Produktionstrend 2015/09, Abschnitt Technische Diagnose

Moderne Wärmebildkameras aus fachlicher Sicht (VII)

"Live" Auswertung mit integrierter Software in Wärmebildkameras

In diesem Abschnitt präzisieren wir einige Punkte zur Kalibrierung von Wärmebildkameras und erläutern die Vorteile der Vor-Ort-Auswertungsfunktionen mobiler Wärmebildkameras im Detail.

Es besteht oft der Bedarf, dass die Wärmebildkamera auch "höhere" Temperaturen messen kann. Als wäre das eine schwierige Aufgabe! Aber das ist es nicht. Die meisten (auch die günstigsten) Wärmebildkameras messen mindestens bis 120 °C, aber es gibt auch eine beträchtliche Anzahl von Low-Cost- und Standard-Wärmebildkameras mit erweitertem Messbereich bis zu 200, 250 oder 350 °C. Viel interessanter ist die Frage, ab welcher Temperatur ihre Messfähigkeit beginnt, in welcher Auflösung (mit wie vielen Bit Digitalisierung) und in wie vielen wählbaren Messbereichen sie ihre gesamte Messfähigkeit abdecken. Denn nur mit all diesen aufgeführten Daten wird deutlich, wie leistungsfähig bzw. genau die jeweilige Wärmebildkamera ist. Die Digitalisierung der Temperaturwerte und die untere Grenze des Messbereichs der Wärmebildkamera waren Gegenstand der messtechnischen Schwierigkeiten in unserem vorherigen Abschnitt, nun setzen wir mit der oberen Grenze des Messbereichs fort.

Die Arbeit mit dem oberen Wert ist einfacher

Die obere Grenze des Messbereichs (höchster Bereich) von Wärmebildkameras ist messtechnisch viel einfacher, da bei hochtemperierten Objekten aufgrund der genannten Strahlungsgesetze reichlich erfassbare Strahlung vorhanden ist. Es muss nur sichergestellt werden, dass wir mit angemessen verkürzten Integrationszeiten und (in höheren Bereichen) der Verwendung geeigneter Blendeneinstellungen im linearen Detektionsbereich des Sensors bleiben (und natürlich nicht "verbrennen"). Bei Low-Cost-Wärmebildkameras werden anstelle interner Blenden Filter mit angemessener Dämpfung (mit ausreichend niedriger Durchlässigkeit) vor der Linse angebracht, um den Messbereich zu erweitern. Dies ist eine ausgesprochen kostengünstige Lösung, aber natürlich nicht besonders nützlich in Bezug auf die Messgenauigkeit.

Es gibt jedoch eine praktische technische Grenze für die Kalibrierung von wirklich hohen Temperaturen. Derzeit sind die heißesten, idealen Strahler (Schwarzkörper) für die Kalibrierung maximal 2000 °C bzw. 2500 °C, die bis zu 99,9999% genau sind. Eine Kalibrierung für noch höhere Temperaturen kann daher nur mit mathematischen Werkzeugen (Extrapolation) durchgeführt werden, was leider mit erheblichen Unsicherheiten verbunden ist.

Klare Informationen zur Kalibrierung

In den folgenden Abschnitten geben wir jedoch noch einige zusätzliche Informationen zur Kalibrierung von Wärmebildkameras und den Kalibrierbereichen, da bestimmte Begriffe oft irreführend verwendet werden.

1) Die Messbereiche von Wärmebildkameras (bzw. Kalibrierbereiche) beziehen sich immer auf die Strahlung eines Schwarzkörpers: Daher können aufgrund der in der Praxis vorkommenden Objekte mit einer Emissionsfähigkeit unter 100% auch höhere Temperaturen als die Messgrenze genau und ohne Gefahr für die Wärmebildkamera gemessen werden. Zum Beispiel gibt ein Strahler mit 50% Emissionsfähigkeit bei 150 °C nur so viel langwellige Strahlung ab wie ein idealer Strahler bei 100 °C. Und ein Strahler mit 25% Emissionsfähigkeit gibt bei 250 °C dieselbe Strahlung ab. (Anmerkung: Diese sind natürlich nur Annäherungswerte.)

2) Die nachträgliche und periodische Neukalibrierung von Wärmebildkameras mit neuen Objektiven (zusammen mit Korrekturen) kann nur vom (eigenen) Hersteller der Wärmebildkamera durchgeführt werden. Der Wärmebildkamerahersteller erstellt während der Kalibrierung eine pixelgenaue Kalibrierungsdatendatei, die in der Wärmebildkamera gespeichert wird und die bei der pixelgenauen Temperaturberechnung durch die Wärmebildkamera zur Korrektur der Eigenschaften von Sensor und Objektiv verwendet wird. Das damit verbundene Know-how wird jedoch von keinem Wärmebildkamerahersteller an Dritte weitergegeben.

3) Wenn nur die Dokumentation der Messfähigkeit angefordert wird, könnten dies auch andere Kalibrierlabore außer den Herstellern durchführen, sofern sie mit geeigneten (um eine Größenordnung genaueren als der Messgenauigkeit der Wärmebildkamera) Referenzstrahlern ausgestattet sind. Das Kalibrierlabor hätte jedoch eine enorm große Aufgabe, da es die Messgenauigkeit jedes einzelnen Pixels der Wärmebildkamera in allen Messbereichen der Wärmebildkamera bei ausreichend häufigen Temperaturen dokumentieren müsste. Im Vergleich zu dem von den Herstellern realisierten (genau dies beinhaltenden) automatisierten Kalibrierungsprozess wäre dies ein unglaublich langer und umfangreicher Arbeitsprozess, der wirtschaftlich nicht vertretbar wäre. Die Kalibrierung auf ein oder zwei "Referenztemperaturen" zu beschränken oder nur die Temperaturmessgenauigkeit des mittleren Pixels des Wärmebildes zu bestimmen, könnte höchstens als einpunktige Temperaturmesskontrolle bezeichnet werden, aber keinesfalls als Kalibrierung der Wärmebildkamera.

4) Die {{Kalibrierung}} von Wärmebildkameras ist überhaupt nicht existent. Einerseits sind Wärmebildkameras nicht in der Anlage des Gesetzes aufgeführt, die zu kalibrierenden Geräte umfasst, andererseits gibt es in Ungarn keine akkreditierte Einrichtung für die Kalibrierung von Wärmebildkameras. Daher kann niemand ohne akkreditierte Kalibrierung eine Kalibrierung durchführen. (Auch wenn das Gesetz dies vorschreiben würde.) Das Angebot oder die falsche Dokumentation der Verwendung einer kalibrierten Wärmebildkamera kann daher als irreführend für die Verbraucher angesehen werden, was vom Bürgerlichen Gesetzbuch bestraft wird.

Abbildung 1: Zusammenhang zwischen dem Messbereich und der Sensorcharakteristik [Quelle: Infratec]

Mobile Wärmebildkameras für die Vor-Ort-Auswertungsfunktionen

Bei der Thermografie - als "bildgebendes" berührungsloses Temperaturmessverfahren - werden zunächst die Messdaten (die digitalisierten Strahlungsintensitätswerte von jedem Pixel) gesammelt. Diese Werte müssen entweder sofort während der Messung (in der Wärmebildkamera) oder bei der späteren Auswertung entsprechend verarbeitet, mathematisch korrigiert (in Temperatur umgerechnet) und dann angezeigt werden. Je nach konkreter Messaufgabe variieren die Anforderungen an die Auswertung von Wärmebildern erheblich. Während in einigen Fällen die numerische Bestimmung der konkreten Temperatur eines einzelnen Bildpunkts (Messpunkts) ausreicht, sind in anderen Fällen die Korrektur des Emissionswerts jedes Pixels oder sogar die Aufnahme und Auswertung kompletter Bilderserien erforderlich, um die gewünschten Temperatur-Zusammenhänge oder -prozesse (z. B. in Form eines Temperatur-Zeit-Diagramms) zu bewerten.

Oftmals ist bereits während der Messung (auch in Echtzeit) eine Auswertung der Daten und die Darstellung als Temperaturwerte erforderlich. Die sogenannte Live-Auswertung ist praktisch ein Teil der Bediensoftware in den Wärmebildkameras oder deren integrierte Erweiterung, wodurch auch die Handhabung in den Betriebsablauf der Wärmebildkamera integriert wird. Unsere Tabelle 1 listet ohne Anspruch auf Vollständigkeit die in modernen (professionellen) Wärmebildkameras integrierten / integrierbaren "automatischen" Hilfsfunktionen und Echtzeit-Auswertungsmöglichkeiten auf.

Funktion	Erklärung
Autofokus	Fokussierung des Wärmebilds basierend auf dem steilsten Temperaturgradienten
Automatischer Messbereich	Einstellung des Mess- (Kalibrier-) Bereichs entsprechend der aktuellen Messung
Automatische Bildskalierung	Skalierung der Anzeige basierend auf den aktuellen gemessenen Min-/Max-Werten
Temperaturfarbskala	Anzeige von wählbaren Farb- und/oder Grauskalenwerten
Anzeige der Pixeltemperatur	Live-Anzeige der Temperatur des mittleren Pixels des Wärmebilds
Cursor-Temperaturanzeige	Live-Anzeige der Temperatur eines oder mehrerer beweglicher Cursor
Min-/Max-Temperaturanzeige	Anzeige des Orts und Werts des kältesten/wärmsten Pixels
Mehrfeld-Temperaturanzeige	Anzeige von Durchschnitts-, Spitzen- oder Minimalwerten für definierte Bereiche
Isothermenanzeige	Einfärbung von definierten Pixeln mit Temperaturbereich
Differenzbildanzeige	Darstellung von Temperaturunterschieden im Vergleich zu einem Referenz-Wärmebild
Wärmebildmittlung	Bildung des Durchschnitts mehrerer Wärmebilder (Rauschunterdrückung, Empfindlichkeitserhöhung)
Temperaturalarm	visueller/akustischer Alarm bei Unterschreiten/Überschreiten von Mindest- bzw. Höchsttemperaturen
Automatische Speicherung	automatische Messwert-Speicherung ausgelöst durch Temperaturwert
Composite-Bildanzeige	kontinuierliche (Live-) Überlagerung von visuellem Bild (Foto) und Wärmebild
Speicherung von Wärmebildsequenzen	Speicherung von Wärmekameradatenreihen in der Wärmebildkamera (ohne PC-Anschluss)
Digitale Tonaufzeichnung	Hinzufügen akustischer Kommentare zu den gespeicherten Wärmebilddaten
Verwaltung von GPS-Daten	Geografische Zuordnung von boden- und luftgestützten Wärmebildaufnahmen mit GPS-Daten
Fernsteuerbarkeit	Fernsteuerbarkeit der Wärmebildkamerafunktionen (mit oder ohne Kabel)

Je mehr solcher Funktionen in unserer Wärmebildkamera vorhanden sind, desto vielseitiger ist ihre Anwendbarkeit und desto bequemer und effizienter ist die Arbeit vor Ort. Unter den genannten Auswertungsmöglichkeiten möchten wir die temperaturabhängige Startaufzeichnung von Messungen hervorheben, die oft bei der Aufzeichnung unvorhergesehener thermischer Ereignisse sehr hilfreich ist. Für schnelle Prozesse ist die Funktion zur Aufzeichnung von Wärmebildsequenzen die Lösung, die den unschlagbaren Vorteil der Thermografie nutzt: Es ist möglich, thermische Prozesse, die in Bruchteilen von Sekunden ablaufen, aufzuzeichnen. Dank der in die Wärmebildkamera integrierten Komposit (von einigen Unternehmen auch als Fusion bezeichnet) Bildanzeige müssen keine separaten Fotos für die Dokumentation mehr aufgenommen und eingefügt werden, was eine erhebliche Zeitersparnis darstellt. Darüber hinaus lassen sich durch die Überlagerung von Wärmebild und Foto die Temperaturbeziehungen des Objekts grafisch am besten (und am leichtesten erkennbar) dokumentieren.

Abbildung 2: Komposit-Anzeige [Quelle: Infratec]

Spezielle thermografische Filter für Wärmebildkameras

Es gibt viele Messaufgaben, bei denen es nicht ausreicht, einfach nur eine Wärmebildkamera mit der richtigen spektralen Empfindlichkeit (Wellenlängenbereich) auszuwählen, sondern darüber hinaus sind spezielle Infrarot-Wellenlängenbereichsfilter erforderlich, um die gewünschte Objekttemperatur oder physikalische Phänomene zu erfassen. Je nach Wärmebildkameratyp und -ausführung müssen die Filter entweder extern (vor die Linse) platziert werden (wie z. B. CO2-Laserschutzfilter) oder in die im Inneren der Wärmebildkamera angebrachte Filterscheibe eingebaut werden, die die softwaregesteuerte Auswahl der Filter ermöglicht (besonders wichtig z. B. bei der Untersuchung von internen Komponenten von Glüh- und Lichtbogenquellen sowie Glas- oder Keramikisolatoren mittels Glasoberflächen- und Durchglasfiltern). In unserer 2. und 3. Tabelle sind nur einige der am häufigsten verwendeten Filter aufgeführt.

Typ	Wellenlänge	Funktion
BP	3,6–4 µm	Reduziert den Einfluss der Atmosphäre
HP	3,6 µm	Reduziert die Sonnenreflexion
NBP	2,3 µm	Messung durch Glas
NBP	5,0 µm	Messung auf Glasoberflächen
BP	3,7–4 µm	Messung durch Flammen
BO	3,9 µm	Erweiterung des Messbereichs
NBP	4,25 µm	Erkennung von Flammentemperaturen
NBP	4,25 µm	Spektrallinie von Polyethylen

Typ	Wellenlänge	Funktion
NBP	8,3 µm	Teflon-Spektrallinie
HP	7,5 µm	Ausschluss kürzerer Wellenlängen
NBP	10,6 µm	CO2-Laser-Schutzfilter

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

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