Produktionstrend 2015/01-02, Technische Diagnoseabteilung

Moderne Wärmebildkameras aus fachlicher Sicht (I)

Von den anfänglichen Abtastgeräten bis zu den heutigen Matrix-Wärmebildkameras

In unserer jetzt beginnenden und in jeder Ausgabe fortgesetzten Serie möchten wir unsere Leser durch die zunehmende Vielfalt von Wärmebildkameras mit Hilfe unseres internationalen Experten für Thermografie und forensische Untersuchungen der Stufe 3 leiten. Denn für eine erfolgreiche Anwendung ist es entscheidend, dass wir bei der Auswahl und Anwendung des Geräts auf angemessene Informationen zurückgreifen, um fundierte Entscheidungen zu treffen.

In den letzten Jahren haben sich die für berührungslose Temperaturmessungen geeigneten thermografischen Geräte (Wärmebildkameras mit thermometrischen Fähigkeiten) rasant weiterentwickelt. Wenn man bedenkt, dass diese Geräte erst vor 50 Jahren auf den Markt kamen, sich aber mittlerweile zu einem der bekanntesten und vielseitigsten Prüfgeräte entwickelt haben, sollte man sich nicht über die Vielfalt der Hersteller und Modelle auf dem Markt wundern. Wenn wir den Kauf einer Wärmebildkamera in Betracht ziehen, ist es nicht mehr der Mangel an Typen, die den Anforderungen entsprechen, sondern die Undurchsichtigkeit des enormen Angebots nach Herstellern und Modellen, die ein Problem darstellt.

Es ist also an der Zeit, die Entwicklung und Typen dieser Instrumente aus fachlicher Sicht zu überblicken und ihr aktuelles Angebot anhand einiger wichtiger technischer Parameter zu ordnen. Dies ist von besonderer Bedeutung für die praktische Anwendung, da die in den Kameras verwendete Messtechnologie und das Zubehör den Anwendungsbereich des Geräts sowie die zu erwartende Messgenauigkeit und die verfügbare Bildqualität bestimmen.

Die „verschwundene“ Spitzen technologie der Anfänge

Die ersten kommerziell erhältlichen (zivilen) Wärmebildkameras, die für die Temperaturmessung geeignet waren, wurden hauptsächlich in einer Scannerversion hergestellt. Diese verwenden nur einen einzigen (Punkt-)Detektor zur Umwandlung der Infrarotstrahlung und tasten das zu messende Objekt mit einem mechanischen Spiegel- oder Linsensystem ab. Da dieses Bildgebungskonzept einen Hochgeschwindigkeits-(Photonen-)Detektor und eine präzise Mechanik erfordert, ist die Herstellung recht teuer, erfordert Kühlung und ist aufgrund der mechanischen Komponenten nur von begrenzter Lebensdauer.

Trotzdem hat es einen großen Vorteil gegenüber allen anderen Methoden: Jedes Signal für jeden Bildpunkt wird vom selben Detektor erfasst. Somit werden die Daten aus jedem Punkt des Wärmebilds unter genau denselben Bedingungen erzeugt, was zu einer sehr guten Bildhomogenität (und einer Auflösung von bis zu 10 mK) führt. Die Langsamkeit der Bildgebung (typischerweise nur ein Bild pro Sekunde) und die oben genannten Nachteile haben dazu geführt, dass diese Wärmebildkameratechnologie höchstens noch als Gebrauchtgerät erhältlich ist.

Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau von Scannenden Wärmebildkameras [Quelle: Infratec] (1 Detektor, 2+5 Objektive, 3 horizontale Ablenkspiegel, 4 vertikale Ablenkspiegel, 6 Objekt, 7 Messfläche)

Gängige Struktur moderner Wärmebildkameras

Bei den heute häufig verwendeten Matrixdetektor-Wärmebildkameras werden Tausende von individuellen Sensoren matrixartig „gleichzeitig“ zur Erfassung der zu messenden Wärmestrahlung platziert, 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 besteht darin, dass jeder einzelne Sensor jedes Bildpunkts in einzigartiger Weise umwandelt, und obwohl ihre Charakteristika denen des Nachbarn sehr ähnlich sein können, unterscheiden sie sich messbar voneinander.

Die Kompensation dieser Ungenauigkeit erfordert erhebliche Mengen an Echtzeit-Bildverarbeitung, aber selbst damit kann die Bildhomogenität der Scanningsysteme nicht erreicht werden. Da jedoch moderne Matrixdetektor-Wärmebildkameras - je nach verwendeter Sensortechnologie - jetzt eine thermische Auflösung von 30 mK (oder sogar 20 mK) erreichen können, was für die meisten Anwendungen ausreicht, wurde die Produktion von Scannenden Wärmebildkameras eingestellt.

Abbildung 2: Prinzipieller Aufbau von Matrixdetektor-Wärmebildkameras [Quelle: Infratec] (1 Detektor, 2 Objektiv, 3 Objekt)

Sensoren moderner Matrixdetektor-Wärmebildkameras

Bei den Sensoren von Matrixdetektor-Wärmebildkameras unterscheiden wir grundlegend zwei Arten, thermische Sensoren und Fotodetektoren. Der Betrieb der thermischen Typen beruht darauf, dass die Infrarotstrahlung, also die Energie einer elektromagnetischen Welle, sie erwärmt, und dadurch ändert sich ein physikalischer (elektrischer) Parameter, aus dieser Änderung kann das erforderliche elektrische Signal extrahiert werden.

Fotodetektoren hingegen liefern ein elektrisches Signal, das proportional zur Anzahl der Photonen ist, erfordern jedoch zur Funktionsweise eine Kühlung auf niedrige Temperaturen zwischen -150 °C und -200 °C. Ohne Kühlung würde die ungeordnete Elektronenbewegung die Entstehung des zu nutzenden physikalischen Effekts behindern.

Abb. 5: Funktionsweise von thermischen Detektoren [Quelle: PIM]

Abb. 3: Schematische Struktur von Mikrobolometern [Quelle: Honeywell Technology Center]

Abb.: Aufbau und Funktionsweise von Fotodetektoren [Quelle: PIM]

Spektrale Empfindlichkeit von Infrarotsensoren

Je nach verwendeter Materialien existieren Sensoren für verschiedene Wellenlängenbereiche. Thermische Detektoren - einschließlich Bolometer und Mikrobolometer aufgrund ihrer geringen thermischen Empfindlichkeit nur für den langwelligen spektralen Bereich geeignet sind. (Nur in diesem Bereich kann mit ausreichend hoher Strahlungsintensität gerechnet werden.) Abbildung 6 gibt einen Überblick über die technischen Möglichkeiten.

Abb.: Wellenlängenbereiche von Infrarotsensoren je nach Material der Sensoren [Quelle: Infratec]

Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass nicht nur der Wellenlängenbereich des Sensors (spektrale Empfindlichkeit) die Anwendungsbereiche der Wärmebildkamera entscheidend beeinflusst. Die zusätzliche Einschränkung des Wellenlängenbereichs der Wärmebildkameras ist aufgrund der Übertragungseigenschaften der Atmosphäre erforderlich. Für Messungen mit ausreichender Übertragungsfähigkeit werden sogenannte atmosphärische Fenster benötigt, wodurch kurzwellige, mittel- und langwellige Wärmebildkameras hergestellt werden. Während mit mittelwelligen, 3-5 μm Wärmebildkameras die Temperatur von niedrigen Temperaturen (z. B. -80 °C) nicht gemessen werden kann, ist es mit langwelligen, 7,5-14 μm Wärmebildkameras beispielsweise unmöglich, die Wärmestrahlung von Objekten hinter Glas zu erfassen.

Weitere anwendungsbezogene Einschränkungen bestehen in Bezug auf große (mehrere hundert Meter) Messabstände: solche Aufgaben können nur mit langwelligen Wärmebildkameras gelöst werden. Im Gegensatz dazu ist die Erfassung der Flammentemperatur von Verbrennungsprozessen in den meisten Fällen nur mit mittelwelligen Wärmebildkameras möglich, aber die umgekehrte Aufgabe - die Erfassung der Objekttemperaturen durch Flammen ohne Erfassung der Flammentemperatur - kann sogar mit langwelligen Wärmebildkameras realisiert werden. Für zahlreiche Anwendungen (Erfassung der Temperatur dünner Folien, Erkennung von Gaslecks, spezielle Messungen durch Messfenster, z. B. durch ein Vakuumkammerfenster oder ein Ofenmessfenster) müssen jedoch die entsprechenden Wärmebildkameras für das jeweilige Material und darüber hinaus geeignete Infrarotfilter ausgewählt werden. Diese Aufgabe erfordert spezielles Wissen und Erfahrung, daher ist es ratsam, sie einem Fachmann zu überlassen, um teure Fehler zu vermeiden.

Bildwiederholfrequenz von Wärmebildkameras

Matrix-basierte Wärmebildkameras mit Mikrobolometern sind beispielsweise mit Bildwiederholfrequenzen von 9, 15, 30, 50, 60, 120 Hz oder sogar 240 Hz verfügbar - unabhängig davon, ob es sich um eine installierte oder tragbare (mobile) Wärmebildkamera handelt. Wesentlich höhere Bildwiederholfrequenzen von 850, sogar 6000 oder sogar 9000 Hz sind mit Fotodetektor-Wärmebildkameras möglich. Welche Bildwiederholfrequenz erforderlich ist, hängt von der Zeitkonstante der Temperaturänderung des zu messenden Objekts, der Bewegungsgeschwindigkeit oder sogar der Bewegungsgeschwindigkeit unserer Wärmebildkamera ab.

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

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