Messen der Bremssystemtemperatur mit Infrarot-Sensoren
Bremssysteme sind vielleicht die wichtige Komponente beweglicher Maschinen . Probleme mit dem Bremssystem können zu Unfällen führen und müssen unter allen Umständen vermieden werden.
Schon ein geringfügiger Abfall bei der Bremsleistung kann ernsthafte Folgen haben. Wenn etwa die Bremsen überhitzen, nimmt die Systemeffizienz ab. Außerdem besteht Brandgefahr. Daher ist es unerlässlich, Bremsen während der Entwicklungsphase des Produkts entsprechenden Stresstests zu unterziehen. Dies umfasst im Regelfall die Messung und Überwachung der Bremstemperatur an der Leistungsgrenze.
In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit der Frage, wie Bremssysteme mithilfe der wohl geeignetsten Methode getestet werden können: der Infrarot-Messung (oder kurz IR-Messung). Weitere Themen sind das Sichtfeld, die Brennweite und Komplikationen beim Kalibrieren von IR-Sensoren.
Was spricht für Infrarot-Sensoren?
Wenn die Temperatur von Bremsen gemessen werden soll, drehen sich diese für gewöhnlich schnell. Daher scheiden kontaktbehaftete Sensoren wie ein Thermoelement prinzipbedingt aus.
Mit einem drahtlosen Messumformer lässt sich das Problem auch nicht lösen. Durch die schnellen Dreh- und Schwingbewegungen der Bremsen wird die Leistung der in drahtlosen Messumformern vorhandenen Elektronik beeinflusst.
Am besten sind daher Infrarot-Sensoren geeignet.
Wissenswertes über das Sichtfeld
Beim Messen der Bremstemperatur wird nicht einfach mit einem IR-Sensor aus beliebiger Entfernung bzw. beliebigem Winkel auf das System gezeigt. Es muss auch das „Sichtfeld“ berücksichtigt werden.
Das Sichtfeld eines Infrarot-Sensors definiert die Größe des Messflecks bei einer gegebenen Entfernung zum Sensor. Es kann in Form einer Grafik oder einer Tabelle dargestellt werden (siehe unten).
Jedes IR-Sensormodell weist ein spezifisches Sichtfeld auf, z. B. 10:1, 20:1 oder 40:1. Diese Zahlen stehen für das Verhältnis zwischen:
- der Entfernung des Sensors zum Messobjekt (Zahl auf der linken Seite) und
- dem Zielmessfleck (Zahl auf der rechten Seite).
Beispiel: Ein Infrarot-Senor mit einem Sichtfeld von 20:1 und einem Abstand von 200 cm von der Bremse „sieht“ einen Zielmessfleck mit einem Durchmesser von 10 cm. Bei einer Entfernung von 300 cm wäre der Messfleck 15 cm. Dies ist das Sichtfeld des Sensors.
Ein Infrarot-Sensor berechnet die mittlere Temperatur des Flecks im Sichtfeld. Der Sensor muss auf das Ziel gerichtet sein; andernfalls ist der Messwert ungenau.
Fokussierung des Sichtfelds
Das Sichtfeld kann auch für spezielle Messungen kalibriert werden, wie die beiden folgenden Beispiele illustrieren.
- Messen der mittleren Temperatur der gesamten Bremsscheibe: Wenn die mittlere Temperatur der gesamten Bremsscheibe gemessen werden soll, sollte der IR-Sensor mit dem größten Sichtfeld gewählt werden, das gerade eben nicht über die Abmessungen der Bremsscheibe hinausgeht. Bei einer Bremsscheibe mit einem Durchmesser von 30 cm und einem 10:1-IR-Sensor wird der Sensor am besten in einer Entfernung von 300 cm positioniert.
- Messen bestimmter Teile einer Bremse: Wenn ein bestimmter, 1 cm großer Punkt bei derselben Bremse und mit demselben IR-Sensor gemessen werden soll, z. B. zur Erstellung eines Temperaturprofils, wird der Sensor am besten in einer Entfernung von 10 cm positoniert und auf den gewünschten Messfleck gerichtet.
Wie zu sehen ist, lässt sich mit dem Sichtfeld des IR-Sensors die Größe und Position des Messflecks steuern. Der Betrachtungwinkel hat ebenfalls Einfluss auf die Größe und Form des Messflecks.
Wissenswertes über die Brennweite
Eine weitere wichtige Spezifikation ist die Brennweite, also die Entfernung zu einem Messobjekt, in der der IR-Sensor verwendet werden kann.
Nahbereichs-IR-Sensoren haben einen Betriebsbereich von ca. 0,2 cm bis 15 cm, Sensoren mit großer Reichweite können hingegen bis zu einer Entfernung von 1,5 m eingesetzt werden.
In der Praxis bedeutet dies: Ein IR-Sensor kann nicht einfach immer weiter weg positioniert werden, um das Sichtfeld unendlich zu vergrößern. Bei der Platzierung muss auch die Brennweite des Sensors berücksichtigt werden.
Vergrößern mit Teleskopokularen:Manche IR-Sensoren besitzen auch Teleskopokulare, die es ermöglichen, kleinere Objekte aus größerer Entfernung zu messen. Auf kurzer Distanz können optische Systeme winzige Flecken mit einer Größe von nicht einmal 0,075 cm messen. Kleine Ziele können auch aus größerer Entfernung gemessen werden; beispielsweise kann ein ca. 7,5 cm großer Zielmessfleck aus einer Entfernung von rund 9 m gemessen werden.
Abbildungsfehler: Sphärische und chromatische Aberration
Jede Sichtfeldangabe ist aufgrund der durch die sphärische und chromatische Aberration hervorgerufenen Unschärfe ein Annäherungswert.
Sphärische Aberration bezeichnet den Effekt, dass ein weit außerhalb der von der optischen Achse einfallender Strahl stärker abgelenkt wird als Strahlen, die in der Nähe Achse auftreffen.
Chromatische Aberration: Hierzu kommt es, weil sich der Brechnungsindex von optischen Materialien mit der Wellenlänge ändert. Der Brechungsindex ist bei kürzeren Wellenlängen niedriger. Kurzwellige Strahlen werden stärker gebrochen und haben ihren Brennpunkt näher an der Linse. Entsprechend liegt der Brennpunkt bei längerwelligen Strahlen weiter hinter der Linse.
Jedes Sichtfeld ist daher von Unschärfe betroffen. Einige Hersteller von IR-Sensoren beziehen den Abberationseffekt in ihre Sichtfeldangaben ein.
Auswählen eines Sensors
OMEGA Engineering hat ein breites Angebot von Infrarot-Temperatursensoren.
Die Serie OS-MINI ist für einen Temperaturbereich von -20 ° bis 1.020 °C bei einem Sichtfeld von 2:1 bis 30:1 ausgelegt. Es gibt Modelle mit optionalen Touchscreen-Steuerelementen, MicroSD-Datenaufzeichnung und einer Betriebstemperatur bis zu 180 °C ohne zusätzliche Kühlung.
Weitere Informationen zu
IR-Temperatursensoren der Serie OS-MINI
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