Produktionstrend 2015/10, Abschnitt Technische Diagnostik

Moderne Wärmebildkameras aus fachlicher Sicht (VIII)

Spezielle Thermografie-Filter für Wärmebildkameras

Es gibt viele Messaufgaben, bei denen es nicht ausreicht, einfach nur eine Wärmebildkamera mit der richtigen spektralen Empfindlichkeit (Wellenlängenbereich) auszuwählen, sondern auch spezielle Infrarot-Wellenlängenbereichsfilter zur Erfassung der zu messenden Objekttemperatur oder des physikalischen Phänomens erforderlich sind.

Je nach Wärmebildkameratyp und -ausführung müssen die Filter entweder außen (vor der Linse) platziert werden (wie z. B. CO2-Laserschutzfilter) oder in die im Inneren der Wärmebildkamera befindliche Filterwechselscheibe eingebaut werden, die die softwaregesteuerte Auswahl der Filter ermöglicht (besonders wichtig beispielsweise bei der Untersuchung der internen Komponenten von Glühfäden und Lichtbogenquellen sowie der Glas- oder Keramikgehäuse bei Glasoberflächen- und Durchglasfiltern).

Abbildung 1: Thermografie-Filter [Quelle: InfraTec]

Anwendungsbeispiele für Infrarotfilter

Messungen im Zusammenhang mit Glas

Messaufgaben im Zusammenhang mit Glas können als „klassisch“ bezeichnet werden. Egal, ob wir die genaue Oberflächentemperatur des Glases oder die Temperatur eines (hinter dem Glas befindlichen, heißeren) Objekts bestimmen möchten, wir benötigen eine Wärmebildkamera im mittleren Wellenlängenbereich. Dazu benötigen wir auch geeignete Filter, da andernfalls die durch das Glas hindurch eintreffende Strahlung mit der vom Glas selbst abgegebenen Strahlung addiert wird. Durch das Ausschließen von Strahlung unter 3,5 µm mit einem geeigneten Filter erfassen wir nur die Strahlung, die die Glasoberflächentemperatur repräsentiert. Mit einem anderen Filter, der Strahlung bis zu 3,5 µm durchlässt, können wir nur die durch das Glas hindurchtretende Strahlung erfassen, die proportional zur Temperatur des hinter dem Glas verborgenen Objekts ist.

Abbildung 2: Messung ohne Filter links, mit Durchglasfilter in der Mitte, mit Glasoberflächenfilter rechts [Quelle: InfraTec]

Messungen von brennenden Gasen

Praktisch alle Messaufgaben, bei denen die Temperatur brennender Gase oder die Temperatur von durch Verbrennungsprozesse erwärmten Objekten bestimmt werden soll, erfordern Filter (im letzteren Fall idealerweise ohne Einfluss der von den Flammen abgegebenen Strahlung). Während im ersten Fall neben einer Wärmebildkamera im mittleren Wellenlängenbereich ein schmalspuriger Filter mit 4,25 µm erforderlich ist, kann die letzte Aufgabe mit derselben Wärmebildkamera und einem 3,7–4 µm-Bandpassfilter oder einer langwelligen Wärmebildkamera (praktisch ohne Filter) gelöst werden.

Abbildung 3: Messung der Flammentemperatur [Quelle: InfraTec]

Messung von dünnen Kunststoffen

Unter den weiteren Messaufgaben, die ohne Filter ungenau oder überhaupt nicht gelöst werden können, möchten wir die Bestimmung der Temperatur sehr dünner Kunststoffe (Folien) hervorheben. Wenn wir wissen, welche Wellenlängen die Folie absorbieren kann, können wir gemäß dem Kirchhoffschen Gesetz auch feststellen, dass sie auf diesen Wellenlängen Strahlung abgibt, die mit ihrer eigenen Temperatur zusammenhängt. Durch die Verwendung eines Lochfilters, der genau auf diese Wellenlänge abgestimmt ist - z. B. 3,4 µm für Polyethylen - kann die Temperatur der Folie unabhängig davon bestimmt werden, welche Temperatur die Objekte im Hintergrund haben.

Abbildung 4: Transmissionsverhalten von Polyethylenfolie [Quelle: InfraTec]

Abbildung 5: Temperatur einer 50 µm dicken Polyethylenfolie [Quelle: InfraTec]

Messung von Solarzellen

Es ist auch ratsam, Filter zu verwenden, wenn wir die Inspektion von Solarzellen während des Betriebs durchführen möchten. Da diese Zellen nur bei Sonnenschein arbeiten, sollte die Messung natürlich bei Sonnenschein erfolgen. Währenddessen wird die Reflexion der Sonnenstrahlung auf ihrer Oberfläche sehr stark sein, was im Vergleich zur eigenen Temperatur der Solarzellen eine enorme (um Größenordnungen höhere) Energiemenge darstellt und somit unsere Messungen entsprechend beeinflussen wird. Um dies zu verhindern, bieten sowohl Mittel- als auch Langwellen-Wärmebildkameras spezielle - Sonnenreflexionsminderungsfilter - an.

Abb. 6: Inspektion der Solarzellen-Dachfläche [Quelle: PIM]

Messung mit Laser-Technologien

Vorsicht bei Laser-Technologien - z. B. Laser-Schneiden, -Schweißen oder -Löten! Einige Hersteller von Wärmebildkameras haben bereits eine Sammlung von Wärmebildkamera-Detektoren mit der Aufschrift I love You und freundlichen Verzierungen - obwohl die meisten Laser nicht mit den von Wärmebildkameras erfassten Wellenlängen arbeiten. Sie können jedoch die Detektoren von Wärmebildkameras beschädigen, da sie mit unglaublich hoher Energiedichte arbeiten. Die Eingangslinse und die Abdeckung (Deckbeschichtung) des Detektors einer Wärmebildkamera haben idealerweise eine nahezu 100%ige Durchlässigkeit für den Wellenlängenbereich des atmosphärischen Fensters, das der jeweiligen Wärmebildkamera entspricht, und ihre Transmission für andere Wellenlängen ist minimal - aber nicht null! Daher wird die "Rest" -Strahlungsintensität von hochenergetischen Lasern immer noch ausreichen, um die betroffenen Pixel des Detektors irreversibel zu beschädigen. Und das betrifft nicht nur den direkten Laserstrahl, sondern auch die von dem zu messenden Objekt reflektierten Laserstrahlen. Daher ist es ratsam, sogenannte Laser-Schutzfilter (Schutzfenster) zu verwenden. Dies gilt insbesondere für den CO2-Laser (10,6 µm), der genau in dem Wellenlängenbereich arbeitet, der von Langwellen-Wärmebildkameras erfasst wird.

Detektion von Gaslecks

Spezielle Filter sind auch für die Gasleck-Suche erforderlich, und zwar immer für die Wellenlänge des Gases, das detektiert werden soll. Daraus ergibt sich jedoch, dass Gase, deren Absorptionsband nicht in einen der Wellenlängenbereiche des atmosphärischen Fensters fällt, nicht nachweisbar sind. Diejenigen, deren spektrale Linien nur im mittleren Wellenlängenbereich des atmosphärischen Fensters zu finden sind, können nur mit idealen (Laborbedingungen) und sehr empfindlichen fotondetektorischen Wärmebildkameras nachgewiesen werden. Darüber hinaus gibt es einige Gase, die im langwelligen Bereich nachweisbar sind, aber trotz der besten Filter ist ihre Messung nur bei hohen Gas­konzentrationen vielversprechend. Die Suche nach Gaslecks ist um Größenordnungen kostengünstiger und tausendmal zuverlässiger mit Ultraschall-Detektion - auch bei blendendem Sonnenschein. Dies funktioniert auch bei Druckluftsystemen, was natürlich mit Thermografie grundsätzlich ausgeschlossen ist.

Abb. 7: CO2-Leckage [Quelle: InfraTec]

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

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