Produktionstrend 2011/11, Technische Diagnoseabteilung

"Ein universelles Messverfahren"

Die Hersteller von Wärmebildkameras und die Anbieter von Wärmebildaufnahmen begehen häufig schwerwiegende fachliche Fehler bei der Erstellung von Wärmebildern und der Auswahl von für die Aufgabe geeigneten Wärmebildkameras. Im Folgenden werden die wichtigsten Informationen zur aufgabenspezifischen Auswahl des Wärmebildkameratyps vorgestellt.

Die Erstellung von Wärmebildaufnahmen, d.h. die Thermografie, ist ein äußerst vielseitiges Messverfahren. Die Bedienung moderner Wärmebildkameras ähnelt der gängigen digitalen Videokameras. Diese Einfachheit sollte jedoch niemanden täuschen: Für die fachgerechte Erstellung von Wärmebildaufnahmen aus messtechnischer Sicht sind Fachkenntnisse, eine angemessene Messvorbereitung und ein Messgerät (Wärmebildkamera), das den Anforderungen der Aufgabe entspricht, erforderlich. Andernfalls entstehen anstelle von Messergebnissen nur uninterpretierbare "Farbbilder". Darüber hinaus muss auch die Tatsache akzeptiert werden, dass es aus physikalischen Gründen keine universelle Wärmebildkamera gibt, die alle denkbaren Anforderungen erfüllt. Es ist bedauerlich, dass auch die Hersteller von Wärmebildkameras und die Anbieter von Wärmebildaufnahmen häufig schwerwiegende fachliche Fehler bei der Erstellung von Wärmebildern und der Auswahl von für die Aufgabe geeigneten Wärmebildkameras begehen. Daher werden hier die wichtigsten Informationen zur aufgabenspezifischen Auswahl des Wärmebildkameratyps vorgestellt, da ein Gerät, das aufgrund unzureichender Parameter ausgewählt wurde, in der Regel nicht nur Geldverschwendung darstellt, sondern auch die Durchführung von Messungen unmöglich machen kann.

Die Auswahlschritte

Wie wählen wir also eine Wärmebildkamera aus, die unseren Messanforderungen entspricht? Zunächst sollten wir uns darüber im Klaren sein, was die technischen Parameter und Eigenschaften von Wärmebildkameras bedeuten, wie sie sich auf das Messergebnis auswirken und welche physikalischen Einschränkungen sie mit sich bringen. Im nächsten Schritt klären wir, welche minimalen Anforderungen das ausgewählte Gerät aufgrund unserer Messaufgabe erfüllen muss, welche physikalischen Gesetzmäßigkeiten es einhalten muss. Als dritter Schritt legen wir fest, in welcher Qualität und Form die Messdatenauswertung (sowie der dazugehörige Bericht) erfolgen soll. Schließlich suchen wir nach Wärmebildkameras und Auswertungssoftware, die sicherlich den zuvor festgelegten Anforderungen entsprechen (es sollte vermieden werden, Kompromisse bei den Messparametern oder physikalischen Einschränkungen einzugehen, da dies leicht zur Unauswertbarkeit der Messung führen kann). Wenn wir mehrere - in allen Aspekten geeignete - Geräte finden, ist es ratsam, das wirtschaftlichste auszuwählen (oder dasjenige, das für denselben Preis mehr Wissen oder bessere Qualität bietet). Natürlich ist es von Vorteil, das ausgewählte Gerät von einem Anbieter zu kaufen, der fachlich kompetent ist und mit durchdachten Ratschlägen bei der Auswahl der richtigen Geräte unterstützt (denn gerade aufgrund unvollständiger fachlicher Kenntnisse und Erfahrungen kann dies unsere Messung retten). Die nächsten Teile unserer Serie sollen die physikalischen (theoretischen) Grundlagen der Wärmebildkameraauswahl klären und Ratschläge für die Auswahl des richtigen Geräts bei typischen Anwendungen geben. Die in dem Artikel aufgeführten Informationen sind nicht herstellerspezifisch, sondern gelten als allgemeine Parameter für alle Wärmebildkameras. Wenn also bestimmte Messaufgaben mit bestimmten Kameratypen nicht durchgeführt werden können, gibt es keinen Kamerahersteller, der in der Lage wäre, eine geeignete Kamera herzustellen. (Zum Beispiel ist die Messung durch Glas mit keiner Langwellenkamera möglich, unabhängig vom Hersteller.) Wenn bestimmte Messaufgaben mit thermografischen Geräten gelöst werden sollen, müssen zahlreiche schwer zu bestimmende und zu gewichtende technische Parameter berücksichtigt werden. Wenn der beabsichtigte Einsatz nicht eindeutig als Standard bezeichnet werden kann, kann der richtige Weg oft nur durch Probemessungen festgelegt werden. Es gibt jedoch einige Parameter, deren Überlegung auf jeden Fall jedem Test vorausgehen muss, um die Auswirkung des Messgeräts auf das Messergebnis im Voraus abwägen zu können.

Der Wellenlängenbereich der Wärmebildkamera

Der für die berührungslose Messung technisch relevante Wellenlängenbereich der Infrarotstrahlung beginnt bei ungefähr 0,8 μm und erstreckt sich bis 20 μm. Während die Infrarotthermografie mehrere spektrale Bereiche verwendet, ist der Bereich für die Thermografie auf zwei Intervalle beschränkt, nämlich 3 (oder 2) bis 5 μm und 8 bis 14 (bzw. 12) μm, was sich aus der Nutzung des sogenannten mittel- bzw. langwelligen atmosphärischen Fensters ergibt. Da die Atmosphäre die langwellige Wärmestrahlung in der Regel perfekt durchlässt, ist dieser Bereich für Messungen im Freien und über große Entfernungen sehr gut geeignet.

Die Elemente der Atmosphäre - Wasserdampf, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe usw. - können den Kurz- und Mittelwellenbereich bereits in einigen Metern Entfernung stark beeinflussen (dämpfen). Was wie ein Nachteil erscheint, hat auch eine positive Wirkung: beispielsweise kann die Temperatur von Flammen und Verbrennungsgasen mit der Kurz- und Mittelwellen-Thermografie bestimmt werden, während sie im Langwellenbereich durchsichtig sind. Es können auch Messungen erforderlich sein, die durch ein Infrarotstrahlung durchlässiges Fenster durchgeführt werden müssen. Die für die Herstellung solcher Fenster verwendeten Materialien können völlig unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen, und daher sollte die Bereich der Messwellenlänge der Wärmebildkamera basierend darauf festgelegt werden. Schließlich kann auch der spektrale Emissionsfaktor des Objekts den auszuwählenden Wellenlängenbereich beeinflussen.

Aufgrund der Übertragungseigenschaften der Luft sind Wärmekameras empfindlich für den Wellenlängenbereich von 8–14 μm - die mit der Nutzung des langwelligen atmosphärischen Fensters arbeiten - sowie für die Erfassung von 3–5 μm Wellenlängen - die in einem kurzwelligen atmosphärischen Fenster messen. Entsprechend ihrer Bezeichnung sind sie entweder langwellige oder mittelwellige Wärmebildkameras. Der spektrale Messbereich solcher Messgeräte deckt nur einen Teil der gesamten vom Objekt emittierten Strahlung ab. Die Auswirkung auf das Messergebnis wird anhand des Diagramms für einige typische Messbereiche (entsprechend den atmosphärischen Fenstern) veranschaulicht.

Es ist leicht zu erkennen, dass der mittelwellige (3–5 μm) Bereich ziemlich unempfindlich gegenüber relativ niedrigen Temperaturen ist, aber (für einen schwarzen Körper) über 350 °C die Strahlungsempfindlichkeit im Bereich von 3–5 μm besser ist als im langwelligen (8–14 μm) Bereich. Der Grund dafür ist, dass das Maximum der Strahlung in den mittelwelligen Bereich verschoben ist (nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz).

Schlussfolgerungen zum Wellenlängenbereich

Während mit langwelligen (8–14 μm) Kameras die kältesten und heißesten Objekte gemessen werden können, können mit mittelwelligen (3–5 μm) Wärmebildkameras kalte Objekte (z. B. -80 °C) nicht untersucht werden, da kalte Objekte keine kurz- und mittelwellige Strahlung abgeben. Ein großer Vorteil der mittelwelligen Wärmebildkameras ist jedoch, dass sie für Messungen durch Glas geeignet sind. Dies basiert darauf, dass Glas die kurz- und mittelwellige Wärmestrahlung (bis 4 μm) durchlässt, die langwellige jedoch nicht, daher können langwellige Kameras nicht durch das Glas "sehen".

Verschiedene Wärmebildkamera-Technologien

Abtast-Wärmebildkameras Verwenden einzeilige (Punkt-)Detektoren zur Umwandlung der Infrarotstrahlung und tasten das zu messende Objekt mit mechanischen Systemen ab. Diese bildgebende Methode erfordert einen Hochgeschwindigkeitsdetektor und hochpräzise mechanische Komponenten. Ein großer Vorteil gegenüber allen anderen Methoden ist, dass jedes Signal für jeden Bildpunkt von einem einzigen - sehr präzise eingestellten und korrigierten Empfindlichkeitskurve - Punkt-Detektor umgewandelt wird.

Dadurch werden die Wärmebilder unter perfekt gleichen Bedingungen für jeden Bildpunkt erstellt, was zu einer sehr guten Bildhomogenität führt. (Die Differenz zwischen gleich temperierten Punkten ist minimal oder gar nicht vorhanden.) Im gezeigten Beispiel erfolgt die horizontale Ablenkung des Strahls innerhalb der Abtast-Wärmebildkamera durch einen Drehspiegel, während die vertikale Ablenkung durch einen schwingenden Spiegel erfolgt. Dasselbe kann auch mit anderen Mitteln - z. B. mit drehbaren Prismen - ähnlich gelöst werden.

Matrixdetektor-Wärmebildkameras In den letzten Jahren werden Matrixdetektor-Wärmebildkameras in der Infrarot-Thermografie immer häufiger eingesetzt. Dabei ist keine mechanische Ablenkeinheit erforderlich, wodurch die Kamera mechanisch einfacher, kleiner und leichter wird.

Obwohl der optische Strahlengang der Matrixdetektor-Wärmebildkamera überraschend einfach ist, ergeben sich bei genauerer Betrachtung mehrere Probleme: Eines der Hauptprobleme ist, dass jedes Pixel des Wärmebildes von einem eigenen Sensor umgewandelt wird, dessen Charakteristik der des benachbarten Pixels sehr ähnlich sein kann, aber dennoch messbar davon abweicht. Die Kompensation der fehlenden Übereinstimmung erfordert eine erhebliche Menge an Echtzeit-Signalverarbeitung (Korrektur). Daher wurden die ersten mit Matrixdetektor hergestellten Wärmebildkameras ohne Temperaturmessfunktionen empfohlen. Die Kamerahersteller integrierten diese Technologie erst später in die Geräte, zunächst nur mit einem - in der Mitte des Bildes befindlichen - Messpunkt und später auf alle Bildpunkte erweitert.

Die meisten Matrixdetektor-Kameras arbeiten im mittleren Wellenlängenbereich und verwenden hauptsächlich hochleistungsfähige InSb-, CdHgTe- sowie kostengünstige PtSi-basierte Detektoren. Matrixdetektoren mit langwelligem Messbereich können nur auf der sehr teuren CdHgTe-Basis hergestellt werden und werden noch nicht in großen Pixelmengen produziert. Eine Alternative ist die relativ neue sogenannte Widerstands- oder Bolometer-Sensor-Technologie, die die Herstellung von hochauflösenden Sensoren mit hoher Wärme- und geometrischer Auflösung im langwelligen Bereich ermöglicht. In einigen Fällen erlauben die nicht allzu strengen Anforderungen an die Reaktionszeit der einzelnen Elemente von Matrixsensoren auch den Einsatz von ungekühlten Detektoren. Aufgrund strahlenphysikalischer Gründe kann jedoch die hohe Wärmeauflösung, die bei niedrigen Temperaturen erwartet wird, nur im langwelligen Bereich mit ungekühlten Geräten erreicht werden.

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

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