Produktionstrend 2011/10, Technische Diagnoseabteilung

"Ein universelles Messverfahren"

In unserem vorherigen Beitrag (Produktionstrend 2011/7-8) haben wir uns mit den speziellen thermografischen Messungen auf Kunststoffen befasst. Jetzt ergänzen wir dies um die Besonderheiten von Messungen auf Glasoberflächen oder durch Glas hindurch.

Bei der Entwicklung und Herstellung von Glühlampen werden häufig hochauflösende, kurzwelligen Thermografiesysteme eingesetzt (meist basierend auf InSb- oder PtSi-Matrixdetektoren), die die berührungslose Temperaturmessung im Bereich von 2–6 oder 3–5,5 µm Wellenlängen ermöglichen. Dieser Bereich ist besonders interessant in der Glasverarbeitung und Glühlampenherstellung, da je nach Anforderungen die Temperaturmessung sowohl auf der Glasoberfläche als auch durch das Glas hindurch möglich ist. Hierbei wird die Differenz der optischen Eigenschaften des Glases unterhalb und oberhalb von ca. 4 µm Wellenlänge genutzt: Unter 4 µm ist die Messung durch das Glas relativ gut möglich.

Natürlich muss der dämpfende Effekt von Materialien, der mit zunehmender Dicke zunimmt, bei der Temperaturberechnung berücksichtigt werden. Andererseits, wenn es gelingt, alle kurzwelligen Strahlungskomponenten mit einem Übertragungsspektrumfilter ausreichend zu unterdrücken, ist die Messung und Temperaturbestimmung nicht mehr durch das Glas, sondern nur auf der Glasoberfläche möglich. Glas hat im kurzwelligen Bereich von 3–5 µm nur eine geringe Reflexionsfähigkeit im Vergleich zum langwelligen Bereich von 8–12 µm, daher beeinflussen Reflexionen je nach Umgebungstemperaturniveau die Messergebnisse hier nur geringfügig nachteilig.

Temperaturmessung in der Glasverarbeitung

Beispielsweise ist die Messung der Verarbeitungstemperatur des Glases bei der Herstellung von Glühlampen sehr wichtig, da selbst geringfügige Temperaturschwankungen drastische Auswirkungen auf die Produktqualität haben können. Die hohe Verarbeitungstemperatur des Glases ermöglicht die optimale Temperaturmessung im spektralen Bereich von 3–5 µm. Aufgrund der niedrigen Reflexionseigenschaften des Glases im kurzwelligen Bereich stellen Reflexionen auf der Glasoberfläche kaum ein Problem dar, und in den meisten Fällen liegt die Umgebungstemperatur weit unter der Verarbeitungstemperatur des Glases. Dennoch ist eine genaue Messung erforderlich, weshalb die kritische Beobachtung der Umgebungstemperaturanordnung erforderlich ist. Beispielsweise können heiße Punkte in unmittelbarer Nähe durch Brennerköpfe auf der Glasoberfläche in komplexer Oberflächenform reflektiert werden und sind daher nicht leicht als Fehler zu erkennen. In vielen Fällen können Umgebungseinflüsse eindeutig durch einfaches Verschieben der Kamera identifiziert und anschließend durch Abschirmung beseitigt werden.

In automatisierten Fertigungsprozessen bewegen sich Glasbauteile oft sehr schnell, daher erfordert die Darstellung der Temperaturverteilung und die Aufzeichnung eine Hochgeschwindigkeits-Wärmebildgebung (in den meisten Fällen ist eine Bildfrequenz von 50 Hz ausreichend). Für die nachträgliche Auswertung und Datenspeicherung werden häufig Echtzeit-Digitalaufzeichnungen auf einem PC verwendet, die neben einer geeigneten Kamerainterface einen leistungsstarken Computer erfordern. In solchen Fällen ist es offensichtlich von Vorteil, wenn alle Kamerafunktionen ferngesteuert werden können.

Prozessgesteuerte Messauslösung

Zur Regelung der Temperaturen in identischen Verarbeitungsschritten ist eine prozessgesteuerte Auslösung der Wärmebildaufzeichnung wichtig. Oft können die Auslösesignale leicht aus dem System selbst abgeleitet werden oder einfach durch Lichtschranken erzeugt werden. Ohne Auslösung können unterschiedliche Aufnahmezeiten, z. B. aufgrund schneller Abkühlung des zu messenden Objekts, zu erheblichen Abweichungen in den Messergebnissen führen oder später die Datenverarbeitung kompliziert machen, da sich das zu messende Objekt auf den Aufnahmen unterschiedlich positioniert. Aufgrund der hohen Verarbeitungstemperatur und der damit verbundenen extremen Umgebungstemperatur (sowie zur Vermeidung von Beschädigungsgefahren durch spritzende oder splitternde Materialien des Messsystems) wird empfohlen, die Wärmebildkamera in größerer Entfernung zu platzieren. Als Folge davon müssen spezielle Teleoptiklinsen verwendet werden, die eine zufriedenstellende geometrische Auflösung garantieren. Die Untersuchung kleiner Lampen (deren zu untersuchende Strukturen sogar unter 0,1 mm groß sein können) erfordert eine hohe geometrische Auflösung mit einer Fokuslänge von 50 oder 100 mm. Natürlich stellt dies strenge Anforderungen unter anderem an die vibrationsfreie Installation der Kamera.Wenn die Kamera dennoch bei näherer Betrachtung und gleichzeitig bei hoher Umgebungstemperatur betrieben werden muss, kann sie nur mit einer Luft- oder Wasserkühlungsschutzhülle verwendet werden. Bei vollständiger Verkapselung muss ein Fenster mit geeigneter Wellenlängendurchlässigkeit - z. B. aus Saphir - verwendet werden, um die Optik zu schützen. In den meisten Fällen verursacht die schwächende Wirkung solcher Schutzfenster keine Probleme, jedoch muss die Temperaturbestimmung berücksichtigt werden. Die Schutzfenster und Linsen müssen mit Luftströmung vor Verschmutzung geschützt werden. Andernfalls kann Verschmutzung nicht nur zu einer schlechten Qualität des Wärmebildes führen, sondern auch zu erheblichen Messfehlern, da die gemessene Temperatur als zu niedrig angezeigt wird.

Messung der inneren Metallteile der Glühbirne

Bei Metallen führt ihr niedriger Emissionsfaktor zu weiteren Problemen bei der Temperaturmessung. Die hohe Betriebstemperatur der Glühfäden und Elektroden ist jedoch vorteilhaft, da die Strahlungseigenschaften von Metallen mit steigender Temperatur kontinuierlich zunehmen. Da die ausgestrahlte Strahlung ungefähr mit der vierten Potenz der Temperatur proportional ist, ist die reflektierte Strahlungskomponente bei sehr hohen Temperaturen des Glühfadens zunächst vernachlässigbar (auch bei begrenzter Bandbreite).

Die extrem kleinen Abmessungen der metallischen Teile von Glühbirnen (z. B. Glühfaden, Elektroden) erfordern extrem hohe geometrische Auflösungsanforderungen für Wärmebildkameras. Manchmal sind die Abmessungen dieser Objekte im Millimeterbereich, sodass spezielle Linsen mit einer geometrischen Auflösung von 10 µm die einzige Lösung darstellen. Standardlinsen oder Teleobjektive mit Zwischenringen können zufriedenstellende Ergebnisse liefern, stellen jedoch letztendlich immer einen Kompromiss dar: Bei niedrigeren Kosten ist die Bildqualität schlechter.

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu  

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