Hoe werkt infrarood temperatuur meten?

Met infrarood meet je temperatuur zonder contact: een sensor vangt de warmtestraling op die elk object uitzendt en rekent die om naar een temperatuur. Hoe betrouwbaar die meting is, hangt vooral af van de emissiviteit van het oppervlak, de meetvlek en de golflengte waarop de sensor meet.

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 schiet een klassieke thermometer tekort en komt de infraroodsensor in beeld. Op deze pagina lees je hoe infraroodmeting werkt, wat emissiviteit en reflectie betekenen en waar je op let om betrouwbaar te meten.

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 ze dan ook zichtbaar licht uitzenden. 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 meetobject 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

Een sensor ziet niet alleen de straling die het object zelf uitzendt. Er komt ook gereflecteerde straling uit de omgeving bij, en bij sommige materialen straling die dwars door het object heen komt. Samen tellen die drie altijd op tot 1: emissie + reflectie + transmissie = 1. De meeste vaste stoffen laten geen infrarood door; een oppervlak dat weinig uitstraalt, weerkaatst dus veel. Daarom is glimmend metaal lastig te meten.

De emissiviteit (ook emissiegraad) 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. Gepolijste metalen zitten vaak onder de 0,1; sterk gepolijst messing bijvoorbeeld rond 0,03.

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 infraroodsensoren laten je de emissiviteit zelf instellen, zodat je kunt corrigeren voor verschillende materialen en omstandigheden. Hoe je de juiste waarde vindt, lees je in emissiviteit bepalen in vier stappen.

Black body

Om infraroodmetingen goed te begrijpen, is het handig om te weten hoe verschillende materialen straling uitzenden. Een zogenaamde black body (zwarte straler) is een theoretisch ideaal object dat alle invallende straling absorbeert (het reflecteert niets en laat niets door) 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.

Grijze en selectieve stralers

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).

Meetvlek en meetafstand

Een infraroodsensor meet de gemiddelde temperatuur van een meetvlek, en die vlek wordt groter naarmate je verder weg staat. De afstandsverhouding (D:S, distance to spot) geeft aan hoe groot de meetvlek op een bepaalde afstand is: bij 50:1 is de meetvlek op 50cm afstand 1cm groot. Het object moet groter zijn dan de meetvlek, anders meet je de achtergrond mee. Hoe hoger de afstandsverhouding, hoe kleiner de meetvlek op dezelfde afstand. Bij een infraroodcamera geldt hetzelfde per pixel: hoe dat uitpakt bij een camera boven het printbed, lees je in ons praktijkvoorbeeld infraroodcamera in een 3D-metaalprinter.

Welke golflengte past bij je materiaal?

Een infraroodsensor meet niet het hele spectrum, maar een bepaald golflengtegebied. Voor de meeste niet-metalen, zoals beton, kunststof, hout en keramiek, is het gebied van 8–14µm geschikt. Metalen stralen bij lange golflengten weinig uit; meet ze daarom op een zo kort mogelijke golflengte, bij hoge temperaturen bij voorkeur rond 1µm. Voor dunne kunststoffolies en glas zijn er speciale golflengten waarop het materiaal geen straling doorlaat, zoals 3,43µm voor polyethyleen en 7,9µm voor polyester en glas. Hoe die keuze uitpakt in een echt proces, lees je in onze blog over temperatuurmeting bij 3D-metaalprinten.

Waarom kiezen voor contactloos meten?

Temperatuurmeting met infrarood 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 3500°C);
het object gevaarlijk of slecht bereikbaar is;
snelheid of reactietijd van de meting cruciaal is;
contact gewoonweg niet wenselijk is.

Bovendien slijt er niets: er is geen voeler die het object raakt. Houd wel de lens schoon; in een stoffige of rokerige omgeving voorkomt een air purge vervuiling.

Pyrometer of infraroodcamera?

Een infraroodsensor is er in twee vormen. Een pyrometer (infraroodthermometer) meet de temperatuur op één punt: snel, compact en ideaal voor procesregeling. Een infraroodcamera (warmtebeeldcamera) meet de temperatuur van een heel oppervlak tegelijk en laat zien waar de temperatuurverschillen zitten. Twijfel je welke het beste past? Lees wanneer je een pyrometer of een warmtebeeldcamera kiest. Je kunt beide ook huren om eerst uit te proberen.

Hulp nodig bij het kiezen van de juiste infraroodsensor?

Infraroodmetingen zijn krachtig, maar vragen om de juiste sensor en instellingen. Met vier vragen bepaal je zelf al welke sensor past. Twijfel je over emissiviteit, meetafstand of signaaluitgangen? Neem contact met ons op of bel +31 (0) 33 285 5714. We denken graag met je mee.

Bron: Optris, Basic principles of non-contact temperature measurement (Engelstalig, pdf).