Thermografische Geräte (Infrarotkameras mit thermometrischen Fähigkeiten) für berührungslose Temperaturmessungen haben in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung durchgemacht. Wenn man bedenkt, dass diese Geräte erst vor 50 Jahren auf den Markt kamen, heute aber zu einem der bekanntesten und vielseitigsten Prüfgeräte geworden sind, sollte man sich nicht über die Vielfalt des Angebots (Hersteller, Typen) wundern. Für einen Kunden, der den Kauf einer Wärmebildkamera plant, ist es daher nicht mehr der Mangel an Typen, die seinen Anforderungen entsprechen, sondern die Unübersichtlichkeit des riesigen Angebots. Es ist also an der Zeit, die Entwicklung und Typen dieser Geräte fachmännisch zu überprüfen und ihr aktuelles Angebot anhand einiger wichtiger technischer Parameter zu ordnen. Denn: Die in den Kameras verwendete Messtechnologie und das Zubehör bestimmen den Anwendungsbereich des Geräts sowie die zu erwartende Messgenauigkeit und die verfügbare Bildqualität.
Abtastende Wärmebildkameras - die "verschwundene" Spitzen technologie der Anfänge
Die ersten kommerziell erhältlichen Wärmebildkameras für Temperaturmessungen wurden hauptsächlich in Form von Scannern (abtastend) hergestellt. Sie verwenden nur einen einzigen („Punkt“-)Detektor zur Umwandlung der Infrarotstrahlung und tasten das zu messende Objekt mit einem mechanischen (Spiegel- oder Linsen-)System ab. Da dieses Bildgebungskonzept einen Hochgeschwindigkeits-(Photonen-)Detektor und eine hochpräzise Mechanik erfordert, ist die Herstellung recht teuer, erfordert Kühlung und aufgrund der mechanischen Komponenten eine begrenzte Lebensdauer. Trotzdem hat es einen großen Vorteil gegenüber allen anderen Methoden: Jedes Signal für jeden Bildpunkt wird vom selben Detektor erzeugt. Dadurch entstehen die Daten für jedes Bildpunkt unter perfekt gleichen Bedingungen, was zu einer sehr guten Bildhomogenität (und einer Auflösung von bis zu 10mK) führt. Die Langsamkeit der Bildgebung (typischerweise nur ein Bild pro Sekunde) sowie die zuvor genannten Nachteile haben dazu geführt, dass diese Wärmebildkameratechnologie höchstens noch als Gebrauchtgerät verfügbar ist.
Abb.: Prinzip des abtastenden Wärmebildkameras [Quelle: Infratec]
(1 Detektor, 2+5 Objektive, 3 horizontale Ablenkspiegel, 4 vertikale Ablenkspeigel, 6 Objekt, 7 Messfläche)
Matrix-Detektor-Wärmebildkameras - die "weitverbreitete" Struktur der aktuellen Wärmebildkameras
Bei Matrix-Detektor-Wärmebildkameras werden mehrere tausend einzelne Sensoren matrixartig "gleichzeitig" zur Erfassung der zu messenden Wärmestrahlung verwendet, sodass keine mechanische Ablenkeinheit erforderlich ist. Dadurch ist die Kamera mechanisch einfacher, kleiner, leichter (und kostengünstiger). Obwohl der optische Strahlengang überraschend einfach ist, steckt der Teufel im Detail: Ein Hauptproblem ist, dass jeder einzelne Sensor jeden Bildpunkt in einzigartiger Weise umwandelt, dessen Charakteristik zwar sehr ähnlich, aber dennoch messbar unterschiedlich ist. Die Kompensation der fehlenden Übereinstimmung erfordert eine erhebliche Menge an Echtzeit-Bildverarbeitung, aber selbst damit wird nicht die Bildhomogenität von Scanningsystemen erreicht. Da jedoch moderne Matrix-Detektor-Wärmebildkameras - je nach verwendeter Sensortechnologie - jetzt eine thermische Auflösung von 30mK (oder sogar 20mK) erreichen können und dies für die meisten Anwendungen ausreicht, wurde die Produktion von Scanningsystemen eingestellt.
Abb.: Prinzip des Matrix-Detektor-Wärmebildkameras
[Quelle: Infratec] (1 Detektor, 2 Objektiv, 3 Objekt)
Sensoren moderner Matrix-Detektor-Wärmebildkameras Grundsätzlich unterscheiden wir zwei Grundtypen - thermische Sensoren und Fotondetektoren. Thermische Typen basieren darauf, dass sie sich durch die Einwirkung von Infrarotstrahlung (Energie elektromagnetischer Wellen) erwärmen und dadurch eine ihrer physikalischen (elektrischen) Eigenschaften verändern, aus der das erforderliche elektrische Signal "extrahiert" werden kann. Fotondetektoren hingegen liefern ein elektrisches Signal, das proportional zur Anzahl der Photonen ist, erfordern jedoch eine Kühlung auf tiefe Temperaturen (-150°C ... - 200°C) für ihren Betrieb. (Ohne Kühlung würde die ungeordnete Elektronenbewegung die Entstehung des nutzbaren physikalischen Effekts verhindern.) Grundlegende Sensortechnologien
Abbildung: Funktionsweise von thermischen Detektoren [Quelle: PIM]
Abbildung: Schematische Struktur eines Mikrobolometers [Quelle: Infratec]
Abbildung: Aufbau und Funktionsweise von Photonendetektoren [Quelle: PIM]
Jede Sensortechnologie hat Sensoren für verschiedene Wellenlängenbereiche, abhängig vom verwendeten Material. Bolometer / Mikrobolometer können jedoch aufgrund ihrer geringen thermischen Empfindlichkeit nur für den langwelligen Wellenlängenbereich hergestellt werden. (Nur in diesem Bereich kann mit ausreichend hoher Strahlungsintensität gerechnet werden.) Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die technischen Möglichkeiten.
Abbildung: Wellenlängenbereiche von Infrarotsensoren je nach Material der Sensoren
Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass der Wellenlängenbereich des Sensors (spektrale Empfindlichkeit) maßgeblich die Anwendungsbereiche der Wärmebildkamera beeinflusst. (Zur Erinnerung: Wärmebildkameras sind aufgrund der Übertragungseigenschaften der Atmosphäre auf verschiedene - begrenzte - Wellenlängenbereiche angewiesen. Aufgrund der sogenannten atmosphärischen Fenster werden kurzwellige, mittel- und langwellige Wärmebildkameras hergestellt.) Während beispielsweise mit mittelwelligen 3 ... 5 µm-Wärmebildkameras die Temperaturen von niedrigen Temperaturen (z. B. -80 °C) nicht gemessen werden können, ist es mit langwelligen 7,5 ...14 µm-Wärmebildkameras unmöglich, die Wärmestrahlung von Objekten hinter Glas zu erfassen. Es gibt auch weitere Anwendungsbeschränkungen im Zusammenhang mit großen (mehrere hundert Meter) Messabständen: Diese können nur mit langwelligen Wärmebildkameras realisiert werden. Auf der anderen Seite kann die Erfassung von Verbrennungstemperaturen in den meisten Fällen nur mit mittelwelligen Wärmebildkameras erfolgen, während die umgekehrte Aufgabe - die Erfassung der Objekttemperaturen durch die Flamme ohne Erfassung der Flammentemperatur - sogar mit langwelligen Wärmebildkameras möglich ist. Für viele Anwendungen (Messung der Temperatur von dünnen Folien, Erkennung von Gaslecks, Messungen durch spezielle Messfenster wie Vakuumkammerfenster, Ofenmessfenster) müssen je nach Material des Objekts geeignete Wellenlängenbereiche der Wärmebildkamera und darüber hinaus geeignete Infrarotfilter ausgewählt werden. Diese Aufgabe erfordert spezielles Wissen und Erfahrung, um teure Fehler zu vermeiden.
Bildwiederholfrequenz von Wärmebildkameras (Bildwiederholrate)
Es gibt Wärmebildkameras mit matrizenbasierten Sensoren, die Bildwiederholraten von 9, 15, 30, 50, 60, 120 Hz oder sogar 240 Hz haben - unabhängig davon, ob es sich um stationäre oder tragbare (mobile) Wärmebildkameras handelt. Wesentlich höhere - 850, sogar 6000 oder sogar 9000 Hz - Bildwiederholungs- (genauer gesagt Wärmebildmess-) frequenzen sind mit Photonendetektoren-Wärmebildkameras möglich. Welche Bildwiederholgeschwindigkeit erforderlich ist, hängt von der Zeitkonstante der Temperaturänderung des zu messenden Objekts ab oder von der Bewegungsgeschwindigkeit oder sogar von der Bewegungsgeschwindigkeit unserer Wärmebildkamera. Die Zeitkonstante der Temperaturänderung des zu messenden Objekts (Änderungsgeschwindigkeit) - oder wissenschaftlicher ausgedrückt: die Frequenz des Temperaturprozesses - ist aufgrund des Betriebsprinzips der Wärmebildkameras eine ernsthafte Anforderung: Wärmebildkameras (wie jedes digitale Signalverarbeitungsmesssystem) müssen nämlich auch dem Abtastgrundgesetz - dem Shannon-Gesetz - entsprechen. Das Shannon-Gesetz verlangt, dass die Abtastung des höchstfrequenten Bestandteils des zu messenden Prozesses mindestens mit der doppelten Frequenz erfolgen muss, die für die Digitalisierung des Signals erforderlich ist. Wenn dieses Gesetz nicht eingehalten wird, tritt sogenanntes Untertasten auf, was beispielsweise bei einer periodischen Temperaturschwankung dazu führen würde, dass die zeitliche Änderung des aufgezeichneten Temperaturprozesses scheinbar nur wesentlich langsamer (bei niedrigerer Frequenz) erfolgt als der tatsächliche Prozess (siehe auch das folgende Diagramm). Dies würde in vielen Fällen zu völlig falschen Schlussfolgerungen führen!
Abbildung: Folgen der Verletzung des Shannon-Gesetzes durch Untertastung [Quelle: PIM]
Daher ist die Bildwiederholfrequenz der Wärmebildkamera in jedem Fall kritisch, wenn Temperaturänderungen untersucht werden sollen. Wenn die zu erfassende Änderung eine Periode von 1/10 Sekunde hat, sind mindestens 20 Hz (besser 25 Hz) Bildwiederholfrequenz erforderlich. Bei Leistungselektronikgeräten treten oft Erwärmungen mit einer Frequenz von bis zu 300 Hz auf, für deren Erfassung eine Bildwiederholfrequenz von über 600 Hz erforderlich ist (was nur mit Photonendetektor-Wärmebildkameras möglich ist)! Weitere Beispiele für die Notwendigkeit von extrem schnellen Photonendetektor-Wärmebildkameras sind die Erkennung von Werkzeug- und Werkstückerwärmung in der Zerspanungstechnologie, die Beobachtung der Oberflächentemperaturen von Auto-Airbags, die Erforschung der Temperaturen bei pyrotechnischen Prozessen oder die Untersuchung von stoßartigen mechanischen Einwirkungen... Die vorherige Aufzählung könnte noch lange fortgesetzt werden, aber dies sollte nicht zu dem falschen Schluss führen, dass bei langsamen (oder sogar stationären) thermischen Prozessen die Bildwiederholfrequenz der Wärmebildkamera auch ein kritischer Parameter für die Durchführbarkeit der Messung sein könnte. Denn auch bei bewegten Messobjekten oder einer bewegten Wärmebildkamera ist es wichtig, dass die Kamera schnell genug ist. Bei Mikrobolometer-Wärmebildkameras begrenzt die Integrationszeit, die ihre Bildwiederholrate bestimmt, wie schnell sich Objekte noch korrekt erfassen lassen. Die maximale Bewegungsgeschwindigkeit ist diejenige, bei der die Oberfläche eines einzelnen Detektors während der Integrationszeit bereits so stark in Bewegungsrichtung verlängert ist, dass diese Erfassungsfläche während der Integrationszeit von der Objektoberfläche abläuft.
Beispiel: Wenn wir ein 15 mm breites Objekt mit einer 30 Hz Bildwiederholfrequenz (typischerweise mit einer Integrationszeit von ca. 25 ms), einer geometrischen Auflösung von 2 mrad und 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 dieser Gleichung beträgt die maximale Bewegungsgeschwindigkeit 0,52 m/s oder nur 1,87 km/h.
Abbildung: Unschärfe im Wärmebild aufgrund schneller Objektbewegung - vergrößert mit den laufenden Beinen [Quelle: PIM]
(langsam bewegter Körper + linker Fuß am Boden --> scharf, Hände und rechter Fuß in schneller Bewegung --> unscharf)
Selbst bei einer Handheld-Wärmebildkamera treten ernsthafte Probleme auf, wenn detaillierte Wärmebilder oder sogar Messungen über größere Entfernungen erstellt werden sollen. Es ist bekannt, dass ein erfahrener - ruhiger - Fotograf auch bei einer Verschlussgeschwindigkeit von 1/60 in der Lage ist, verwacklungsfreie Fotos zu machen (ohne Stativ), während eine "Amateur"-zitternde Hand gelegentlich verwackelte Bilder bei einer Verschlussgeschwindigkeit von 1/125 erzeugen kann. Diese Verschlusszeiten entsprechen einer Erfassungszeit von 17 ms bzw. 8 ms. Welche Geschicklichkeit ist also erforderlich, um mit einer 30 Hz oder sogar nur 15 bzw. 9 Hz Wärmebildkamera in der Hand verwacklungsfreie Wärmebilder aufzunehmen! Dazu müsste die Wärmebildkamera bis zu 30 ... 40 ms lang unbeweglich gehalten werden, was praktisch unmöglich ist. Mit anderen Worten: Mit einer Handheld-Kamera können nur solche Wärmebilder sicher aufgenommen werden, deren Integrationszeit kürzer als 15 ms ist. Dies wird in der Regel nur von 50 Hz und noch schnelleren Wärmebildkameras gewährleistet, langsamere Kameras sind für freihändige Aufnahmen ungeeignet.
Abbildung: Unschärfe im Wärmebild aufgrund der Bewegung der Wärmebildkamera (z. B. Handzittern) [Quelle: PIM]
Detektor-Ausleseverfahren Bei bewegten oder rotierenden Objekten oder einer im Vergleich zum Objekt bewegten Wärmebildkamera hängt die messtechnische Anwendbarkeit der Wärmebildkameras nicht nur von der zuvor diskutierten Bildwiederholfrequenz ab, sondern auch von der Art des Pixel-Datenauslesens. Es werden üblicherweise zwei Arten implementiert: das zeilenweise Auslesen (kann für thermische und Photonendetektoren verwendet werden) und das sogenannte "Snap-Shot" Auslesen. Letzteres ist ausschließlich eine spezielle Eigenschaft einiger Photonendetektoren, da die Langsamkeit der thermischen Detektoren (z. B. Mikrobolometer) (mit Integrationszeiten von 6 ... 20 ms) die Anwendung dieser Technologie völlig sinnlos macht. Serielles Auslesen: Wenn wir von einem durchschnittlichen 320x240 Pixel-Matrixsensor ausgehen, entspricht dies 78.600 individuellen Sensoren. Es liegt auf der Hand, dass es nicht sinnvoll ist, zur Digitalisierung des analogen elektrischen Ausgangssignals jedes Pixels die gleiche Anzahl von Abtast- und AD-Wandlern zu verwenden (aus Platz- und Energiegründen sowie Kosten). Daher verwenden wir nur einen Satz von 240 Abtast- und AD-Wandlern, die einer einzigen Zeile entsprechen, um die 320 Zeilen des Sensors nacheinander (einzeln weitergeschaltet) "auszulesen". Dazu setzen wir zuerst die "Signale" der Sensoren in der ersten Zeile zurück und starten ihre Mess- (Integrations-)Zeit, und kurz darauf wiederholen wir dies mit den zweiten, dritten und nachfolgenden Zeilen.
In the meantime, the integration time of the sensors in the first row has elapsed, so we can perform the reading of their measurement data. Then, moving on individually, we will do the same with the other rows until we reach the last one. Meanwhile, of course, the restart of the integration time of the first rows has already taken place for the next "reading" cycle. In practice, this circular process can also be formulated as if the sensors were continuously integrating, and we would only interrupt this by reading and zeroing out row by row. 
Figure: timing diagram for serial reading [source: PIM]
The consequence of serial reading is that the representation of moving objects becomes distorted, as illustrated in the following figure. (The faster the motion, the greater the degree of distortion.) The reason for this is that the measurement data line by line did not "occur" at the same time, but only successively - similar to a multiplexed multi-channel measurement system.
Figure: distortion of the representation of moving objects due to serial reading [source: PIM]
“Snap-Shot” technology The problem related to the detection of moving or rotating objects can be solved with the "Snap-Shot" technology. However, this application only makes sense with sufficiently fast (even with an integration time of just 10 µs) photon detectors. In contrast, with thermal detectors (e.g., microbolometers) that are orders of magnitude slower (due to the long integration time), the representation of moving objects would be blurred anyway. Photon detectors with "Snap-Shot" capability perform the measurement (signal integration) simultaneously on each pixel, and then the measured values on the pixels are "frozen" at the same time. Subsequently - as we did with serial reading - the values are read out line by line and converted to A/D. Therefore, here we do not use thousands of readout-digitizing circuits, but only as many as needed for reading out each row. Nevertheless, we do not distort the
representation of moving objects because the signal measured by all individual sensors comes from the same time (moment). From a measurement technology perspective, we can speak of a simultaneous sampling system here.
Figure: timing diagram for "Snap-Shot" technology (gray = frozen value) [source: PIM]
With the most advanced thermal cameras equipped with "Snap-Shot" technology, currently up to 450 images of 320x256 pixels can be captured per second. However, the time requirement for the advancing readout line by line, as recognizable in the timing diagram, can be compared to the integration time of the photon detectors and may even exceed it. The maximum image readout frequency is therefore mainly limited by the readout. To counteract this - in order to achieve even faster image capture - we can use the processing of so-called SubFrame sub-images, which unfortunately results in displaying fewer details due to fewer pixels. Thermal cameras equipped with this image processing technology can capture up to 4500 images per second at a resolution of 160x128 pixels. Note: the detector still performs signal integration and value freezing simultaneously on all pixels. We simply limited the readout and digitization to the selected area.
Figure: examples of SubFrame solutions in "Snap-Shot" technology [source: PIM]
Figure: thermal image of a fan - left: microbolometer with serial reading, right: photon detector with "Snap-Shot" procedure [source: InfraTec]
Cooling Technologies for Photon Detectors
Heutzutage sind verschiedene langwelligen Wärmebildkameras ohne Kühlung erhältlich, die auf thermischen Detektoren (z. B. Mikrobolometer) basieren. Die genauesten und schnellsten Messfähigkeiten sowie kurz- und mittelwelligen Wärmebildkameras können jedoch nur mit Fotondetektoren hergestellt werden - und diese ausschließlich mit Kühlung. Zur Gewährleistung ihrer Kühlung haben sich heute hochzuverlässige Miniatur-Kompressoren (Stirling-Kühler) anstelle von flüssigem Stickstoff durchgesetzt. Bei einigen Detektortypen besteht die Möglichkeit, zusätzlich zur thermoelektrischen (Peltier) Kühlung zu greifen, obwohl damit nicht so niedrige Temperaturen erreicht werden können (was die Auswahl an Detektorausführungen und Materialien einschränkt.) Stirling-Kühlung Die Stirling-Kühlung basiert auf dem thermischen Kreisprozess nach CARNOT, bei dem ein Gas (Helium) komprimiert wird (wodurch das Gas erhitzt wird), dann durch Wärmeabgabe an die Umgebung abkühlt. Während der folgenden Expansion (in einem anderen Zylinder) kühlt das Gas auf sehr niedrige Temperaturen ab und ist somit in der Lage, Wärmeenergie aus der Umgebung (in unserem Fall vom Detektor) aufzunehmen. Dies geschieht als geschlossener Kreisprozess. In Wärmebildkameras ermöglicht ein zweikolbengetriebener Mikrokompressor, dass die Wärmebildkameras in jeder Position eingesetzt werden können. Neben dem Betrieb der Detektoren kann auch die Messzuverlässigkeit und -genauigkeit in einem breiten Betriebstemperaturbereich (bei ausreichend gutem Wirkungsgrad) gewährleistet werden. Der Nachteil ist jedoch, dass diese Kühler-Kompressoren eine nicht zu vernachlässigende Größe und Gewicht haben, weshalb leichte und kompakte Wärmebildkameras mit dieser Technologie nicht realisierbar sind. Ein noch größeres Problem (insbesondere bei kontinuierlichen Anwendungen) ist, dass Stirling-Kühler ein mechanisches System sind, das eine begrenzte Lebensdauer hat. Bei den modernsten Geräten kann diese Grenze bis zu 8000 - neuerdings 12000 - Betriebsstunden erreichen (wartungsfrei!).
Abbildung: Prinzip des Stirling-Kühlers und ein Stirling-Kühler selbst [Quelle: InfraTec]
Peltier-Element-Kühlung Die Peltier-Element-Kühlung (auch als thermoelektrische Kühlung bezeichnet) wird in der Regel in Form einer 3-stufigen Peltier-Element-Kaskade realisiert, um die erforderlichen niedrigen Temperaturen zu erreichen. Ihr Vorteil gegenüber der Stirling-Kühlung besteht darin, dass sie keine mechanischen (beweglichen und damit verschleißanfälligen) Teile hat, sodass praktisch keine Lebensdauerbeschränkung besteht. Dafür wird jedoch bei höherem Energieverbrauch nur eine weniger niedrige Temperatur erreicht (ca. -150 °C), was für den Betrieb nicht aller Arten von Fotondetektoren ausreicht.
Abbildung: Aufbau des 3-stufigen Peltier-Kühlers / MCT-Sprite-Fotondetektor mit Peltier-Kühlung [Quelle: InfraTec]
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