Pyrometrie

Neue Perspektiven durch berührungslose Temperaturmessung

Bern-Wabern, 15. August 2005. Mit Pyrometern können die Oberflächentemperaturen von Objekten bestimmt werden, die sich schnell bewegen, unter elektrischer Spannung stehen oder aus anderen Gründen nicht zugänglich sind. Um den steigenden Bedürfnissen nach Kalibrierungen berührungsloser Temperaturmessgeräte nachzukommen, hat das Bundesamt für Metrologie und Akkreditierung (METAS) ein neues Pyrometrielabor aufgebaut. Es deckt den Bereich von -50 °C bis 1000 °C ab.

Pyrometer messen die Oberflächentemperatur von Festkörpern und Flüssigkeiten berührungslos. Diese Messtechnik wird bei der vorbeugenden Wartung (Schutz vor Überhitzung von Motoren und Lagern (Bild 1) sowie elektrischen und elektronischen Bauteilen), bei der Überwachung thermischer Systeme und in der Gebäudetechnik (Wärmeverluste, Wärmedämmung) angewendet.

Messung der Strahlungsenergie

Die Pyrometrie nutzt die von jedem Gegenstand in Abhängigkeit seiner Temperatur abgegebene elektromagnetische Strahlung. Bei Temperaturen von -50 °C bis 1000 °C liegen die Wellenlängen dieser Wärmestrahlung innerhalb des Infrarotbereichs (1 mm bis 100 mm). Die Detektoren von Infrarot-Pyrometern erfassen vor allem die Strahlungsanteile im Wellenlängenbereich von 8 mm bis 14 mm.

Pyrometer wandeln die erfasste Strahlungsenergie in Temperaturinformationen um. Unter idealen Verhältnissen ist gemäss dem Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann die Gesamtstrahlungsenergie E proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur T des Hohlraumstrahlers: E = s T⁴, wobei s die Stefan-Boltzmann-Konstante ist.

Die realen Objekte sind jedoch nicht schwarz im Sinn einer Totalabsorption der einfallenden elektromagnetischen Strahlung. Die Energie E', die sie abstrahlen, ist daher kleiner als die Abstrahlung E eines idealen schwarzen Körpers gleicher Temperatur. Dieser physikalischen Gegebenheit wird mit dem Emissionsfaktor e Rechnung getragen. Für reale Objekte gilt: E' = e E = e s T⁴ < E, wobei e < 1.

Die Kalibrierung eines Pyrometers geschieht idealerweise bei e = 1, das heisst unter genau definierten Bedingungen. Voraussetzung dazu ist allerdings, dass die abgestrahlte Wärmeenergie bzw. die Hohlraumtemperatur genau bekannt sind. Auch sollte der Emissionsfaktor e des Strahlers von der Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Energie unabhängig sein, mindestens über den von Pyrometern verwendeten Wellenlängenbereich.

Hohlraumstrahler höchster Güte

Im Pyrometrielabor des METAS werden vier Hohlraumstrahler betrieben, die nach dem Prinzip der Wärmerohrofen aufgebaut sind (Illustration 2, Bild 3). Diese Technik ergibt äusserst homogene Temperaturverteilungen über die Strahlerhohlräume. Dadurch ist die abgestrahlte elektromagnetische Energie klar definiert und die erreichbaren Messunsicherheiten fallen entsprechend gut aus. Die tiefen Hohlräume dieser Strahler ergeben trotz Öffnungen mit bis zu 75 mm Durchmesser Emissionsfaktoren, die praktisch bei 1 liegen (e ³ 0.9995) . Damit ist METAS in der Lage, Infrarot-Pyrometer und Hohlraumstrahler mit höchster Genauigkeit zu kalibrieren. Die vier Strahler des METAS sind:

Ammoniak-Wärmerohrofen (NH₃) für Temperaturen von -50 °C bis 50 °C,
Wasser-Wärmerohrofen (H₂O) für Temperaturen von 50 °C bis 270 °C,
Cäsium-Wärmerohrofen (Cs) für Temperaturen von 300 °C bis 650 °C und
Natrium-Wärmerohrofen (Na) für Temperaturen von 600 °C bis 1000 °C.

Die Rückverfolgbarkeit der pyrometrischen Messungen auf die Thermometriebasis des METAS ist durch Normal-Widerstandsthermometer gegeben, welche die Strahlertemperatur an der konisch zulaufenden Hohlraumrückwand berührend messen (Bild 4).

Rückverfolgbare Messungen höchster Qualität

Um industrielle Verfahren evaluieren, optimieren und wiederholen zu können, müssen die temperaturbestimmenden Parameter bekannt sein und die Temperaturen genügend genau erfasst werden. Für Prozesse, die im Bereich von -60 °C bis 100 °C ablaufen, ist neben der Temperatur auch die Feuchte von grosser Bedeutung. In den Labors für Thermometrie, Pyrometrie und Hygrometrie des METAS werden Temperatur- und Feuchtemessgeräte in der geforderten Genauigkeit und rückverfolgbar auf das Internationale Einheitensystem (SI) kalibriert.

Für akkreditierte Labors sind rückverfolgbare Kalibrierungen ihrer Referenzmessgeräte eine wesentliche Voraussetzung. Damit können diese Stellen die Kalibrierarbeiten für ihre Kunden in der erforderlichen Genauigkeit ausführen. In Fällen, wo diese Labors die messtechnischen Anforderungen ihrer Kunden nicht erfüllen können, kalibriert METAS zudem industrielle Platin-Widerstandsthermometer, Thermistoren, Thermoelemente und Flüssigkeits-Glasthermometer sowie Sonden für relative Feuchte.

Vermehrt sind die Temperaturen von Objekten zu bestimmen, die aus verschiedenen Gründen nicht zugänglich sind. In diesen Fällen kommen berührungslose Temperaturmessgeräte (Pyrometer) zum Einsatz, die sehr schnell auf Temperaturänderungen reagieren und nicht durch Wärmezu- und -ableitung beeinflusst werden.

METAS verfügt über Laboreinrichtungen höchster Güte und wendet das international anerkannte Qualitätsmanagement nach ISO/IEC 17025 an. Aufträge werden bedarfsgerecht abgewickelt und spezielle Kundenwünsche berücksichtigt. Die langjährige Erfahrung der METAS-Mitarbeitenden, die weltweite Zusammenarbeit mit anderen nationalen Metrologieinstituten und die Mitwirkung in internationalen Gremien stellen eine umfassende Fach- und Beratungskompetenz in der Temperatur- und Feuchtemessung sicher.

Bundesamt für Metrologie und Akkreditierung (METAS), Dr. Anton Steiner, Leiter der Laboratorien für Thermometrie, Pyrometrie und Hygrometrie, Lindenweg 50, 3003 Bern-Wabern, Tel. 031 32 33 371

Temperaturfixpunktzellen

Die SI-Einheit für die Temperatur ist das Kelvin, das als der 273.16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Wassertripelpunktes definiert ist. Der Wassertripelpunkt ist der Zustand, bei dem die drei Phasen Wasserdampf, Wasser und Eis im Gleichgewicht koexistieren. Solange alle drei Phasen vorhanden sind, bleiben Temperatur und Druck konstant. Die Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90) ist durch zwei Punkte festgelegt: den absoluten Nullpunkt (0 K bzw. -273.15 °C) und die thermodynamische Temperatur des Wassertripelpunktes, die bei 273.16 K bzw. bei 0.01 °C liegt.

Die Realisierung der ITS-90 erfolgt durch hoch stabile Temperaturfixpunkte (Dampfdruck-, Tripel-, Schmelz- und Erstarrungspunkte), deren Werte per Konvention festgelegt worden sind. Tripelpunkte bedingen geschlossene Einstoffsysteme, in denen die drei möglichen Phasenzustände fest, flüssig und gasförmig eines Stoffes im Gleichgewicht koexistieren. Erstarrungs- und Schmelzpunkte werden in geschlossenen Zweistoffsystemen (Metall und inertes Gas) erzeugt, in denen die Zustände fest und flüssig eines Metalls im Gleichgewicht koexistieren. Oberhalb des Silberfixpunktes von 961.78 °C wird die ITS-90 durch das Plancksche Strahlungsgesetz definiert.

Die thermometrische Basis des METAS besteht aus Fixpunktzellen, die den Bereich von -189 °C bis 961 °C abdecken. An diesen Fixpunkten werden Normal-Widerstandsthermometer hoch genau kalibriert. Die so kalibrierten Normal-Thermometer werden als Interpolationsinstrumente für Kalibrierungen in Flüssigkeitsthermostaten bei Temperaturen zwischen den Fixpunkten verwendet.

	Thermographisches Bild, aufgenommen von einer Infrarot-Wärmebildkamera (Bild: www.transmetra.ch)

	Schematische Darstellung eines Wärmerohrofen-Hohlraumstrahlers. (Illustration: METAS)

	Frontansicht dreier Hohlraumstrahler: Die zu kalibrierenden Pyrometer sind auf einer Trägerplatte befestigt, die in allen drei Raumrichtungen hoch genau positioniert werden kann. (Bild: METAS)

	Rückseite eines Hohlraumstrahlers mit eingesetztem Normal-Widerstandsthermometer. (Bild: METAS)

Kontakt
Dr. Anton Steiner, Tel. 031 32 33 371

Medieninformation

Medieninformation

- Thermographik (300 dpi, 2 MB)
- Thermographik (klein)

- Hohlraumstrahler - Schema (5 MB)
- Hohlraumstrahler - Schema (klein)

- Hohlraumstrahler - Front (17 MB)
- Hohlraumstrahler - Front (klein)

- Hohlraumstrahler - Rückseite (17 MB)
- Hohlraumstrahler - Rückseite (klein)