
Widerstandsthermometer machen sich die Eigenschaft eines Metalls zunutze, dass der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Ein typisches Beispiel für ein Widerstandsthermometer ist ein Platin-Widerstandsthermometer, bei dem in der Regel hochreines Platin für den Widerstandsdraht verwendet wird.
Sie sind für die Kontrolle von niedrigen Temperaturen (Normaltemperaturbereich) geeignet und ermöglichen eine stabile und präzise Überprüfung. Eine weitere Eigenschaft ist, dass sie weniger durch mechanische Stöße oder Vibrationen beeinträchtigt werden. Andererseits liegt ihre maximale Betriebstemperatur bei ca. 500°C und damit unter der von Thermoelementen. Diese Sensoren sind in der Regel teuer im Vergleich zu anderen Sensoren.
Thermistoren
Thermistoren sind Temperatursensoren, die die Temperatureigenschaften von Halbleiterwiderständen nutzen, die ihren Widerstand bei Termperaturänderungen ändern. Sie weisen nur geringfügige Abweichungen auf, die durch den Leitungswiderstand verursacht werden, und haben eine hohe Empfindlichkeit unter den Temperatursensoren, relativ zu ihren Kosten.
Eigenschaften von berührungslosen Temperatursensoren
Berührungslose Temperatursensoren kontrollieren die Temperatur, indem sie die von den Objekten emittierte Wärmestrahlung erfassen. Sie können aufgrund ihres Prinzips in die folgenden zwei Ausführungen unterteilt werden und haben jeweils ihre eigenen Merkmale.
Infrarot-Temperatursensoren
Diese Sensoren erkennen die Stärke der Wärmestrahlung, um die Temperatur zu bestimmen. Sie werden weiter in drei Ausführungen unterteilt. Gesamtstrahlungspyrometer messen Temperaturen aus dem Integralwert über den gesamten Wellenlängenbereich. Bandstrahlungspyrometer überprüfen Temperaturen, indem sie nur Wellenlängen verwenden, die für die Kontrolle vorteilhaft sind. Schmalbandpyrometer überprüfen Temperaturen anhand der Stärke der Wärmestrahlung eines Wellenlängenbereichs.
Infrarot-Temperatursensoren sind effektiv bei der Überprüfung der Temperaturen von sich bewegenden/rotierenden Objekten und Objekten, deren Oberflächentemperatur durch Kontakt mit dem Sensor verändert werden könnte (Objekte mit geringer Wärmekapazität). Sie können jedoch nicht die Innentemperatur von Prüfobjekten oder von Gasen erfassen. Auch der Emissionsgrad muss entsprechend dem Prüfobjekt eingestellt werden. In den letzten Jahren wurden Infrarot-Temperatursensoren entwickelt, die diese Einstellung automatisch vornehmen.
Zweifarben-Pyrometer
Diese Sensoren erfassen die Wärmestrahlung, indem Sie zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche betrachten und aus dem Verhältnis der Intensitäten die Temperatur bestimmen.
Sie zeichnen sich durch weniger Fehler aus, selbst bei kleinen Objekten, die kleiner als der Lichtpunktdurchmesser des Sensors sind. Sie haben den Nachteil, dass die Temperaturwerte instabil sind, wenn sich Staub oder Wasserdampf in der Luft befinden oder wenn das Objekt durch eine verschmutzte Scheibe kontrolliert wird, da diese die Wärmestrahlung diffundiert.