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Industrielle Automation 6/2017

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Industrielle Automation 6/2017

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Thermografische Messmethoden Was Sie bei anspruchsvollen Objekten und schwierigen Bedingungen beachten sollten Thermografie ist das geeignete Mittel der Wahl, wenn berührungslos und zerstörungsfrei Temperaturen gemessen werden sollen. Sie eignet sich für viele Anwendungen und liefert wichtige Daten im Bereich der Fehleranalyse und vorbeugenden Instandhaltung. Doch nicht jede Messaufgabe lässt sich einfach durchführen. Thermografische Messmethoden setzen sich in den letzten Jahren immer stärker durch. Setzt man dabei allerdings auf Lowcost-Modelle, geht leider häufig verloren, dass es sich neben den Standardanwendungen um ein äußerst aussagekräftiges Messverfahren zur Aufklärung verschiedenster Effekte handelt. Thermografie bietet zum Beispiel die Möglichkeit einer exakten Temperaturmessung auch bei zeitkritischen Prozessen, kleinen Messobjekten, bewegten Objekten oder strahlungsphysikalisch ungünstigen Oberflächen. Auch kann sie herangezogen werden, um kritische Prozessund Anlagenbetriebspunkte zu ermittlen oder um Objektsignaturen zu erfassen, die im optischen Bereich schwierig visualisierbar sind und als Grundlage weiterführender Bildverarbeitungsprozeduren dienen sollen. Auch im Bereich der Visualisierung und Vermessung fluider Medien liefert Thermografie wesentliche Informationen. Dipl.-Ing. Frank Zahorszki, Itema GmbH, Merseburg Der Anwendung gerecht werden „Infrarot-Messtechnik erlaubt zuverlässige und exakte Messungen von Oberflächen- und Medientemperaturen.“ Muss man die Einsatzfähigkeit von thermografischen Messmitteln beurteilen, benötigt man Messtechnik, die über eine Standardausrüstung von üblichen Thermografie-Dienstleistern oder innerbetrieblichen Messabteilungen hinausgeht. Eine Studie hilft dabei, zwischen den geeigneten und abwählbaren Optionen unterscheiden zu können. Auch lassen sich die Fehlerabweichungen bei verschiedenen Kamera-/Filter-/ Optik-Konfigurationen abschätzen. Erfolgen Tests mit einer unzureichenden Kamera, so lässt sich oft nicht das maximal erreichbare Ergebnis als Grenzpunkt bestimmen. Das richtige Equipment wählen Zu den zweckmäßigen Kamera-Ausstattungen sollten folgende Objekte gehören: spektrale Filter (Aufglas, Laser, Durchflamme …), Aufzeichnung radiometrischer Sequenzen bis zum High-Speed-Bereich (> 100 Bilder/s), verschiedene Optiken (Mikroskop, Makro, Weitwinkel, Tele), Triggerung und Synchronisierung von Aufnahmen sowie umfangreiche Software-Auswertepakete. Gerade das „spektrale Tuning“ der Messtechnik, d. h. das Ausnutzen verschiedener Wellenlängenbereiche bringt oftmals einen deutlichen Erkenntniszuwachs gegenüber Standard-IR-Kameras. Mit schnell aufzeichnenden Kamerasystemen können Anwender die für einen Prozess erforderliche Bildrate und Belichtungszeit in Einzelbildern wählen. Dabei kommen dann oft MWIR-Kameras (2 bis 5 µm) zum Einsatz, da hier durch die Quantendetektoren (i. Vgl. zu den LWIR-Mikrobolometerdetektoren der einfacheren Kameras) das „Verschmieren“ durch eine langsame Ausbelichtung des Detektors nicht stattfindet. Gas-Leckagen und transparente Oberflächen Betrachten wir zunächst die Visualisierung von Gasleckagen und die Messung von Fluiden. Hierbei kommen IR-Kameras mit einem Spektralfilter zum Einsatz, der exakt auf der Absorptionswellenlänge des zu messenden Gases liegt. Dadurch wird dieses Gas vor dem Hintergrund deutlicher sichtbar, so dass entweder durch visuelle Beobachtung oder durch automatisierte Algorithmen eine Leckage klar erkannt werden 48 INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2017

kann. Durch die sehr hohe thermische Auflösung solcher Kameras (NETD um 10 mK) ergeben sich zudem neue Möglichkeiten, wenn es um die Untersuchung fluider Strömungen, z. B. von Konvektionswirbeln in Flüssigkeiten geht. Ein weiteres Beispiel ist die Messung von Glas-Oberflächen. Die Herausforderung hierbei liegt in einem materialbedingt stark abweichenden strahlungsphysikalischen Verhalten in verschiedenen Wellenlängenbereichen. Damit eine Infrarotkamera relativ genau messen kann, ist sie dann mit einem sogenannten Aufglasfilter ausgestattet. Werden die Glastemperaturen bei der Flammenbearbeitung benötigt, ist es sinnvoll, die Kamera mit einem Temperatursensor oder Spektralfilter zu kombinieren, der in der Lage ist störungsfrei durch die Flamme zu messen. Herausforderung bei Messungen in Laserbearbeitungsprozessen Messungen in Laserbearbeitungsprozessen stellen bestimmte Anforderungen an den Einsatz bildgebender Messverfahren. Setzt man nämlich eine ungeschützte LW-Infrarotkamera (7,5 bis 14 µm) ein, besteht die Gefahr, dass diese Kamera zeitnah durch einen eindringenden Laserstrahl zerstört wird – da geht dann schon mal schnell ein Loch durch die Kamera. Dieses Risiko kann durch den Einsatz eines Spezialfilters minimiert werden, da er auftreffende Laserstrahlung abblocken kann. Kameras mit entsprechender Optik-/Filter-Kombination sind kalibriert und in der Lage, Temperaturfelder bei der Laserbearbeitung genau und ohne Risiko zu messen. Dreidimensionales Problem bei Messungen an Flammen Messungen an Flammen stellen ebenso besondere Anforderungen an das Messsystem. Hierbei ist der Einsatz spektraler Filter in Infrarotkameras unabdingbar. In der Praxis kommen u. a. folgende Aufgabenstellungen vor: Visualisierung der Flammenform bzw. der Heißgasströmung, Temperaturmessung an Flammen, Temperaturmessung des Objektes hinter der Flamme oder die Visualisierung der Verhältnisse an Mehrstoffbrennern. Sehr gut möglich ist die Visualisierung von Abgasströmungen / Leckagen in einem Abgassystem mittels sogenannter CO 2 -Gaskameras bzw. Abgaskameras. Eine exakte Temperaturmessung an Flammen ist im Prinzip nicht möglich, da es sich um ein dreidimensionales Problem von Temperatur-, Stoff- und Konzentrationsschichten der verschiedenen Flammenbestandteile (Gase, CO 2 , Ruß, Wasserdampf, …) handelt. Eine eindeutige Zuordnung der auf den Detektor treffenden Strahlung zu einer Flammenkoordinate ist nicht möglich. Durch verschiedene Techniken kann eine Annäherung an reale Verhältnisse versucht bzw. zwischen Flamme und Heißgas unterschieden werden. Eine Kopplung mit verschiedenen Abgassensoren erweitert die Möglichkeiten beträchtlich. Implementierung in Automatisierungsumgebungen Manchmal muss es gar keine umfangreiche Messlösung sein und es reicht oft schon, eine Standardsoftware in geeigneter Weise anzupassen bzw. eine Kamera in neuer Weise mit dieser Software zu kombinieren. Die Implementierung in Software-Systeme und Automatisierungsumgebungen erfolgt über entsprechende Schnittstellen wie EtherNet, CameraLink und USB. Eigene Technik wird dann benötigt, wenn Thermografie-Systeme aufgrund akuter Ereignisse schnell verfügbar sein müssen oder die Wahrung von Produktionsgeheimnissen im Vordergrund stehen muss. Dem stehen Kosten und Lieferzeiten für diese Technik, u. a. durch Lizensierung, entgegen. Dienstleister wie Itema unterstützen Unternehmen dabei, derartige Technik schnell und fachlich fundiert zum Einsatz bringen zu können. Durch die aktive Problemlösung wird gleichzeitig eine Evaluierung der ggf. selbst anzuschaffenden Technik möglich – ohne das Risiko eines Fehlkaufes. Fotos: Aufmacher Fotolia, sonstige Itema www.itema.de www.flir-infrarot.de 01 Gasleck: deutlich sichtbarer Austritt von Gas an einer Manometerverschraubung 02 Infrarotbild einer Messung von Rohrwand- und Feuerfesttemperaturen durch Flammen und Abgase hindurch NICHT VON DER STANGE. SONDERN VON VORTEIL. IPC-Lösungen von Prime Cube ® . Für Sie gemacht. Reduced to the best. · Industrielle Boardlevel-Plattformen · Multi-Core-Prozessoren Intel | AMD · Displays bis 55“ | Full-HD | Ultra-HD · Widescreen-Multitouch · Ethernet | PROFINET | USB · Monitor-Link bis 140 m Distanz · Smart Device Web-Kopplung · Lüfterlose Kühlung | 24/7 Betrieb · Haptische Bedienelemente Nürnberg, 28.-30.11.2017 | Halle 7 . Stand 290 Erfahren Sie mehr unter www.primecube.de

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