Berührungslose Temperaturmessung

Berührungslose Temperaturmessung wird in der Industrie und im Heimbereich benutzt, um Temperaturen von schwer zugänglichen Objekten oder Oberflächen zu messen. Allgemein bekannt sind das Infrarot-Fieberthermometer, Bewegungsmelder, oder die Thermografie, bei der die Objekttemperaturen z.B. mittels Wärmebildkamera gemessen werden.

Weniger bekannt ist die Möglichkeit, Temperaturen mit Hilfe der ausgesendeten (Planck’schen) Strahlung im Frequenzbereich von Mikro- und Radiowellen zu bestimmen. Hierbei wird die vom Objekt ausgesendete Strahlungsdichte mithilfe geeigneter Antennenstrukturen gemessen und aus der Signalstärke auf die Objekttemperatur zurückgerechnet.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ermittlung der Temperatur von Speisen in geschlossenen Haushaltsgeräten wie z.B. Back- oder Mikrowellenöfen. Hauptvorteil der Methodik besteht darin, dass im Gegensatz zur Infrarot Thermografie eben nicht die Oberflächentemperatur ermittelt wird, da zur Temperaturmessung die Mikrowellenstrahlung aus dem inneren Bereich des Messobjekts das Messergebnis bestimmt. Zudem benötigt man im Gegensatz zur Thermografie keine direkte Sichtlinie zum Messobjekt.

Temperaturen zu messen, ist heutzutage eine Selbstverständlichkeit und oft sogar lebenswichtig – etwa in der Medizin oder der Lebensmittelerzeugung. Schwierig wird es allerdings, wenn die Innentemperatur eines Objekts bestimmt werden soll, das bei der Messung nicht beschädigt werden darf. Zum Beispiel beim Organtransport muss die Kerntemperatur der Organe in engen Grenzen kontrolliert werden, und beim Auftauen von Blutkonserven darf es nicht zu lokalen Überhitzungen kommen. Ähnlich verhält es sich auch mit Lebensmitteln: Die richtige Temperatur beim Transport und der Zubereitung kann schwerwiegende Probleme wie Salmonellenvergiftungen verhindern. Die in Profiküchen vorgeschriebenen Einstechthermometer sind jedoch umständlich im Gebrauch und können zum Beispiel nicht in der Mikrowelle eingesetzt werden. Und auch bei industriellen Prozessen wie der aktiven Holztrocknung mit Mikrowellen kann die Innentemperatur wichtige Informationen über den Fortschritt des Trocknungsprozesses liefern.

Im Projekt NoCRaFT soll eine berührungslose Messmethodik erforscht und entwickelt werden, die die Kerntemperatur eines elektrisch schwach leitenden Objekts innerhalb eines geschlossenen metallischen Behälters misst. Untersucht wird dies am Beispiel eines Garprozesses. Bei dem Ansatz wird die Intensität der vom Objekt emittierten natürlichen Planck-Strahlung bestimmt, die wiederum proportional zur Objekttemperatur ist. 
Befindet sich das Objekt in einer Mikrowelle oder einem medizinischen Gerät, kann die Strahlung als Rauschen erfasst und in die absolute Objekttemperatur umgerechnet werden. Allerdings muss die extrem schwache Rauschleistung vor dem Hintergrund des meist viel intensiveren Eigenrauschens der Messelektronik erkannt werden. 

Daher sollen im Projekt die vom Messaufbau erzeugten Störsignale genau charakterisiert und herausgerechnet werden. Zudem soll die Kopplung zwischen der Antenne und dem Gargut berechnet werden.

Radio- oder Infrarotthermometrie ist zwar eine etablierte Technik für die berührungslose Temperaturmessung, doch dabei besteht immer eine gerade „Sichtlinie“ zwischen der Messantenne und dem Messobjekt. Der Einsatz der Radiometrie innerhalb eines geschlossenen Raums ist somit der innovative Kern des Projekts. Zudem ermöglicht es der hier verfolgte Ansatz, sowohl die Kern- als auch die Oberflächentemperatur eines Objektes unabhängig von seiner Art und Anfangstemperatur zu messen. Daraus ergibt sich ein breites Anwendungsfeld, etwa in der Medizin, der Lebensmittelherstellung und der Industrie. Für die radiothermischen Messungen werden modernste Hochfrequenz-Messtechniken und Machine-Learning-Algorithmen genutzt. Die KI-unterstützte Analyse der spektralen Rauschleistung und des Impedanzspektrums der Antenne soll zu einer deutlichen Verbesserung der Messgenauigkeit führen.