In welchen Szenarien werden Pyrometer üblicherweise in industriellen Anlagen eingesetzt?

Wie Pyrometer die berührungslose Temperaturmessung in industriellen Anwendungen ermöglichen

Der Bedarf an berührungsloser Temperaturmessung in rauen Umgebungen

Industrielle Prozesse wie Metallschmelzen und Glasproduktion stellen für kontaktbasierte Sensoren echte Herausforderungen dar. Die extreme Hitze (manchmal über 1200 Grad Celsius) in Kombination mit beweglichen Teilen und aggressiven chemischen Umgebungen macht diese Sensoren bestenfalls unzuverlässig. Pyrometer bieten eine bessere Lösung, da sie keinen direkten Kontakt benötigen und es Arbeitern somit ermöglichen, Bedingungen kontinuierlich zu überwachen – sogar an schwer zugänglichen Stellen wie innerhalb von Hochofen oder nahe flüssigem Glas. Eine kürzlich durchgeführte Studie des Non Contact Sensor Technology-Teams zeigte zudem etwas Interessantes: Stahlwerke, die berührungslose Temperaturmessungen einsetzten, verzeichneten etwa 63 % weniger Schäden an Geräten als solche, die auf herkömmliche Thermoelemente vertrauten. Bei der Arbeit unter solch extremen Bedingungen benötigen Hersteller Werkzeuge, die den Belastungen standhalten und trotzdem genaue Messwerte liefern. Aus diesem Grund setzen viele Betriebe mittlerweile auf Pyrometer – nicht nur aus Sicherheitsgründen, sondern auch, weil sie dazu beitragen, die Produktion reibungslos laufen zu lassen, ohne ständige Ausfälle.

Funktionsweise von Infrarot-Pyrometern in industriellen Anwendungen

Infrarot-Pyrometer funktionieren, indem sie die Wärmestrahlung erfassen, die von Objekten innerhalb bestimmter Wellenlängenbereiche abgegeben wird, typischerweise zwischen 0,7 und 20 Mikrometern. Diese Geräte verfügen über optische Systeme, die diese Strahlung sammeln und entweder an ein Thermoelement oder einen Photodetektor innerhalb des Instruments weiterleiten. Was passiert als Nächstes? Diese Komponenten wandeln die erfasste Strahlung in elektrische Signale um, die direkt Temperaturmessungen entsprechen. Nehmen wir Aluminiumwalzwerke als Beispiel. Wenn die Bediener ihre Pyrometer gezielt auf eine Wellenlänge von 1,6 Mikrometern einstellen, erzielen sie deutlich bessere Ergebnisse, da Dampf und Staubpartikel die Messungen dann kaum stören. Warum ist das wichtig? Weil viele Industriematerialien das Licht unterschiedlich reflektieren, abhängig von ihren Oberflächeneigenschaften und ihrer Wärmeabstrahlung. Durch die Fokussierung auf bestimmte Wellenlängen können Hersteller trotz dieser Herausforderungen präzise Temperaturüberwachung in realen Umgebungen gewährleisten.

Wesentliche Faktoren, die die Genauigkeit beeinflussen: Emissivität, Wellenlänge und Umwelteinflüsse

Drei entscheidende Variablen bestimmen die Leistung eines Pyrometers:

Glashersteller beispielsweise erreichen durch den Einsatz von Mehrwellenlängen-Pyrometern eine Genauigkeit von ±0,5 % bei der Temperaturregelung von geschmolzenem Glas, indem sie die Durchsichtigkeit und Oberflächenreflexionen berücksichtigen. Regelmäßige Kalibrierung an Schwarzkörper-Strahlungsquellen gewährleistet die Zuverlässigkeit bei Anwendungen mit hoher Wärmebelastung.

Einsatz von Pyrometern in der Metallverarbeitung und Wärmebehandlungsprozesse

Temperaturherausforderungen bei der Stahl- und Aluminiumverarbeitung

Bei Anwendungen in der Metallverarbeitung, bei denen die Temperaturen oft über 1500 Grad Celsius steigen, beweisen Pyrometer ihr Können, wenn es darum geht, schwierige Messaufgaben zu lösen. Nehmen wir beispielsweise die Stahlschmiedetechnik oder den Aluminium-Extrusionsprozess – diese Fertigungsschritte erfordern eine präzise Temperaturregelung. Das Problem besteht darin, dass sich die Emissionswerte während der Verarbeitung stark verändern: flüssige Metalle liegen typischerweise zwischen 0,3 und 0,7, während feste Materialien zwischen 0,2 und 0,4 liegen. Diese Differenz bereitet kontaktbasierten Systemen erhebliche Probleme, wobei Genauigkeitsfehler von bis zu plus/minus 5 % entstehen können. Und die Sache wird noch komplizierter, wenn Umweltbedingungen wie der beim Abschrecken entstehende Dampf oder die natürlichen Oxidschichten, die sich auf heißen Oberflächen bilden, eine Rolle spielen – all diese Faktoren beeinträchtigen die Messwerte konventioneller Sensoren und bereiten Produktionsleitern Kopfzerbrechen, die versuchen, die Qualitätsstandards aufrechtzuerhalten.

Echtzeitüberwachung bei Glüh-, Schmiede- und Walzprozessen

Infrarot-Pyrometer überwachen die Temperaturen während dieser schnellen Industrieprozesse, bei denen das Anbringen eines physischen Sensors nicht funktionieren würde. Nehmen Sie beispielsweise das Stahlglühen. Wenn Hersteller mithilfe dieser Spektralbandmessungen sofortige Anpassungen vornehmen können, anstatt darauf zu warten, dass jemand manuell in regelmäßigen Abständen nachschaut, sinkt das Problem unerwünschter Kornstruktur tatsächlich um etwa 28 Prozent. Und in Aluminiumwalzwerken schaffen es diese kleinen Geräte, die bei etwa 1,6 Mikrometern arbeiten, trotz des ganzen Maschinenzitterns und des herumschwirrenden Metallstaubs, eine Genauigkeit von plus/minus 1 % zu halten.

Integration von Pyrometern mit SPS-Systemen zur Regelkreis-Prozesssteuerung

Moderne Anlagen kombinieren Pyrometer mit SPS-Steuerungen (Programmable Logic Controllers), um das Wärmemanagement zu automatisieren. Diese Integration ermöglicht:

Eine 2023 durchgeführte Studie zur Schmiedung von Automobilkomponenten zeigte, dass geschlossene Pyrometer-Systeme die thermische Überschwingung durch millisekundenschnelle Rückmeldung an die Induktionserwärmungsspulen um 35 % verringerten.

Präzise Temperaturregelung in der Glas- und Keramikfertigung

Messung der Schmelzglas-Temperaturen mit spektraler Bandoptimierung

Bei der Messung der Temperaturen von geschmolzenem Glas sind Pyrometer nahezu unverzichtbar, da herkömmliche Kontaktsensoren mit den extremen Temperaturen von über 1600 Grad Celsius und der klebrigen Natur des Materials selbst einfach nicht zurechtkommen. Diese Geräte funktionieren am besten, wenn sie sich auf bestimmte Bereiche des Spektrums zwischen 3 und 5 Mikron konzentrieren, wodurch sie die störenden Infrarotstörungen durch brennende Gase ignorieren können. Dieser Ansatz ermöglicht Herstellern eine Genauigkeit von etwa 1 Prozent auf lang laufenden Glasproduktionslinien. Neuere Forschungen haben zudem etwas Interessantes gezeigt – die Anpassung dieser Spektraleinstellungen führt tatsächlich zu einer besseren Temperaturgenauigkeit während präziser Glasformprozesse. Das Ergebnis? Etwa 40 Prozent weniger optische Verzerrung im Vergleich zu herkömmlichen Breitbandspektrum-Verfahren, wie eine im vergangenen Jahr von Shu und Kollegen veröffentlichte Studie zeigt.

Multispektral-Pyrometer für verbesserte Genauigkeit bei transparenten Materialien

Konventionelle Pyrometer haben Schwierigkeiten mit Emissionsgradschwankungen bei Borosilikat- und Schmelzkies. Mehrwellenlängenmodelle vergleichen die thermische Strahlung bei 0,8 μm, 1,6 μm und 2,2 μm gleichzeitig und kompensieren automatisch Transparenzänderungen während Phasenübergängen. Dieser Ansatz reduziert Messfehler um 68 % bei der Herstellung von Arzneimittelglasampullen, wo eine Stabilität von ±2 °C für die chemische Stabilität vorgeschrieben ist.

Überwachung der Ofentemperaturen während des Sinterns und Brennens von Keramik

Moderne Pyrometer-Arrays erfassen thermische Gradienten über 20 Meter lange Industrieöfen und erkennen Kaltstellen, die zu Verformungen in Keramik führen. In der Fliesenproduktion verhindert die Echtzeitüberwachung im Abstand von 5 Sekunden Vitrifikationsfehler und hält Spitzen temperaturen von 1.250 °C innerhalb von ±5 °C Toleranzbereichen aufrecht.

Kalibrier- und Ausrichtstrategien für zuverlässige Messungen in Hochtemperaturumgebungen

Vierteljährliche Kalibrierung an Schwarzkörper-Strahlungsquellen gewährleistet die Genauigkeit der Pyrometer, selbst bei Linsenkontamination. Ingenieure kombinieren 30°-Ausrichtlaser mit Spülluftsystemen, um optische Klarheit zu gewährleisten, und erreichen so eine Verfügbarkeit von 99,3 % bei Glaswalzlinien. Durch die einstellbaren Emissionsgrade (Bereich 0,20–0,95) können unterschiedliche Materialien, von opaken Keramiken bis hin zu transparenten Kieselsol-Gelen, berücksichtigt werden.

Pyrometer in Hochgeschwindigkeits- und Schwerindustrie-Fertigungsprozessen

Echtzeitüberwachung bei Rollenbeschichtungs- und Kunststoffproduktionsanlagen

Pyrometer sind besonders gut geeignet für Situationen, bei denen sich die Temperatur schnell ändern muss, denken Sie beispielsweise an Beschichtungsanlagen mit Rollenwechsel oder Hochgeschwindigkeits-Extrusionsprozesse von Kunststoffen. Bei der Verarbeitung von Polymeren können diese Infrarotsensoren tatsächlich die Schmelzetemperatur an den entscheidenden Stellen der Düse mit einer bemerkenswerten Genauigkeit von etwa plus/minus 1 % verfolgen. Dadurch können Bediener die Abkühlgeschwindigkeit der Materialien so einstellen, dass Verformungen oder unerwünschte Kristallstrukturen vermieden werden. Und wenn es um Geschwindigkeit geht, überwachen diese Geräte in Metallbeschichtungsanlagen kontinuierlich die Substrattemperaturen, während das Material mit einer Geschwindigkeit von über 300 Metern pro Minute transportiert wird. Das ist deutlich schneller als das, was herkömmliche Thermoelemente bewältigen konnten, da diese typischerweise zwischen einer und zwei Sekunden Reaktionszeit benötigten.

Leistungsvorteile in staubigen, vibrierenden und korrosiven Umgebungen

Berührungslose Pyrometer lösen drei zentrale industrielle Herausforderungen:

• Staubsicherheit : Modelle mit IP67-Zertifizierung behalten ihre Genauigkeit in Zementwerken mit Partikelkonzentrationen von 20 mg/m³
• Vibrationsfestigkeit : Festkörperversionen funktionieren zuverlässig in Schmiedepressen mit über 12 G-Beschleunigungskräften
• Korrosionsimmunität : Saphir-Optiken widerstehen sauren Atmosphären in Galvanik-Anlagen

Eine Feldstudie aus 2023 zeigte, dass in rauen Umgebungen 93 % weniger Kalibrierinterventionen als bei Kontaktsensoren erforderlich waren.

Drahtlose Pyrometer-Netzwerke für Industrie 4.0 und vorausschauende Wartung

Hersteller setzen zunehmend auf batteriebetriebene Pyrometer mit LoRaWAN-Konnektivität, um umfassende Temperaturüberwachungssysteme auf großen Industriegeländen einzurichten. Die aus diesen Netzwerken gesammelten Daten fließen in Vorhersagemodelle, die tatsächlich vorhersagen können, wann feuerfeste Materialien in Schmelzbetrieben anfangen abzunutzen, manchmal sogar bis zu drei Wochen im Voraus. Ein Automobilwerk in Deutschland beispielsweise reduzierte durch die Einführung von drahtlosen Temperatursensoren wärmbedingte Produktionsausfälle um fast zwei Drittel. Auch die Wartungskosten sanken erheblich und brachten jährlich rund 740.000 US-Dollar Einsparungen ein.

Warum ein Pyrometer gegenüber Kontaktsensoren wählen? Vergleichende Vorteile und ROI

Einschränkungen von Thermoelementen in bewegten oder aggressiven Umgebungen

Kontaktsensoren wie Thermoelemente stehen in industriellen Anlagen vor erheblichen Herausforderungen. In Hochgeschwindigkeitswalzwerken oder korrosiven Chemieprozessen beschleunigt der physische Kontakt mit Oberflächen den Verschleiß der Sensoren und führt zu einem jährlichen Kalibrierdrift von 15–20 %. Thermoelemente weisen zudem folgende Probleme auf:

• Messverzögerungen (3–8 Sekunden) in schnellen Produktionslinien
• Sicherheitsrisiken bei Überwachung von Schmelzmetallen oder explosionsgefährdeten Atmosphären
• Häufiger Austausch aufgrund von mechanischem Verschleiß, was den Anlagen jährlich durchschnittlich 18.000 $ an Wartungskosten verursacht

Langlebigkeit, Sicherheit und reduzierte Ausfallzeiten durch Pyrometer

Moderne Infrarot-Pyrometer lösen diese Probleme durch berührungslose Messung. Durch die Messung der emittierten thermischen Strahlung halten sie über 5 Jahre hinweg eine Genauigkeit von ±0,5 % in Stahlwerken und Glasöfen ein. Wichtige Vorteile sind:

• Kein mechanischer Verschleiß durch Vibration oder Abnutzung
• Echtzeitmessungen (0,1-Sekunden-Antwortzeit) für Regelkreise mit Temperaturkontrolle
• 40% Reduzierung von ungeplanten Ausfallzeiten durch Erkennung von Überhitzung in Förderanlagen

Gesamtkosten der Nutzung: Begründung der Investition in Pyrometer in industriellen Anwendungen

Obwohl Pyrometer höhere Anschaffungskosten als kontaktbehaftete Sensoren haben ($2.000–$8.000 vs. $300–$1.500), wird die Amortisation bereits nach 12–18 Monaten sichtbar:

Anlagen, die Pyrometer verwenden, berichten von 23 % weniger Qualitätsausschüssen bei der Aluminiumprofilextrusion und 17 % Energieeinsparung in keramischen Öfen durch präzise Temperaturregelung.

Frequently Asked Questions (FAQ)

Was ist ein Pyrometer?

Ein Pyrometer ist ein Instrument zur Messung hoher Temperaturen ohne direkten physischen Kontakt mit dem gemessenen Objekt.

Warum werden Pyrometer in industriellen Anlagen kontaktbehafteten Sensoren vorgezogen?

Pyrometer ermöglichen eine kontinuierliche, berührungslose Temperaturmessung und sind dadurch in extremen Bedingungen zuverlässiger und weniger anfällig für Verschleiß als kontaktbehaftete Sensoren.

Wie messen Pyrometer die Temperatur?

Pyrometer messen die Temperatur, indem sie die von einem Objekt ausgestrahlte Infrarotstrahlung erfassen und in ein elektrisches Signal umwandeln, das mit der Temperatur korreliert.

Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit von Pyrometern?

Die Genauigkeit von Pyrometern kann von der Emissivität, der Wellenlängenwahl und Umweltstörungen wie Staub und Gasen beeinflusst werden.

Wie oft müssen Pyrometer kalibriert werden?

Pyrometer benötigen in der Regel alle sechs Monate eine Kalibrierung, während kontaktbehaftete Sensoren wie Thermoelemente monatlich kalibriert werden müssen.