Produktionstrend 2010/12, Abschnitt Technische Diagnose

"Ein universelles Messverfahren"

Die Erstellung von Wärmebildern, also die Thermografie - oder fachlich weniger korrekt Thermovision genannt - ist ein äußerst vielseitiges Messverfahren, das sich aufgrund der recht teuren Wärmebildkameras noch nicht schneller in der Praxis durchsetzen konnte.

Wärmebildmessungen und Überwachungslösungen kommen in nahezu allen Bereichen vor, von der Medizin über den Einsatz in der Strafverfolgung und im Militär. Zu den nicht militärischen Anwendungen gehören beispielsweise die Untersuchung der Wärmedämmung von Gebäuden, Rohrleitungen und Kühlhäusern, die Überprüfung von elektrischen Kabeln und Verbindungen, die zustandsbezogene Wartung von Maschinen und Anlagen, die Qualitätskontrolle während der Produktion anhand bestimmter Produktparameter (denken Sie beispielsweise an Kühlschränke und Heizgeräte), die Prozesskontrolle (einschließlich der Überwachung der technologischen Schritte bei der Lampenherstellung), Entwicklungsarbeiten, wie beispielsweise in der Leistungselektronik, biologische und chemische Experimente sowie medizinische Messungen und Experimente. Es ist offensichtlich, dass es nur wenige andere Messverfahren gibt, die so universell sind wie die Thermografie. Die Handhabung moderner Wärmebildkameras ist mittlerweile mit der weit verbreiteten digitalen Kameras vergleichbar. Doch niemand sollte glauben, dass es genauso einfach ist, korrekte (aus Messsicht richtige) Wärmebilder zu erstellen, wie es ist, eine Wärmebildkamera zu bedienen. Es bedarf vieler Fachkenntnisse (theoretischer), Erfahrungen und einer angemessenen Messvorbereitung, damit die Aufnahmen nicht nur "schöne bunte Bilder", sondern auswertbare Wärmebilder sind. Es ist bedauerlich, dass die Vertriebsmitarbeiter von Wärmebildkameras und die Ersteller von Wärmebildern häufig schwerwiegende fachliche Fehler bei der Erstellung der Wärmebilder begehen. In unserer Serie versuchen wir in diesem und den folgenden Teilen die theoretischen Grundlagen und praktischen Aspekte der Thermografie vorzustellen, damit die Ersteller der Aufnahmen und die Nutzer, die die Auswertungen durchführen, die theoretischen Vorteile der Wärmebilder besser nutzen können. Beginnen wir mit den physikalischen Grundprinzipien!

Grundlagen der Infrarot-Temperaturmessung

Die auf Infrarotstrahlung basierende Temperaturmessung, also die Thermografie und die berührungslose Temperaturmessung (die aufgrund der verwendeten Laserzielbeleuchtung oft fälschlicherweise als Laser-Temperaturmessung bezeichnet wird), nutzt das physikalische Phänomen, dass Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts (–273,15 °C) elektromagnetische Wellen abstrahlen, wie beispielsweise Radiowellen, Licht und Wärme(strahlung). Die Infrarotstrahlung ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, der sich auf der langwelligen Seite des sichtbaren roten Lichts befindet, ungefähr im Wellenlängenbereich zwischen 760 nm und 1 mm (siehe unsere Tabelle). Für die Temperaturmessung ist der Bereich bis 20 µm relevant, der in drei weitere Teilbereiche unterteilt werden kann: 0,8–2 µm für kurze, 2–6 µm für mittlere und 6–20 µm für langwellige Infrarotstrahlung. Das elektromagnetische Spektrum

Wellenlänge	Wellenlängenbereich
1000 km 100 km	Langwellen (RF und ELF)
10 km 1 km 100 m 10 m	Radiofrequenzen
1 m 10 cm 1 cm	Mikrowellen
1 mm 100 µm 10 µm	Infrarotstrahlung
1 µm 100 nm	Sichtbares Licht
10 nm	Ultraviolette Strahlung
1 nm 0,1 nm 0,01 nm	Röntgenstrahlung
0,001 nm 0,0001 nm 0,00001 nm	Gammastrahlung

Das Plancksche Strahlungsgesetz

Die Temperaturmessung erfolgt anhand der von dem zu messenden Körper abgestrahlten elektromagnetischen Wellen (Infrarotstrahlung). Um auf die Temperatur schließen zu können, muss der Zusammenhang zwischen der Körpertemperatur und der abgestrahlten Strahlung betrachtet werden. Dieser Zusammenhang wird hauptsächlich durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben, das die spektrale Verteilung der Strahlung beschreibt, die von einem idealen Strahler (schwarzer Körper) abgegeben wird.

Zusammenfassend: Je wärmer ein Körper ist, desto mehr Strahlung gibt er ab, und desto kürzer ist die Wellenlänge der am intensivsten abgestrahlten Strahlung. Als Veranschaulichung dieses Zusammenhangs zeigt unsere Tabelle einige maximale Strahlungen praktischer Materialien. Es ist bemerkenswert, dass die größeren Wellenlängen immer vorhanden sind (und mit steigender Temperatur sogar verstärkt werden), während die kürzeren Wellenlängen nur in der von heißen Körpern abgegebenen Wärmestrahlung zu finden sind.

Maximale Strahlung praktischer Materialien in der Praxis

Strahlender Körper	Temperatur	Maximale Strahlung
Tiefgefrorene Lebensmittel	–18 °C	11,4 µm
Haut	32 °C	9,5 µm
Kochendes Wasser	100 °C	7,8 µm
Glowing dark red iron	600 °C	3,3 µm
Glowing white iron	1200 °C	2,0 µm

Eigenschaften der zu messenden Objekte

Das sogenannte schwarze Strahlermodell ist das ideale physikalische Strahlungsmodell, das für das Studium der Grundlagen der Thermografie unerlässlich ist. In der Praxis weichen die gemessenen Objekte jedoch mehr oder weniger von diesem Modell ab, daher ist es wichtig, die Auswirkungen dieser Unterschiede bei der Messung zu berücksichtigen. Die Strahlungsfähigkeit realer Objekte bleibt hinter dem schwarzen Strahlermodell zurück, und zur Berücksichtigung dieser Abweichung dient der Emissionsgrad (ε), der die Infrarotstrahlungsemissionsfähigkeit eines Objekts im Vergleich zur Fähigkeit des schwarzen Strahlers beschreibt. Der Emissionsgrad hängt hauptsächlich vom Material (seiner Oberfläche), der Oberflächenrauheit und der Wellenlänge (und somit auch von der Temperatur des Objekts) ab.

Im langwelligen Bereich kennzeichnet eine hohe, relativ konstante Emissionsrate viele nichtmetallische Materialien über einen breiten Temperaturbereich, unabhängig von der Oberflächenbearbeitung. Gute Beispiele hierfür sind die menschliche Haut und viele mineralische Strukturen (einschließlich Baumaterialien) sowie kunststoffbasierte Farben. Der Emissionsgrad von Metallen ist in der Regel gering und hängt stark von den Oberflächeneigenschaften ab und nimmt mit zunehmender Wellenlänge (und damit mit abnehmender Temperatur) ab.

Thermografische Messanordnung

Bei der Thermografie müssen die spezifischen Eigenschaften des Temperaturmessverfahrens aus physikalischen Gründen berücksichtigt werden: Einerseits handelt es sich um ein optisches Messverfahren, bei dem das Messobjekt für das Messgerät sichtbar sein muss; andererseits spielen neben den beiden Schlüsselelementen der Messanordnung der charakteristische Zustand des Messwegs und das Vorhandensein von Strahlungsquellen im Vorder- und Hintergrund eine entscheidende Rolle bei der Messung.

Der Einfluss des Übertragungsbereichs auf das Messergebnis Da die Infrarotthermografie eine berührungslose Methode ist, muss die Infrarotstrahlung, die die Grundlage der Messung bildet, von einem Medium durchdrungen werden, das vom zu messenden Objekt zum Messgerät reicht, und das Verhalten (die Charakteristik) des Mediums im Infrarotbereich beeinflusst natürlich die Messung. In den meisten Fällen handelt es sich um Luft, aber andere Materialien, die Infrarotstrahlen durchlassen (wie spezielle Messfenster), kommen ebenfalls vor. Bei Luft beeinflussen Wasserdampf und Kohlendioxid die Übertragung von Infrarotstrahlung.

Wie auf der Abbildung zu sehen ist, hängt die Übertragungseigenschaft der Luft stark von der Wellenlänge ab. Neben Bereichen mit hohen Übertragungsverlusten sind auch Bereiche mit guter Übertragungsfähigkeit (schraffiert) in der Nähe zu finden. Letztere werden als atmosphärische Fenster bezeichnet. Während der Übertragungsfaktor im Bereich von 8–14 µm - dem langwelligen atmosphärischen Fenster - nahezu perfekte Übertragung auch über große Entfernungen gewährleistet, verursacht die Atmosphäre im Bereich von 3–5 µm - dem kurzwelligen atmosphärischen Fenster - bereits messbare Verluste auch bei Entfernungen von mehreren Metern.

Das Messgerät und sein Einfluss auf das Messergebnis Da Luft das häufigste Übertragungsmedium bei berührungsloser Temperaturmessung ist, sollten Messungen nur in den genannten atmosphärischen Fenstern durchgeführt werden (sonst würde man eine nichtlineare Temperaturabhängigkeit erhalten). Aus diesem Grund werden für Messungen Wärmebildkameras entwickelt, die empfindlich für den Wellenlängenbereich von 8–14 µm sind - die mit dem langwelligen atmosphärischen Fenster arbeiten - sowie für den Bereich von 3–5 µm - die in kurzwelligen atmosphärischen Fenstern messen können. Je nachdem, ob sie das langwellige oder das kurzwellige atmosphärische Fenster nutzen, werden sie als langwellige oder kurzwellige Wärmebildkameras bezeichnet. Es gibt auch selten Wärmebildkameras, die im ultrakurzen Wellenlängenbereich messen.

Der spektrale Messbereich der berührungslosen Temperaturmessgeräte deckt daher in der Regel nur einen Teil der von einem Objekt emittierten Gesamtstrahlung ab. Die Auswirkung dessen auf das Messergebnis wird anhand des Diagramms in der Abbildung für einige typische Messbereiche (entsprechend den atmosphärischen Fenstern) veranschaulicht. Es ist leicht zu erkennen, dass der kurzwellige (3–5 µm) Bereich relativ unempfindlich gegenüber relativ niedrigen Temperaturen ist, aber (bei einem schwarzen Strahler) über 350 °C die Strahlung in diesem Bereich besser nachweisbar ist als im langwelligen (8–14 µm) Bereich. Der Grund dafür ist, dass das Strahlungsmaximum in den kurzwelligen Bereich verschoben ist. Für die Erfassung niedriger Temperaturen (einschließlich der typischen Temperaturen von Gebäuden und ihrer Umgebung) sind die langwelligen Wärmebildkameras am besten geeignet.

Praktische Probleme

Einfluss des Emissionsgrades und der Umgebungstemperatur auf die Messgenauigkeit Dies ist der häufigste und bedeutendste Fehler bei der praktischen Anwendung der berührungslosen Temperaturmessmethode. Das Messgerät kann die Temperatur eines Objekts nur korrekt bestimmen, wenn der am Messgerät (bzw. in der Auswertungssoftware) eingestellte Emissionsgrad dem realen Merkmal des zu messenden Objekts entspricht. Reflexion der Wärmestrahlung von der Stirnfläche des Objekts Je weiter der Emissionsgrad eines Körpers vom idealen Wert 1 abweicht, desto stärker sind seine Reflexionseigenschaften (vorausgesetzt, es handelt sich um ein undurchsichtiges Objekt im Infrarotbereich). Dies führt dazu, dass das Messgerät neben der von dem Körper proportional zur Temperatur abgestrahlten Wärmestrahlung (im schlimmsten Fall sogar anstelle davon) die von der Umgebung reflektierte Wärmestrahlung auf der Oberfläche des gemessenen Objekts misst. Signalverlust in der Übertragungsstrecke Die Übertragungsstrecke ist in der Regel die normale Atmosphäre, durch die nur ein Teil des Infrarotspektrums (sogenannte atmosphärische Fenster) hindurchgeht. Die Verluste bei größeren Entfernungen werden durch Faktoren bestimmt, die die Infrarotstrahlung absorbieren oder dämpfen (z. B. Nebel, Aerosole, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, andere Gase oder das Vorhandensein von Wasser). Durchlässigkeit der Wärmestrahlung vom Hintergrund des Objekts Dieser Fehler tritt auf, wenn das Objekt teilweise transparent ist, natürlich im Hinblick auf die Infrarotstrahlung. In solchen Fällen muss der Hintergrund des Objekts genauso berücksichtigt werden wie der Vordergrund bei der Reflexion der Wärmestrahlung.  

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

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