Aufrufe
vor 1 Jahr

Industrielle Automation 1/2016

  • Text
  • Industrielle
  • Automation
Industrielle Automation 1/2016

Aus Forschung &

Aus Forschung & Entwicklung Warum der Emissionsgrad von Messobjekten so wichtig ist und welche Rolle Werkstoffe hierbei spielen Joachim Sarfels, Frank Liebelt Um Objekte mit einer Wärmebildkamera zuverlässig messen zu können, darf der Emissionsgrad der Objektoberfläche nicht zu niedrig sein. Doch in einigen Anwendungsbereichen wie z. B. der Elektrik ist dies nicht einfach zu realisieren, da saubere, rostfreie und blanke Metalloberflächen einen relativ niedrigen Emissionsgrad aufweisen. Wie sich dieser erhöhen lässt, um eine optimale Messung vornehmen zu können, zeigen wir Ihnen hier. Um Wärmebilder richtig zu interpretieren, muss man wissen, wie unterchiedliche Materialien und Bedingungen die Temperaturmesswerte der Wärmebildkamera beeinflussen. Der Emissionsgrad gibt an, wie viel Infrarotstrahlung ein Körper im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler (einem sog. schwarzen Körper mit einem Emissionsgrad von 1) abgeben kann. Bei den realen Objekten, die wir in der Regel messen, handelt es sich nicht um ideale Wärmestrahler. Ihr Emissionsgrad liegt unter 1. Bei diesen Objekten ergibt sich die gemessene Temperatur aus einer Kombination von emittierter, transmittierter und reflektierter Strahlung. Emissionsgrad ist von der Material eigenschaft abhängig grad und die thermische Leitfähigkeit eines Messobjekts hängen von den Materialeigenschaften ab. Die meisten Nichtmetalle haben einen Emissionsgrad von ca. 0,9. Dies bedeutet, dass 90 % der gemessenen Strahlung aus der emittierten Strahlung des Messobjekts herrühren. Die meisten polierten Metalle weisen einen Emissionsgrad von ca. 0,05 bis 0,1 auf. Der Emissionsgrad von angelaufenen, oxidierten oder anderweitig durch Korrosion beeinträchtigten Metallen liegt zwischen 0,3 und 0,9, je nach Ausmaß der Oxidation bzw. Korrosion. Werkstoffe mit einem Emissionsgrad unter 0,7 sind schwierig zu messen. Liegt der Wert gar unter 0,2, ist eine Messung nahezu unmöglich, sofern der Emissionsgrad nicht auf die eine oder andere Weise erhöht wird. Jedoch existieren Möglichkeiten zum Ausgleich eines niedrigen Emissionsgrades bei Messobjekten. Diese Verfahren reduzieren den Reflexionsgrad des Objekts und verbessern somit die Messgenauigkeit. Elektro-Klebeband und Lacke Die meisten hochwertigen Elektro-Klebebänder haben einen Emissionsgrad von 0,95. Vor allem bei Kameras mit mittlerer Wellenlänge (3-5 μm) ist darauf zu achten, Die korrekte Einstellung der Wärmebildkamera auf den jeweiligen Emissionsgrad ist von Bedeutung, um die Temperaturmessungen nicht zu verfälschen. Die Wärmebildkameras von Flir Systems verfügen über vorkonfigurierte Emissionsgradeinstellungen für die unterschiedlichsten Materialien. Werte, die nicht bereits voreingestellt sind, findet man in einer Emissionsgrad-Tabelle. Der Emissionsgrad sowie der Reflexionsdass das Klebeband undurchsichtig ist. Einige Vinyl-Klebebänder sind so dünn, dass eine gewisse Infrarot-Transmission erfolgt. Sie sind folglich nicht geeignet für den Einsatz als Beschichtung mit hohem Emissionsgrad. Das schwarze Vinyl-Elektro- Klebeband Scotch Brand 88 weist sowohl bei kurzen Wellenlängen (3 - 5 μm) als auch bei langen Wellenlängen (8 - 12 μm) einen Emissionsgrad von 0,96 auf und wird deshalb empfohlen. Die meisten Lacke haben einen Emissionsgrad von ca. 0,9 bis 0,95. Lacke auf Metallbasis weisen einen niedrigen Emissionsgrad auf und sind somit nicht zu empfehlen. Die Farbe des Lacks ist nicht die ausschlaggebende Variable für seinen Infra rot-Emissionsgrad. Wichtiger ist seine Mattheit. So sind Mattlacke Glanzlacken vorzuziehen. Wichtig ist auch, dass die Beschichtung so dick sein muss, dass sie undurchsichtig ist. In der Regel genügen zwei Schichten. Beschichtungen und weiße Korrekturflüssigkeit Klebeband eignet sich gut für kleine Flächen. Bei größeren Flächen ist ein Lackauftrag die bessere Lösung, allerdings ist diese Beschichtung dauerhaft. In Fällen, in denen Klebeband nicht geeignet ist und größere Flächen mit einer wieder entfernbaren Beschichtung zu versehen sind, können Pulversuspensionen in Pasten- oder Sprayform gute Dienste leisten. Entwickler für Farbeindringmittel oder Scholl-Fußspray­ Joachim Sarfels, R&D-Science Division, Area Sales Manager Central Europe, Flir Systems GmbH in Frankfurt am Main; Frank Liebelt, Freier Journalist, Frankfurt am Main 62 INDUSTRIELLE AUTOMATION 1/2016

pulver sind zwei Beispiele hierfür. Der Emissionsgrad dieser Pulver liegt bei ca. 0,9 bis 0,95, sofern sie ausreichend dick aufgetragen werden, um undurchsichtig zu sein. Weiße Korrekturflüssigkeit eignet sich gut zur Erhöhung des Emissionsgrads einer Oberfläche. Anders als Klebeband, das auf kleinen Flächen nicht haftet, kann dieses Verfahren selbst bei den kleinsten elektrischen Bauteilen angewandt werden. Die Korrekturflüssigkeit lässt sich mit einer kleinen Bürste und Alkohol abwaschen. Ihr Emissionsgrad liegt im Falle einer LW­ Kamera bei ca. 0,95 bis 0,96. Vorsicht bei Strom und hohen Temperaturen Da viele dieser Messobjekte unter Strom stehen, ist stets mit größter Vorsicht vorzugehen. Dies bedeutet, dass die Beschichtung nur bei ausgeschalteter Spannung und unter Verwendung von zugelassenem Beschichtungsmaterial aufzutragen ist. Vergewissern Sie sich, dass die Beschichtung eine ausreichend große Fläche abdeckt. Prüfen Sie das für die Messung relevante Abstand/Ziel-Verhältnis Ihrer Kamera und den Mindestabstand, den Sie für den Betrieb einhalten müssen. So kann z. B. eine Kamera mit einem Abstand/Ziel-Verhältnis von 250:1 ein Objekt mit einer Größe von 1 cm aus einer Entfernung von max. 2,5 m messen. Für Anwendungen im höheren Temperaturbereich sollten keine Klebebänder und Pulver, sondern hitzebeständige Lacke wie Motorlack oder Grilllack verwendet werden, denn bei Anwendungen in der Elektrik kann das Schmelzen des Klebebandes erhebliche Schäden verursachen. Den Emissionsgrad ermitteln Der Emissionsgrad muss bekannt sein, um eine korrekte Temperaturauswertung auf Grundlage der gemessenen Strahlung durchzuführen. In Tabellen aufgeführte Emissionsgrade sind jedoch stets mit Vorsicht zu genießen. Häufig ist nicht eindeutig, in welchem Wellenlängenbereich der angegebene Emissionsgrad zutrifft. Emissionsgrade ändern sich je nach Wellenlänge. 01 Bei den Messobjekten handelt es sich nicht um ideale schwarze Körper; die gemessene Temperatur resultiert aus einer Kombination von emittierter, transmittierter und reflektierter Strahlung Außerdem können die Oberflächenbechaffenheit, Struktur und Form des Materials den Emissionsgrad beeinflussen. Anhand des nachfolgenden Beispiels lässt sich nachvollziehen, wie sich der Unsicherheitsfaktor hinsichtlich des Emissionsgrads auf die Messgenauigkeit auswirkt: Gehen wir von einer Emissionsgrad unsicherheit des Objekts von ± 0,05 aus. Bei einem Emissionsgrad von 0,95 entspräche dies einer möglichen Abweichung von 5 % (0,05/0,95). Bei glänzendem Kupfer mit einem Emissionsgrad von 0,05 läge die mögliche Abweichung somit bei 100 % (0,05/0,05). Diese Abweichungen schlagen sich in der Temperaturberechnung nieder und erhöhen die Fehlerrate in der Temperaturmessung. Aufgrund dieser Zusammenhänge raten wir von einer Temperaturmessung von Objekten mit einem Emissionsgrad unter etwa 0,5 ab. Beschichten Sie stattdessen das Objekt mit einem Material mit hohem Emissionsgrad. Foto: Aufmacher Fotolia www.flir.com 02 Obwohl die Temperaturen in Wirklichkeit gleich sind, erscheinen im Wärmebild die Blätter kälter als die Tassenoberfläche; der Grund dafür ist der unterschiedliche Emissionsgrad Prüfung des Emissionsgrades auf Platinen Im Rahmen der Fehlersuche kann die Messung der Bauteiltemperaturen einer bestückten Platine (PCB) ein nützliches und gleichzeitig kostengünstiges Verfahren darstellen, das jedoch aufgrund der unterschiedlichen Emissionsgrade der einzelnen Bauteile schwierig umzusetzen ist. In der Regel sind Platinen mit einer Vielzahl von Metall- und Kunststoffbauteilen diverser Hersteller bestückt, die ihre Bauelemente jeweils mit ihrer herstellerspezifischen Oberflächenbeschichtung behandeln. Wird die Platine mit einer bekannten, geprüften und klar beschriebenen Beschichtung versehen, so erleichtert dies die Sachlage. Nach der Beschichtung haben die Bauteiloberflächen den gleichen Emissionsgrad, sodass die jeweiligen Temperaturen durch ein Thermogramm ermittelt werden können. INDUSTRIELLE AUTOMATION 1/2016 63

AUSGABE