Zur Fertigungs- und Qualitätskontrolle sind Wärmebildkameras nicht immer die beste Lösung. In bewegten Prozessen erweisen sich Infrarot-Zeilenscanner als aussagekräftige Alternative, die bei voller Taktgeschwindigkeit genaue Ergebnisse liefert.

Eine ungleichmäßige oder fehlerhafte Wärmebehandlung verursacht in der Fertigungsindustrie Probleme, deren Folgekosten aufgrund von Ausschuss und Nacharbeit sich nur durch die unmittelbare und zuverlässige Produktions- und Qualitätskontrolle vermeiden lassen. Wärmebilder können derartige Probleme verhindern, sind aber nicht für jede Anwendung geeignet. Infrarot-Zeilenscanner sind ein alternatives Qualitätskontrollwerkzeug für bewegte Prozesse, in denen sie durch große Präzision und hohe Geschwindigkeit punkten.

Fest installierte Infrarot-Zeilenscanner werden in der Industrie eingesetzt, um Wärmebilder von bewegten Prozessen zu erstellen. Dabei kann es sich sowohl um Bandprozesse als auch um die Stückfertigung handeln. Mit bis zu 150 Hz lesen die Geräte zeilenweise die Infrarotstrahlung hunderter Temperaturmesspunkte ein. Durch die Prozessbewegung entsteht beim Zusammenfügen der Datenreihen ein vollständiges, zweidimensionales Wärmebild. Diese Technologie lässt sich einfach in verschiedenste Anlagen integrieren, einerseits wegen der kompakten Abmessungen, andererseits, weil die Fertigung für präzise Wärmebilder nicht pausieren muss. Wird ein Zeilenscanner eingesetzt, kann die volle Takt- bzw. Bandgeschwindigkeit beibehalten werden. Im Unterschied dazu ist bei Wärmebildkameras eine kurzzeitige Produktionsunterbrechung nötig.
Wichtig sind IR-Zeilenscanner beispielsweise in der Stahlindustrie in Stranggussanlagen und Walzwerken. Die fortlaufende Temperaturüberwachung erlaubt unter anderem die ressourcenschonende Anpassung der Walzengeschwindigkeit an die Stahltemperatur.

Funktionsprinzipien von Scannern und Kameras
IR-Zeilenscanner unterscheiden sich in der Konstruktion grundlegend von Wärmebildkameras. Letztere, auch Matrixkameras genannt, enthalten tausende Detektoren und sind ab 80 x 80 Pixel bis zu voller VGA-Auflösung (640 x 480 Messpunkte) verfügbar. Die Auflösung entspricht jeweils der Gesamtzahl der verbauten Einzeldetektoren. Dieselbe Technologie lässt sich auch als Zeilenkamera einsetzen, wenn nur eine Detektorreihe aktiviert wird. Weder Matrix- noch Zeilenkameras können jedoch in puncto Geschwindigkeit mit Scannersystemen mithalten, denn hierbei handelt es sich um optomechanische Systeme mit nur einem Detektor. Die Zeilenaufnahme entsteht dadurch, dass ein bewegter Spiegel die vom Messobjekt abgegebene Infrarotstrahlung auf die Sensoroptik umlenkt. Im Gegensatz zu Matrixkameras muss also nur ein Detektor kalibriert werden, daher treten keine zusätzlichen Messungenauigkeiten auf. Außerdem lassen sich deutlich höhere Abtastfrequenzen von bis zu 150 Hz und Auflösungen mit mehr als 1.000 Messpunkten pro Zeile erreichen. Ein weiterer Vorteil ist der Öffnungswinkel von 90° gegenüber maximal 40° oder 60° bei Zeilen- und Matrixkameras mit Weitwinkelobjektiv. Das ermöglicht für einen Scanner praktikable Messentfernungen selbst an breiten Bandprozessen. Zudem genügt ein schmaler Sichtschlitz für die Wärmebilderstellung − anders als eine Matrixkamera muss ein Zeilenscanner nämlich nie freie Sicht auf das gesamte Messobjekt zugleich haben. Dies ermöglicht beispielsweise den Einsatz zwischen Ofen und Presse oder Presse und Kühlstrecke auch dann, wenn diese sehr dicht nebeneinander stehen.

Herausforderungen der Infrarotpyrometrie
Zur Temperaturbestimmung messen IR-Sensoren die Infrarotabstrahlung eines Objekts. Da die Strahlungsintensität wellenlängen- und temperaturabhängig ist, können verschiedene Faktoren, wie eine schmutzige Atmosphäre oder hohe Luftfeuchtigkeit, die Messung behindern. Darüber hinaus haben verschiedene Materialien besondere Eigenschaften: Metall und Glas können Strahlung aus der Umgebung, zum Beispiel von einem Ofen, reflektieren, und durch Glas oder Kunststofffolien kann Hintergrundstrahlung hindurch treten. Solche anwendungsspezifischen Gegebenheiten sind bei der Sensorauswahl, -einstellung und -installation zu beachten. Die größte Präzision liefert im Allgemeinen die Messung auf der kürzesten möglichen Wellenlänge. Wärmebild- beziehungsweise Zeilenkameras mit ihrem typischen Spektralbereich von 8 bis 14 µm sind dafür keine optimale Lösung. IR-Zeilenscanner dagegen messen auch im kürzeren Wellenlängenbereich und sind in großer Auswahl für unterschiedliche Spektren erhältlich.

Ausfallsichere Echtzeitauswertung
Die neue Generation der Ip65-konformen, schwingungs- und schockfesten Infrarot-Zeilenscanner ScanIR3 von Ircon verfügt über einen Umgebungstemperaturbereich von 0 bis 50°C. Eine integrierte Wasserkühlung erweitert den Einsatzbereich bis auf 180°C, und eine integrierte Heizung bis auf -40 °C für Außenanwendungen. Das spezielle Schutzgehäuse erlaubt den kontinuierlichen Dauerbetrieb bei hohen Umgebungstemperaturen, beispielsweise in Stahlgießereien oder bei der Glasherstellung.
Acht Modelle decken Messspektren zwischen 1 und 5 μm und verschiedene Messtemperaturspannen im Bereich von 20 bis 3.000°C ab. Die Scanner sind schnell und genau mit einem Blickwinkel von 90°, einer maximalen optischen Auflösung von 200:1, einer Scanfrequenz von bis zu 150 Zeilen je Sekunde und bis zu 1.024 Datenpunkten je Zeile. Kleinste Temperaturabweichungen und Hotspots erfassen und zeigen sie in Echtzeit an.

Auswertung und Anbindung
Die komplette Auswertung übernimmt eine Prozessorbox, die über ein einzelnes Kabel mit robustem Schnellverschluss an den Zeilenscanner angeschlossen wird. Ein Computer ist dafür nicht nötig; durch Betriebssysteme verursachte Systemabstürze sind daher ausgeschlossen. Die Prozessorbox stellt die Temperaturdaten in Echtzeit bereit. Die Anwender wählen entsprechend der Anwendung selbst aus verschiedenen analogen und digitalen I/O-Optionen, Ethernet- und Glasfaseranschlüssen. Die Prozessorbox ist IP66-konform und hat eine maximale Betriebstemperatur von 50°C. Sie kann abgesetzt vom Scanner installiert werden. Alarme über Temperaturabweichungen werden über galvanisch getrennte Relaisausgänge an die Prozesssteuerung übertragen. Per OPC- oder DDE-Server lassen sich die Daten in Netzwerke einspeisen.
Die neue Software ScanView Pro erlaubt eine individuelle Konfiguration der Betriebsparameter und die Anzeige von Wärmebildern, Temperaturkurven und Differenzbildern auf einem Standard-PC. Die Einstellungen für unterschiedliche Produkte lassen sich speichern und bequem wieder aufrufen. Wärmebildaufnahmen lassen sich auch als Film abspielen, und die Anwender können für Wärmebilder mehrere Zonen festlegen, die nach verschiedenen Kriterien untersucht werden. Die Echtzeitauswertung der Daten sowie programmierbare Alarmfunktionen ermöglichen eine unmittelbare Kontrolle und ein schnelles Eingreifen im Fehlerfall.