Uitleg infrarood

In veel industriële processen is temperatuur cruciaal — voor de efficiëntie van het proces én voor de kwaliteit van het eindproduct. Maar hoe meet je die temperatuur als het object te heet is, snel beweegt of onbereikbaar is? Dan heb je een andere aanpak nodig dan een klassieke thermometer.

Daar komt de infraroodsensor om de hoek kijken. Die meet temperatuur volledig contactloos, op basis van de warmtestraling (infraroodstraling) die elk object uitzendt. Klinkt eenvoudig, maar om echt nauwkeurig te meten, moet je wel weten wat je doet.

In dit artikel leggen we je uit hoe infraroodmeting werkt, wat begrippen als emissiviteit en reflectie betekenen, en waar je op moet letten om betrouwbaar te meten. Zo haal je het maximale uit je IR-sensor.

Wat is infraroodstraling?

Objecten die heel warm zijn, bijvoorbeeld metaal van meer dan 600°C, gaan op een gegeven moment gloeien. Eerst rood, later wit. Dit verschijnsel kennen we allemaal en de oorzaak is dat objecten infraroodstraling uitzendt die voor ons zichtbaar is. Maar nog vóórdat een object zichtbaar gloeit, straalt het al energie uit, in de vorm van infraroodstraling.

Elk object met een temperatuur boven het absolute nulpunt (-273,15 °C) zendt elektromagnetische straling uit. Hoe warmer het object, hoe meer straling. Een deel van die straling bevindt zich in het infraroodgebied, en dát is precies wat een infraroodsensor opvangt om de temperatuur te meten.

Hoe werkt een infraroodsensor?

Infraroodstraling gedraagt zich vergelijkbaar met zichtbaar licht: het beweegt in rechte lijnen, kan worden gereflecteerd door glanzende oppervlakken, geabsorbeerd door donkere materialen of doorgelaten door bepaalde transparante stoffen. Een infraroodsensor maakt slim gebruik van deze eigenschappen om temperatuur te meten, zonder fysiek contact.

De sensor is uitgerust met optiek — meestal een lens — die de infraroodstraling van het doelwit-object opvangt en focust op een detector. Deze detector registreert de intensiteit van de straling en zet dit om in een elektrisch signaal. Hoe sterker de straling, hoe hoger de temperatuur van het object.

Maar dit is pas de eerste stap. Het ruwe meetsignaal moet worden verwerkt en geïnterpreteerd. Hiervoor bevat de sensor een elektronisch circuit dat het signaal versterkt, corrigeert en omzet naar een bruikbaar uitgangssignaal. Dat kan een analoog signaal zijn, zoals 0-10V of 4-20mA, maar ook een digitaal signaal via interfaces als USB, RS232 of RS485. Dit maakt het eenvoudig om de sensor aan te sluiten op een besturingssysteem, PLC of computer.

Infraroodstraling en emissiviteit

Hoewel infraroodstraling voor het menselijk oog onzichtbaar is, kun je het zien als een soort ‘onzichtbaar licht’. Net als zichtbaar licht kan het worden geabsorbeerd, doorgelaten of teruggekaatst, afhankelijk van het materiaal. Deze interactie bepaalt hoeveel straling de sensor daadwerkelijk opvangt, en dat heeft direct invloed op de temperatuurmeting.

De emissiviteit van een materiaal geeft aan hoeveel infraroodstraling een object uitzendt in verhouding tot een perfect zwart object (een ‘black body’). Die waarde ligt tussen 0 en 1. Hoe hoger de emissiviteit, hoe meer straling het object uitzendt, en hoe makkelijker de temperatuur nauwkeurig te meten is. Een zwart, mat oppervlak heeft vaak een hoge emissiviteit (rond de 0,95), terwijl glimmende metalen een lage emissiviteit hebben (soms onder de 0,2).

Een verkeerde instelling van de emissiviteit kan leiden tot flinke meetfouten. Daarom is het belangrijk om te weten welk materiaal je meet, hoe het oppervlak eruitziet, en of je te maken hebt met reflectie van omgevingswarmte. Veel IR-sensoren laten je de emissiviteit zelf instellen, zodat je kunt corrigeren voor verschillende materialen en omstandigheden.

Hoewel IR-straling niet zichtbaar is voor het menselijk oog, kunnen we het ons voorstellen als een vorm van onzichtbaar licht. Dit helpt ons om te begrijpen hoe een pyrometer werkt en om de verschillende toepassingen en vragen die daaruit voortkomen beter te begrijpen. In veel opzichten gedraagt IR-straling zich net als zichtbaar licht. Het beweegt zich in rechte lijnen vanuit een bron en kan worden weerkaatst of geabsorbeerd door obstakels op zijn pad. De meeste objecten die ondoorzichtig zijn voor het menselijk oog zullen een deel van de infraroodstraling absorberen en een ander deel reflecteren. Deze objecten zullen op hun beurt een deel van de ontvangen energie uitstralen en intern reflecteren. Zelfs materialen die als transparant worden beschouwd, zoals glas, gassen en dunne plastic films, zullen een deel van de infraroodstraling absorberen en een ander deel doorlaten. Al deze eigenschappen dragen bij aan wat bekend staat als de emissiviteit van een object of oppervlak.

De black body

Om infraroodmetingen goed te begrijpen, is het handig om te weten hoe verschillende materialen straling uitzenden. Een zogenaamd black body (zwarte straler) is een theoretisch ideaal object dat alle invallende straling absorbeert en zelf de maximaal mogelijke hoeveelheid infraroodstraling uitzendt. In de praktijk bestaan zulke perfecte stralers niet, maar ze vormen wel de basis voor kalibratie en vergelijkingen. De meeste echte materialen zijn zogenaamde grey bodies — die stralen minder uit dan een black body, maar wel redelijk constant over verschillende golflengten. Dan zijn er nog de non-grey bodies (selectieve stralers), zoals glas, kunststoffen en glanzende metalen. Bij deze materialen hangt de emissiviteit af van zowel de temperatuur als de golflengte, wat het meten lastiger maakt. In zulke gevallen is het extra belangrijk om de juiste emissiewaarde te gebruiken, afgestemd op het specifieke materiaal én de gebruikte sensor(golflengte).

Een black body, zwarte straler, is de basis voor het begrijpen van de fysische grondbeginselen van contactloze temperatuur meting en voor het kalibreren van infraroodthermometers. Dit is een ’geïdealiseerd’ (theoretisch volmaakt)  lichaam dat alle, op hem vallende, elektromagnetische straling absorbeert. Het reflecteert niets en laat niets door. Een 'zwarte straler' zendt altijd op alle golflengten uit. Het is een ‘ideale uitzender’ en zendt, bij gegeven temperatuur, de maximaal mogelijke hoeveelheid energie per oppervlakte-eenheid uit op elke golflengte.

Waarom kiezen voor contactloos meten?

Infrarood temperatuurmeting heeft een aantal duidelijke voordelen ten opzichte van traditionele contactmeting. Je meet snel, nauwkeurig en zonder het object aan te raken. Dat maakt het ideaal voor toepassingen waarbij:

• het object in beweging is,

• het object extreem heet is (tot wel 3000 °C),

• het object gevaarlijk of slecht bereikbaar is,

• snelheid of reactietijd van de meting cruciaal is,

• of waar contact gewoonweg niet wenselijk is.

Bovendien is contactloze meting volledig slijtvast: er is geen fysiek contactpunt dat kan verslijten of vervuild raken. Dat zorgt voor minder onderhoud en een langere levensduur van het meetsysteem.

Hulp nodig bij het kiezen van de juiste IR-sensor?

Infraroodmetingen zijn krachtig, maar vereisen de juiste toepassing en instellingen. Wil je zeker weten dat je de juiste sensor kiest voor jouw proces? Of heb je vragen over emissiviteit, meetafstand of signaaluitgangen?

Neem dan contact met ons via de contactpagina of telefonisch via 033 285 5714, we denken graag met je mee.