Berührungslose Temperaturmessung von Metallbändern

Die Messung von Metallbändern bei niedrigen Temperaturen ist für die berührungslose Temperaturmessung aufgrund der sehr geringen Wärmestrahlung und der besonderen Strahlungseigenschaften von Metallen eine anspruchsvolle Messaufgabe.

Aus physikalischen Gründen können zur Messung von Temperaturen ab Raumtemperatur nur langwellig messende Pyrometer mit einer spektralen Empfindlichkeit von 8 – 14 µm eingesetzt werden. Bei Metallen nimmt jedoch die Fähigkeit Wärmestrahlung zu emittieren mit längerer Wellenlänge ab. Für minimale Objekttemperaturen ab ca. 75 °C empfiehlt sich daher der Einsatz von kurzwellig messenden Geräten mit einer Wellenlänge von ca. 2,4 µm.
 
Mit kürzerer Wellenlänge steigt der Einfluss von Störstrahlung z.B. durch Heizungen, künstlichem Licht oder Sonnenlicht aus der Umgebung auf die pyrometrische Messung. Das Pyrometer erfasst sowohl die Infrarotstrahlung des Messobjektes als auch die sich auf der Oberfläche reflektierte Umgebungsstrahlung. Es zeigt daher einen zu hohen Wert an. Die Größe des Messfehlers ist dabei von dem Emissionsgrad des Bleches und den Umgebungsbedingungen abhängig. Zudem hängt der Einfluss der reflektierten Strahlung maßgeblich von der Temperaturdifferenz zwischen dem Blech und der Störstrahlungsquelle ab. Eine zuverlässige berührungslose Messung der Bandtemperatur kann so nicht sichergestellt werden.

 

Vielfachreflektion im Rollenspalt

Das verzinkte Blech besitzt einen Emissionsgrad von < 20 %. Somit wird 80 % der Wärmestrahlung aus der Messumgebung von der Oberfläche reflektiert und ebenfalls vom Pyrometer erfasst. In einem Rollenspalt wird die Strahlung des Bleches von der blanken Führungsrolle reflektiert. Diese Strahlung wird dann wiederum von dem Blech reflektiert. Dadurch ergibt sich aufgrund der geometrischen Anordnung im Rollenspalt eine Vielfachreflektion. Dies führt zu einer künstlichen Erhöhung des Emissionsgrades (Schwarzer Strahler Prinzip).

Im Rollenspalt finden sich für die Messung der Blechtemperatur gute Voraussetzungen, da durch die verbesserten Strahlungseigenschaften eine ausreichend starke Wärmestrahlung vorhanden ist und außerdem der Einfluss von reflektierter Störstrahlung ausgeschlossen wird.

 

Lösung

Bei der Messung im Spalt einer Umlenkrolle ist ein Pyrometer mit einer hohen optischen Auflösung von Vorteil, um aus sicherer Entfernung in den Rollenspalt hinein messen zu können. Wenn die Position des Spaltes variiert - z. B. am Haspel verschiebt sich die Position des Rollenspaltes mit wachsendem Coildurchmesser -, wird vor dem Pyrometer ein Schwenkspiegel montiert, der den Messfleck periodisch ablenkt.

Für die Messung empfiehlt sich ein Pyrometer mit einem Laser als Visiereinrichtung, um den Schwenkbereich und die Geschwindigkeit zu erkennen und optimal einzustellen.
 
Diese Signalspitze wird durch den im Pyrometer integrierten Maximalwertspeicher erfasst. Das Messintervall des Spitzenwertspeichers wird entsprechend der eingestellten Schwenkperiode gewählt. Dadurch wird aus dem schwankenden Signal ein kontinuierlicher Temperaturwert.

Dabei ergeben sich folgende Zusammenhänge:
  • Je größer das Coil ist, desto schmaler bildet sich der Spalt.
  • Je schmaler der Spalt ist, desto höher ist die Anzahl der Reflexionen.
  • Je größer die Anzahl der Reflexionen, desto stärker wird der Emissionsgrad künstlich erhöht.
  • Je höher der Emissionsgrad, desto höher ist das Temperatursignal, das vom Pyrometer empfangen wird.


Im Folgeschluss kann ein größerer Coildurchmesser zu einer höheren Temperaturanzeige von bis zu 3 K führen. Ein Leitsystem kann, falls erforderlich, auf der Basis des Coildurchmessers eine Korrektur des Messwertes durchführen.

 


CellaTemp® PA 10 AF1/L

Visierhilfe Laser-Pilotlicht
Messbereich 0 - 1000 °C
Spektralbereich 8 - 14 μm
Fokusbereich 300 mm - ∞
Distanzverhältnis 50:1
Einstellzeit t98 ≤ 30 ms
Spannungsversorgung 24 V DC +10%/-20%
Analogausgang 2 x 0(4) - 20 mA linear, skalierbar
Schaltausgang 2 x Open Collector 24 V, ≤ 30 mA
zul. Umgebungstemperatur 0-65 °C
Abmessung Ø 65 x 220 mm
Gehäusematerial Edelstahl
Anschluss M14 Schraubverbindung 8-polig

CellaTemp® PA 28 AF10/L

Visierhilfe Laser-Pilotlicht
Messbereich 0 - 650 °C
Spektralbereich 1,8 - 2,4 μm
Fokusbereich 300 mm - ∞
Distanzverhältnis 48:1
Einstellzeit t98 ≤ 200 ms (T > 75 °C)
≤ 50 ms (T > 100 °C)
≤ 15 ms (T > 125 °C)
≤ 2 ms (T > 200 °C)
Spannungsversorgung 24 V DC +10%/-20%
Analogausgang 2 x 0(4) - 20 mA linear, skalierbar
Schaltausgang 2 x Open Collector 24 V, ≤ 30 mA
zul. Umgebungstemperatur 0-65 °C
Abmessung Ø 65 x 220 mm
Gehäusematerial Edelstahl
Anschluss M14 Schraubverbindung 8-polig

Applikationen

Temperaturmessung an Metallbändern

bei niedrigen Temperaturen
KELLER HCW GmbH
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D-49479 Ibbenbüren-Laggenbeck

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