Produktionstrend 2015/06, Abschnitt Technische Diagnose

Moderne Wärmebildkameras aus fachlicher Sicht (V)

Darstellung umfangreicher Objekte auf einem einzigen Wärmebild

Mit geeigneter Software können statt stundenlanger manueller Wärmebildkorrektur und -montage in 5 Minuten sogar mehrere Dutzend Wärmebilder perfekt und automatisch zu einer einzigen, grenzenlos weiter auswertbaren Datei montiert werden.

Die thermografische Darstellung großer Objekte (z. B. Industrieanlagen, öffentliche Gebäude, große Maschinenstrukturen, Öfen) geht oft mit dem Anspruch einher, das gesamte Objekt auf einem einzigen thermografischen Bild betrachten zu können, um Zusammenhänge zwischen den Temperaturen des Objekts zu erkennen. Dies ist natürlich selbst bei Verwendung des Microscan-Verfahrens nur selten mit einem einzigen Bild möglich, da oft selbst bei einer geometrischen Auflösung von 3,15 Megapixeln nicht genug ist, und die örtlichen Bedingungen es meist nicht zulassen, ein umfangreiches Objekt von einem einzigen Standort aus in seiner Gesamtheit aufzunehmen.

Panoramabild, nachträgliche Wärmebildmontage

Panoramabild Wenn das betreffende Objekt horizontal ausgedehnt ist, bietet die Panoramabildfunktion bei mehreren Wärmebildkameratypen eine Lösung. Durch die Verwendung dieser Funktion können mehrere (überlappende) Wärmebilder hintereinander aufgenommen werden, indem die Wärmebildkamera horizontal gedreht oder verschoben wird, und die Software der Wärmebildkamera (oder die zugehörige PC-Software) fügt diese Bilder automatisch zu einem zusammenhängenden, langgestreckten Wärmebild zusammen. Natürlich hängt das Ergebnis der Montage von der Software ab, ob es nur eine zusammenhängende grafische Darstellung (die nur ein schönes farbiges Bild ist und daher nicht korrigiert oder weiter ausgewertet werden kann) oder sogar eine weitere (größere) Wärmebilddatei ist, die mit der thermografischen Auswertungssoftware genauso korrigiert, verarbeitet und ausgewertet werden kann wie die ursprünglichen individuellen Dateien. Natürlich stellt letzteres die eigentliche Lösung dar. Die Einschränkung des Verfahrens besteht darin, dass es nur eine horizontale Bildreihe verarbeiten kann.

Zweidimensionale (automatische) Wärmebildmontage Die Montage von gespeicherten Wärmebildern ist insbesondere bei umfangreichen Objekten oft erforderlich, wobei die horizontale (Panorama-) Bildgebung typischerweise nicht ausreicht. Wenn jedoch nicht nur horizontal, sondern auch vertikal mehrere Wärmebilder montiert werden müssen, steigt die Anzahl der insgesamt zu verarbeitenden Wärmebilder explosionsartig an - und damit natürlich auch die für den Arbeitsablauf erforderliche Zeit. Es bedarf keiner ausführlichen Erklärung, wie viel Hilfe eine Software in solchen Fällen bieten kann, die die automatische Montage von Wärmebildern durchführt. Insbesondere wenn das Ergebnis der Montage der gespeicherten Wärmebilder eine größere pixelbasierte, aber grenzenlos auswertbare Wärmebilddatei ist (also nicht nur ein grafisches Bild).

Abbildung 1: 7 x 8 (also 56!) individuelle 1,23-Megapixel-Wärmebilder zu einem A2 (Wandkalender)-formatierten Wärmebild montiert [Quelle: PIM] (Das Gitter zeigt die Anordnung der Wärmebilder, die hellen Flächen zeigen die Größe der Original-Wärmebilder an / angewendete Überlappung >40%/)

Natürlich erfordert eine solche automatische Montage bestimmte Bedingungen: Die Wärmebilder müssen eine angemessene Überlappung aufweisen, ihre Aufnahme muss aus dem gleichen Beobachtungswinkel und in derselben Entfernung erfolgen. Darüber hinaus sind einheitliche Messbedingungen und die gleichen Kameraeinstellungen obligatorisch. Dies erfordert sehr hohe Disziplin und präzise Arbeit vor Ort, aber die Einhaltung zahlt sich mehrfach aus. Zum Beispiel kann mit der Software IRBIS3 Mosaik der Firma Infratec anstelle stundenlanger manueller Wärmebildkorrektur und -montage in 5 Minuten sogar mehrere Dutzend Wärmebilder perfekt und automatisch zu einer einzigen, grenzenlos weiter auswertbaren Datei montiert werden.

Unter den besonderen Fähigkeiten der genannten Software sind insbesondere die Anpassung der Temperaturskalierung der Wärmebilder aneinander, die Korrektur der optischen (perspektivischen) Verzerrung der Wärmebilder und die Verwendung mehrerer (wählbarer) mathematischer Methoden zur Anpassung der Wärmebilddaten aneinander hervorzuheben.

Thermografische Objektive, Vorsatzlinsen

Das Wichtigste: Thermografische Linsen dürfen nicht aus Glas, sondern nur aus Materialien hergestellt werden, die dem Wellenlängenbereich der Wärmebildkameras entsprechen. Es ist also nicht möglich, eine Wärmebildkamera zu kaufen und dann eine optische Mikroskoplinse davor zu setzen, nur weil wir gerade sehr kleine Objekte messen möchten. Aber auch die Linse einer langwelligen Wärmebildkamera kann nicht vor eine mittelwellige Wärmebildkamera gesetzt werden (und umgekehrt), da wir in beiden Fällen feststellen würden, dass keine Strahlung gemessen werden kann. Bei langwelligen Wärmebildkameras besteht das Linsenmaterial typischerweise aus Germanium, das oft mit einer speziellen Antireflexbeschichtung versehen ist, um Transmissionswerte von über 99 Prozent zu erreichen. (Daher sollten Verschmutzungen auf den Optiken nicht mit Chemikalien oder abrasiven Reinigungsmitteln entfernt werden!)

Allerdings, wenn wir über die Objektive von Wärmebildkameras sprechen, können wir nicht umhin, einen grundlegenden Unterschied zwischen den kostengünstigen (sogenannten Low-Cost) und den professionellen Geräten zu machen. Während bei ersteren in der Regel eine möglichst kleine (und damit kostengünstige), in der Regel fest eingebaute Linse - möglicherweise nicht einmal auf Germanium basierend - charakteristisch ist, verfügen die professionellen Geräte über große Objektive und bieten in der Regel auch die Möglichkeit, das Objektiv je nach Bedarf auszutauschen. Es ist anzumerken, dass es bereits seit einigen Jahren kostengünstige Geräte mit austauschbaren Objektiven gibt. Warum sind also große Linsen und Austauschbarkeit gut?

Abbildung 2: Thermografie-Objektive [Quelle: Infratec]

Der Einfluss des Linsendurchmessers auf die Messfähigkeiten

Je größer der Durchmesser einer optischen Linse einer Wärmebildkamera (genauer gesagt ihre Blende) ist, desto mehr Strahlungsenergie gelangt auf die Oberfläche des Wärmesensors. Das Maß für die Helligkeit des optischen Systems (hier die Intensität der übertragenen Infrarotstrahlung) ist die Blendenzahl, die das Verhältnis der Brennweite zur Blende des Linsendurchmessers ist. Logischerweise führt eine kleinere Blendenzahl zu einem größeren Linsendurchmesser und damit zu einer höheren Energiezufuhr zum Sensor, was natürlich eine höhere Empfindlichkeit und Genauigkeit zur Folge hat. Aber Vorsicht: Je größer der Linsendurchmesser ist, desto mehr weicht das Modell des idealen optischen Systems, der Gauss'schen Optik, ab. Dadurch treten Abbildungsfehler (z. B. Bildverzerrungen) verstärkt auf, die nur mit immer anspruchsvolleren Linsenformen ausgeglichen werden können.

Wenn wir die obigen Aussagen mit einigen Zahlen untermauern wollen, vergleichen wir die verbreitetsten Mikrobolometer-Wärmebildkameras. Die kleinen Objektive von Low-Cost-Wärmebildkameras ermöglichen eine Empfindlichkeit von höchstens 100 mK bei einer Bildwiederholrate von 50 Hz, um eine bessere thermische Auflösung (z. B. 80 oder 60 mK) zu erreichen, muss die Integrationszeit erhöht werden - dh die Bildwiederholfrequenz auf 30, 25 oder sogar nur 9 Hz reduziert werden. Die großen Objektive von professionellen Wärmebildkameras ermöglichen je nach "Wissen" der Wärmebildkamera eine thermische Auflösung von 50 Hz oder sogar 240 Hz bei einer Bildwiederholrate von 50 oder sogar 30 mK. Natürlich bedeutet es nicht, dass das Objektiv einer Low-Cost-Wärmebildkamera höchstens einige Hunderttausend Forint kostet, während die Preise für thermografische Optiken bei professionellen Geräten über einer Million Forint liegen.

Die Notwendigkeit und Auswahl von Austauschobjektiven

Bei thermografischen Messungen ist neben der für die Bewertung erforderlichen Beobachtungsfeldgröße die Bereitstellung einer geometrischen Auflösung unerlässlich, die für eine korrekte Temperaturerfassung erforderlich ist. Zum Beispiel ermöglicht ein „Standard“-Objektiv mit einer geometrischen Auflösung von 2 mrad die Erfassung von Temperaturen von Objekten (oder Objektdetails) mit einer Mindestgröße von 30 mm aus einer Entfernung von 5 m. Um kleinere Objekte zu messen, muss entweder eine geringere Messentfernung oder eine andere Optik gewählt werden. (Übrigens kann eine thermografische Aufnahme die Temperatur eines kleinen Objekts, das uns interessiert, nicht nachweisen.) Wir tauschen also das zuvor genannte „Standard“-Objektiv gegen ein Teleobjektiv aus, wodurch wir bei einer geometrischen Auflösung von 1 mrad auch die Temperaturen von 15 mm großen Objekten aus einer Entfernung von 5 m messen können. (Anmerkung: Der in Wärmebildkameras eingebaute Zoom ist nur eine digitale Vergrößerung, die das oben genannte Problem nicht löst - im Gegenteil, wir schließen dabei einen Großteil der teuer erworbenen Wärmepixel von unserer Messung aus. Verwenden Sie es also niemals!)

Vor allem bei professionellen Wärmebildkameras gibt es eine große Auswahl an Austauschobjektiven, die oft nicht mit einem Gewinde, sondern mit einem Bajonettverschluss für einen einfachen Austausch am Wärmebildkamera verbunden sind. Diese Linsen verfügen idealerweise auch über eine elektronische Codierung, damit die Wärmebildkamera automatisch erkennt, mit welchem Objektiv wir arbeiten, und automatisch die Kalibrierungsdatendatei für das entsprechende Objektiv lädt. Letzteres ist erforderlich, da die Kalibrierung jeder Wärmebildkamera immer zusammen mit dem installierten Objektiv erfolgt, um die gemeinsame Bestimmung und Korrektur der Charakteristika der Linse und der Wärmebildkamera zu ermöglichen. Wenn wir also das Objektiv austauschen, ist eine andere Kalibrierungsdatendatei zur Korrektur der Strahlungserfassung erforderlich. (Daraus folgt natürlich, dass der nachträgliche Kauf eines Objektivs eine erneute werkseitige Kalibrierung der Wärmebildkamera erfordert. Ebenso können selbst bei identischen Wärmebildkameras nicht "straflos" „gleiche“ Objektive ausgetauscht werden.)

Abbildung 3: Erreichbare Wärmebildauflösung bei Verwendung eines Teleobjektivs [Quelle: InfraTec]

Zusätzliche Anmerkung: Leider gibt es keine Zoomobjektive für Wärmebildkameras zur Temperaturmessung. Einerseits liegt der Grund dafür in den beträchtlichen Kosten solcher Objektive, aber das eigentliche Ausschlusskriterium ist der Kalibrierungsbedarf der Wärmebildkamera: Da bei einem Zoomobjektiv die virtuelle Blendenöffnung bei jeder Vergrößerungseinstellung unterschiedlich groß ist, wäre für jede mögliche (kontinuierliche Zoom = unendlich viele) Einstellung eine separate Kalibrierung erforderlich.

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

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