Infrarot prüft Glas

Dr. Thomas Meisel ist Geschäftsführer von Inglas. Messtechnik als Dienstleistung für die Glasindustrie und der Vertrieb von Messgeräten sind ein Unternehmensbereich.

Durch Beschichtung von Oberflächen werden die Eigenschaften des unterliegenden Werkstoffes wesentlich bestimmt. Auch die Fähigkeit Wärme in Form von Infrarotstrahlung abgeben zu können, wird ausschließlich von der Oberfläche bestimmt. Für viele Industrieprodukte ist eine kontrollierte Wärmeabgabe durch Infrarotstrahlung qualitätsbestimmend. Beispiele sind:

Neben Wärmeleitung und Konvektion ist die Wärmestrahlung eine dritte Form des Wärmetransports. Die „Emissivität“ ist hierbei eine Maßzahl, die angibt, in welchem Umfang eine Oberfläche Energie in Form von Wärmestrahlung abgeben kann. Die Strahlungsleistung P (in W/m2) ergibt sich nach Stefan-Boltzmann zu

P = e s T4

mit der Temperatur T, der Emissivität e und der Stefan-Boltzmann Konstanten. Daraus folgt, dass bei konstanter Temperatur die Materialkonstante e die Abstrahlleistung bestimmt. Charakteristisch für das jeweilige Material kann die Emissivität e Werte zwischen 0 und 1 annehmen. Lediglich durch eine Änderung der Werkstoffeigenschaften, wie Oxidation der Oberfläche oder durch mechanisches Bearbeiten (Aufrauhen, Polieren), wird die Emissivität e verändert.

Als Messverfahren kam bisher eine spektrometrische Laboressung der Infrarotreflexion in Frage. Für eine schnelle und zuverlässige Prozesskontrolle ist ein derartiger Aufwand häufig nicht akzeptabel. Das TIR100–2 misst die Emissivität beliebiger Oberflächen innerhalb von Sekunden. Es hat zudem den Vorteil, dass die Messung direkt am Originalteil durchgeführt werden kann, und dass auch raue, strukturierte und gekrümmte Oberflächen vermessen werden können.

Die Abbildung verdeutlicht das Messprinzip. Bestimmt wird die Emissivität über eine Reflexionsmessung. Die Messoberfläche wird der Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers definierter Temperatur ausgesetzt. Um eine vollständige, homogene Ausleuchtung der Messfläche zu erhalten, ist der Strahler in Form eines sphärischen Halbraumes gestaltet. Dadurch werden auch raue und strukturierte Oberflächen gleichmäßig „ausgeleuchtet“. Er entspricht nahezu einem idealen Schwarzkörperstrahler sobald er dicht an eine Probe angelegt wird. Die reflektierte Strahlung trifft durch eine Öffnung im Strahler auf den Infrarot-Strahlungssensor.

Durch eine IR-Optik wird der Erfassungsbereich des Sensors auf einen kleinen Bereich der Probenoberfläche fokussiert, so dass auch kleine Proben oder Stäbe gemessen werden können.

Die Temperatur des Strahlers ist so gewählt, dass gemäß Planck’scher Strahlungsverteilung ein thermisches Spektrum mit einer Schwerpunktwellenlänge von etwa 8 µm entsteht. Dessen spektrale Verteilung entspricht weitgehend den Bedingungen, wie sie für Anwendungen bei Temperaturen um bzw. oberhalb der Raumtemperatur relevant sind. Der Sensor, ein Thermopile, absorbiert breitbandig und linear auftreffende Strahlungsenergie und generiert aus der Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Referenz-Thermoelementen eine zur Energie proportionale Spannung. Die Bestimmung der Emissivität ergibt sich aus dem Vergleich des Messwertes mit denen zweier Standards. Die zertifizierten Standards bestehen aus einer ultrapolierten Aluminiumfläche mit sehr geringer Emissivität und einer Lichtfalle für Infrarotlicht mit sehr hoher Emissivität. Beide Standards sind gegen einen Ur-Kalibrationsstandard des National Physical Labs in England geeicht.

Eine Messung kann direkt am Originalteil erfolgen, eine Zerstörung des Messobjekts ist nicht erforderlich. Das Gerät verfügt über alle Mess- und Bedienelemente und eine integrierte Auswerteelektronik, außer einem Netzanschluss sind keine weiteren Verkabelungen erforderlich. Intern regelt ein Mikrocontroller die Strahlertemperatur auf eine konstante Temperatur von 100°C. Zugleich wird die reflektierte Infrarotstrahlung der Probe gemessen und in große, beleuchtete Display zeigt den Betriebszustand des Gerätes und das Messergebnis an. Der berührempfindliche Bildschirm ermöglicht eine einfache Bedienung von Messvorgang und Eichung. Über eine RS232-Schnittstelle können die Messergebnisse an einen PC übertragen werden.

Das handliche Gerät wird mit Netzspannung betrieben und wiegt etwa 2 kg. Die Ausführung im stoßfesten Metallgehäuse ist geeignet für Einsatz sowohl im Labor, Wareneingang als auch unter rauen Umgebungsbedingungen in der Fertigung. Das Gerät wird in einem robusten Messkoffer geliefert, der alles Zubehör enthält. Eine ausführliche Bedienungsanleitung gibt Auskunft über physikalische Zusammenhänge, das Messverfahren und alle für eine präzise Messung erforderlichen Handgriffe. Auf Wunsch bietet Iinglas auch eine eintägige Schulung mit Informationen zum Messverfahren, zum Wärmeabstrahlverhalten von Oberflächenund Übungen mit dem Gerät.

Inglas, Friedrichshafen

QE 555