Produktionstrend 2015/03, Rubrik Technische Diagnose

Moderne Wärmebildkameras aus fachlicher Sicht (II)

Die Bildwiederholrate kann ein kritisches Merkmal sein

Nachdem wir in unserem Einführungskapitel die wichtigsten Meilensteine der Entwicklung von Wärmebildkameras von den anfänglichen Sondengeräten bis hin zu den heutigen Matrix-Wärmebildkameras überblickt haben, befassen wir uns im Folgenden mit der Bildwiederholrate von Wärmebildkameras und dann mit den Detektorleseverfahren.

Wann ist ein kritisches Parameter?

Basierend auf dem Vorherigen ist die Bildwiederholrate der Wärmebildkamera in jedem Fall kritisch, bei dem Temperaturänderungen untersucht werden sollen. Wenn die aufzuzeichnende Änderung eine Periode von 1/10 Sekunden hat, sind mindestens 20 Hz (besser 25 Hz) Bildwiederholrate erforderlich. Bei Leistungselektronikgeräten treten oft Erwärmungen mit einer Frequenz von bis zu 300 Hz auf, für deren Aufzeichnung eine Bildwiederholrate von über 600 Hz erforderlich ist (dies kann nur mit photonendetektorischen Wärmebildkameras realisiert werden). Weitere Beispiele für die Notwendigkeit von extrem schnellen photonendetektorischen Wärmebildkameras sind die Erkennung von Werkzeug- und Werkstückerwärmungen in der Zerspanungstechnologie, die Beobachtung der Oberflächentemperaturen von Fahrzeugairbags, die Erforschung der Temperaturen bei pyrotechnischen Prozessen oder die Untersuchung von stoßartigen mechanischen Einwirkungen.

Die Liste könnte noch lange fortgesetzt werden, aber sie sollte nicht zu dem falschen Schluss führen, dass bei langsamen (oder sogar stationären) thermischen Prozessen die Bildwiederholrate der Wärmebildkamera kein kritischer Parameter für die Durchführbarkeit der Messung sein könnte. Bei bewegten Messobjekten oder einer bewegten Wärmebildkamera ist es ebenso wichtig, dass die Wärmebildkamera schnell genug ist.

Abbildung 1: Fehler bei Unterabtastung aufgrund der Verletzung des Shannon-Gesetzes [Quelle: PIM]

Bei Mikrobolometer-Wärmebildkameras begrenzt die Integrationszeit, die die Bildwiederholrate bestimmt, wie schnell sich Objekte noch korrekt erfassen lassen. Die maximale Bewegungsgeschwindigkeit ist der Wert, bei dem die Oberfläche des Objekts, die vom einzelnen Detektor während der Integrationszeit erfasst wird, sich bereits so stark in Bewegungsrichtung erstreckt, dass diese Erfassungsfläche während der Integrationszeit gerade "abläuft".

Beispiel: Wenn wir ein 15 mm breites Objekt mit einer 30 Hz Bildwiederholrate (typischerweise mit einer Integrationszeit von ca. 25 ms) und einer geometrischen Auflösung von 2 mrad aus einer Entfernung von 1 m erfassen möchten, kann die maximale Geschwindigkeit zwischen der Wärmebildkamera und dem Objekt (parallel zur Objektoberfläche) wie folgt berechnet werden: 2 mm + 25 ms * x m/s < 15 mm, wobei x die maximale Bewegungsgeschwindigkeit ist. Basierend auf der obigen Gleichung beträgt die maximale Bewegungsgeschwindigkeit 0,52 m/s oder nur 1,87 km/h.

Abbildung 2: Unschärfe im Wärmebild aufgrund schneller Objektbewegung - Vergrößerung der Beine des Läufers [Quelle: PIM] (langsam bewegter Körper + linker Fuß auf dem Boden --> scharf, Hände und rechter Fuß in schneller Bewegung --> unscharf)

Selbst bei Verwendung einer handgehaltenen Wärmebildkamera können ernsthafte Probleme auftreten, wenn detaillierte Wärmebilder oder Messungen über größere Entfernungen erstellt werden sollen. Es ist bekannt, dass ein erfahrener - ruhiger - Fotograf in der Lage ist, verwacklungsfreie Fotos mit einer Verschlusszeit von 1/60 zu machen (ohne Stativ), während eine Amateur mit zitternden Händen gelegentlich verwackelte Bilder mit einer Verschlusszeit von 1/125 machen kann. Diese Verschlusszeiten entsprechen einer Erfassungszeit von 17 ms bzw. 8 ms. Welche Fähigkeiten sind also erforderlich, um mit einer handgehaltenen Wärmebildkamera mit 30 Hz oder sogar nur 15 oder 9 Hz verwacklungsfreie Wärmebilder aufzunehmen? Dazu müssten wir das Gerät möglicherweise 30-40 ms lang ruhig halten, was praktisch unmöglich ist. Mit anderen Worten: Handgehalten können nur solche Wärmebildkameras sicher verwacklungsfreie Bilder aufnehmen, deren Integrationszeit kürzer als 15 ms ist. Dies wird in der Regel nur von 50 Hz und noch schnelleren Wärmebildkameras gewährleistet, während langsamere Wärmebildkameras ungeeignet sind für Aufnahmen ohne Stativ.

Abbildung 3: Unschärfe im Wärmebild aufgrund der Bewegung der Wärmebildkamera (z. B. Handzittern) [Quelle: PIM]

Detektorleseverfahren

Bewegliche oder rotierende Objekte sowie Wärmebildkameras in Bewegung im Vergleich zum Objekt erfordern bei Wärmebildkameras nicht nur die zuvor diskutierte Bildwiederholfrequenz, sondern hängen auch von der Art des Pixel-Daten-Auslesens ab. Es gibt zwei Arten, dies umzusetzen: die zeilenweise Auslesung (kann auch bei thermischen und Fotodetektoren angewendet werden) und die sogenannte Snap-Shot-Auslesung. Letzteres ist ausschließlich aufgrund bestimmter spezieller Eigenschaften einiger Fotodetektoren möglich, da die Langsamkeit thermischer Detektoren wie z. B. Mikrobolometer (Integrationszeit von 6-20 ms) die Anwendung dieser Technologie völlig sinnlos macht.

Zeilenweise Auslesung

Wenn wir von einem durchschnittlichen 320×240 Pixel-Matrixsensor ausgehen, bedeutet dies 78.600 einzelne Sensoren. Es ist naheliegend, dass es nicht sinnvoll ist, zur Digitalisierung der analogen elektrischen Ausgangssignale für jedes Pixel dieselbe Anzahl von Abtast- und Analog-Digital (AD)-Wandlern aufgrund ihres großen Platz- und Energiebedarfs sowie ihrer Kosten zu verwenden. Daher verwenden wir nur einen einzigen Schaltkreis mit 240 Abtast-AD-Wandlern, der einer einzigen Zeile entspricht, mit dem wir die 320 Zeilen des Sensors nacheinander (einzeln weiterbewegend) auslesen. Dazu setzen wir die Signale der Sensoren in der ersten Zeile zurück und starten ihre Mess- (Integrations-)Zeit, und kurz darauf tun wir dasselbe mit der zweiten, der dritten und den folgenden Zeilen.

Währenddessen läuft die Integrationszeit der Sensoren in der ersten Zeile ab, sodass wir ihre Messdaten auslesen können. Dann machen wir dasselbe mit den anderen Zeilen, bis wir zur letzten gelangen. In der Zwischenzeit wurde die Neustartung der Integrationszeit der ersten Zeilen bereits für den nächsten Auslesezyklus durchgeführt. Praktisch kann der Kreisprozess so formuliert werden, als ob die Sensoren kontinuierlich integrieren und durch zeilenweises Fortschreiten dies mit einem Auslesen und Zurücksetzen unterbrechen.

Abbildung 4: Zeitdiagramm für die zeilenweise Auslesung [Quelle: PIM]

Die Konsequenz der zeilenweisen Auslesung ist, dass die Darstellung von bewegten Objekten verzerrt wird, wie in Abbildung 5 veranschaulicht (je schneller die Bewegung, desto größer die Verzerrung). Der Grund dafür ist, dass die zeilenweise Messdaten nicht gleichzeitig, sondern nacheinander entstehen - ähnlich wie bei einem Multiplexer-Mehrkanal-Messsystem.

Abbildung 5: Verzerrung der Darstellung bewegter Objekte durch zeilenweise Auslesung [Quelle: PIM]

Snap-Shot-Technologie

Das Problem der Erfassung von beweglichen oder rotierenden Objekten kann mit der Snap-Shot-Technologie gelöst werden. Der Einsatz macht jedoch nur bei ausreichend schnellen (Integrationszeit von nur 10 µs) Fotodetektoren Sinn. Im Vergleich dazu würde bei um Größenordnungen langsameren thermischen Sensoren (wie Mikrobolometern) aufgrund der langen Integrationszeit ohnehin eine Verschmierung der Darstellung bewegter Objekte auftreten. (Fortsetzung in der nächsten Ausgabe.)

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu

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