Sensortypen, Bildwiederholfrequenzen, Detektor-Auslesung, Detektor-Kühlung
Die thermografischen Geräte (Infrarotkameras mit thermometrischen Fähigkeiten) für berührungslose Temperaturmessungen haben in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung durchlaufen. Wenn man bedenkt, dass diese Geräte erst vor 50 Jahren auf den Markt kamen, heute aber zu einem der bekanntesten und vielseitigsten Prüfgeräte herangewachsen sind, sollte man sich nicht über die Vielfalt des Angebots (Hersteller, Typen) wundern. Für einen Kunden, der den Kauf einer Wärmebildkamera plant, ist es daher nicht mehr der Mangel an Typen, die seinen Anforderungen entsprechen, sondern die Unübersichtlichkeit des riesigen Angebots. Es ist also an der Zeit, die Entwicklung und Typen dieser Instrumente fachlich zu überblicken und ihr aktuelles Angebot anhand einiger wichtiger technischer Parameter zu ordnen. Denn: Die in den Kameras implementierte Messtechnologie und die verfügbaren Zubehörteile bestimmen den Anwendungsbereich des Geräts sowie die erwartete Messgenauigkeit und die erreichbare Bildqualität.
Abtastende Wärmebildkameras - die "verschwundene" Spitzen technologie der Anfänge
Die ersten kommerziell erhältlichen (zivilen) Wärmebildkameras für Temperaturmessungen wurden hauptsächlich in einer abtastenden Bauweise hergestellt. Diese verwenden nur einen einzigen („Punkt“-)Detektor zur Umwandlung der Infrarotstrahlung und tasten das zu messende Objekt mit einem mechanischen (Spiegel- oder Linsen-)System ab. Da dieses Bildgebungskonzept einen Hochgeschwindigkeits-(Photonen-)Detektor und eine hochpräzise Mechanik erfordert, ist die Herstellung recht teuer, erfordert Kühlung und aufgrund der mechanischen Komponenten eine begrenzte Lebensdauer. Dennoch hat es einen großen Vorteil gegenüber allen anderen Methoden: Jedes Signal für jeden Bildpunkt wird vom selben Detektor erfasst. Dadurch entstehen die Daten für jedes Bildpunkt unter perfekt gleichen Bedingungen, was zu einer sehr guten Bildhomogenität (und einer thermischen Bildauflösung von bis zu 10mK) führt. Die Langsamkeit der Bildgebung (typischerweise nur ein Bild pro Sekunde) und die zuvor genannten Nachteile haben dazu geführt, dass diese Wärmebildkameratechnologie höchstens noch als Gebrauchtgerät verfügbar ist.
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Abbildung: Prinzipieller Aufbau abtastender Wärmebildkameras [Quelle: Infratec] (1 Detektor, 2+5 Objektive, 3 horizontale Ablenkspiegel, 4 vertikale Ablenkspiegel, 6 Objekt, 7 Messfläche) |
Matrixdetektor-Wärmebildkameras - die "verbreitete" Struktur heutiger Wärmebildkameras
Bei Matrixdetektor-Wärmebildkameras werden mehrere tausend einzelne Sensoren matrixartig "gleichzeitig" zur Erfassung der zu messenden Wärmestrahlung verwendet, 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 ein individuelles Signal umwandelt, dessen Charakteristik zwar sehr ähnlich, aber messbar unterschiedlich zum Nachbarn sein kann. Die Kompensation der fehlenden Übereinstimmung erfordert eine erhebliche Menge an Echtzeit-Bildverarbeitung, aber selbst damit kann nicht die Bildhomogenität von abtastenden Systemen erreicht werden. Da jedoch moderne Matrixdetektor-Wärmebildkameras - je nach angewandter Sensortechnologie - jetzt eine thermische Auflösung von 30mK (oder sogar 20mK) erreichen können, was für die meisten Anwendungen ausreicht, wurde die Produktion von abtastenden Wärmebildkameras eingestellt.
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| Abbildung: Prinzipieller Aufbau von Matrixdetektor-Wärmebildkameras [Quelle: Infratec] (1 Detektor, 2 Objektiv, 3 Objekt) |
Die Sensoren moderner Matrixdetektor-Wärmebildkameras
Grundsätzlich unterscheiden wir zwei Grundtypen - die thermischen Sensoren und die Photonendetektoren. Die thermischen Typen basieren darauf, dass sie sich durch die Einwirkung der Infrarotstrahlung (Energie elektromagnetischer Wellen) erwärmen und dadurch eine ihrer physikalischen (elektrischen) Eigenschaften verändern, aus der das erforderliche elektrische Signal "extrahiert" werden kann. Photonendetektoren hingegen geben ein elektrisches Signal ab, das proportional zur Anzahl der Photonen ist, erfordern jedoch eine Kühlung auf tiefe Temperaturen (-150°C ... - 200°C) für ihren Betrieb. (Ohne Kühlung würde die ungeordnete Elektronenbewegung die Entstehung des zu nutzenden physikalischen Effekts verhindern.) Grundlegende Sensortechnologien
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| Abbildung: Funktionsweise thermischer Detektoren [Quelle: PIM] |
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| Abbildung: Schematische Struktur eines Mikrobolometers [Quelle: Infratec] |
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| Abbildung: Aufbau und Funktionsweise von Fotondetektoren [Quelle: PIM] |
Es gibt verschiedene Sensoren für jede Sensortechnologie, je nach Wellenlängenbereich und abhängig vom verwendeten Material. Aufgrund ihrer geringen thermischen Empfindlichkeit können Bolometer / Mikrobolometer nur für den langwelligen Wellenlängenbereich hergestellt werden. (Nur in diesem Bereich kann mit ausreichend hoher Strahlungsintensität gerechnet werden.) Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die technischen Möglichkeiten.
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| Abbildung: Wellenlängenbereiche der Infrarotsensoren je nach Material der Sensoren [Quelle: Infratec] |
Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass der Wellenlängenbereich des Sensors (spektrale Empfindlichkeit) in hohem Maße die Anwendungsbereiche der Wärmebildkamera beeinflusst. (Zur Erinnerung: Aufgrund der Übertragungseigenschaften der Atmosphäre sind für Wärmebildkameras verschiedene - begrenzte - Wellenlängenbereiche erforderlich. Aufgrund der sogenannten atmosphärischen Fenster werden kurzwellige, mittel- und langwellige Wärmebildkameras hergestellt.) Während mit mittelwelligen 3 ... 5 µm-Wärmebildkameras die Temperaturen von niedrigen Temperaturen (z. B. -80°C) nicht gemessen werden können, ist es mit langwelligen 7,5 ...14 µm-Wärmebildkameras unmöglich, z. B. die Wärmestrahlung von Objekten hinter Glas zu erfassen.
Es gibt auch weitere Anwendungsbeschränkungen im Zusammenhang mit großen (mehrere hundert Meter) Messabständen: Diese können nur mit langwelligen Wärmebildkameras realisiert werden. Auf der anderen Seite kann die Erfassung der Flammentemperatur von Verbrennungsprozessen in den meisten Fällen nur mit mittelwelligen Wärmebildkameras erfolgen, aber die umgekehrte Aufgabe - die Erfassung der Objekttemperaturen durch die Flamme ohne Erfassung der Flammentemperatur - kann sogar mit langwelligen Wärmebildkameras realisiert werden. Für viele Anwendungen (Erfassung von Temperaturen dünner Folien, Erkennung von Gaslecks, Messungen durch spezielle Messfenster wie z. B. an Vakuumkammerfenstern, Ofenmessfenstern) müssen je nach Material des Objekts sowohl die geeignete Wellenlängenbereich-Wärmebildkamera als auch geeignete Infrarotfilter ausgewählt werden. Diese Aufgabe erfordert spezielles Wissen und Erfahrung, um teure Fehler zu vermeiden, daher ist es ratsam, sie einem Fachmann zu überlassen.
Bildwiederholfrequenz von Wärmebildkameras (Bildwiederholrate)
Wärmebildkameras mit einem Matrixsensor basierend auf einem Mikrobolometer sind beispielsweise mit Bildwiederholraten von 9, 15, 30, 50, 60, 120 Hz oder sogar 240 Hz erhältlich - unabhängig davon, ob es sich um stationäre oder tragbare (mobile) Wärmebildkameras handelt. Mit fotondetektorbasierten Wärmebildkameras sind deutlich höhere - 850, sogar 6000 oder sogar 9000 Hz - Bildwiederholraten (genauer gesagt thermische Bildmessfrequenzen) möglich. Welche Bildwiederholrate erforderlich ist, hängt von der Temperaturänderungszeit des zu messenden Objekts ab, von der Bewegungsgeschwindigkeit oder sogar von der Bewegungsgeschwindigkeit unserer Wärmebildkamera. Die Temperaturänderungszeit des zu messenden Objekts (Änderungsgeschwindigkeit) - oder wissenschaftlicher ausgedrückt: die Frequenz des Temperaturprozesses - stellt aufgrund des Betriebsprinzips der Wärmebildkameras eine ernsthafte Anforderung dar: Wärmebildkameras (wie jedes digitale Signalverarbeitungsmesssystem) müssen nämlich auch dem Abtasttheorem - dem Shannon-Theorem - entsprechen. Das Shannon-Theorem verlangt, dass die Probenahme der höchsten Frequenzkomponente des zu messenden Prozesses mindestens mit dem Zweifachen ihrer Frequenz erfolgen muss, um die für die Signaldigitalisierung erforderlichen Proben zu erhalten.Wenn dieses Gesetz nicht eingehalten wird, tritt das sogenannte Untermustern auf, was beispielsweise bei periodischen Temperaturschwankungen dazu führen würde, dass die zeitliche Veränderung des festgelegten Temperaturprozesses scheinbar nur wesentlich langsamer (bei niedrigerer Frequenz) erfolgt als der tatsächliche Prozess (siehe auch das folgende Diagramm). Dies würde in vielen Fällen zu völlig falschen Schlussfolgerungen führen!
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| Abbildung: Untermusterungsfehler bei Verletzung des Shannon-Gesetzes [Quelle: PIM] |
Basierend auf dem Vorstehenden ist daher bei jeder Aufgabe die Bildwiederholfrequenz der Wärmebildkamera kritisch, wenn Temperaturänderungen untersucht werden sollen. Wenn die aufzuzeichnende Änderung eine Periode von 1/10 Sekunden hat, sind mindestens 20 Hz (besser 25 Hz) Bildwiederholrate erforderlich. Bei Leistungselektronikgeräten treten oft Erwärmungen mit einer Frequenz von bis zu 300 Hz auf, für deren Aufzeichnung eine Bildwiederholfrequenz von über 600 Hz erforderlich ist (was nur mit Photonendetektor-Wärmebildkameras möglich ist)! Weitere Beispiele für die Notwendigkeit extrem schneller Photonendetektor-Wärmebildkameras sind die Erkennung von Werkzeug- und Werkstückerwärmungen in der Zerspanungstechnologie, die Beobachtung der Oberflächentemperaturen von Auto-Airbags, die Untersuchung von Temperaturen bei pyrotechnischen Prozessen oder die Untersuchung von stoßartigen mechanischen Einwirkungen...
Die vorherige Aufzählung könnte noch lange fortgesetzt werden, aber dies sollte nicht zu dem irrtümlichen Schluss führen, dass bei langsamen (oder sogar stationären) thermischen Prozessen die Bildwiederholfrequenz der Wärmebildkamera auch ein kritischer Parameter für die Durchführbarkeit der Messung sein könnte. Denn auch bei bewegten Messobjekten oder einer bewegten Wärmebildkamera ist es wichtig, dass die Wärmebildkamera schnell genug ist. Bei Mikrobolometer-Wärmebildkameras begrenzt die Integrationszeit, die ihre Bildwiederholfrequenz bestimmt, wie schnell sich Objekte noch korrekt erfassen lassen. Die maximale Bewegungsgeschwindigkeit ist diejenige, bei der während der Integrationszeit die Oberfläche eines Objekts, die von einem einzelnen Detektor erfasst wird, sich bereits so weit in Richtung der Bewegung erstreckt hat, dass diese Erfassungsfläche während der Integrationszeit vom Objekt "abläuft".
Beispiel: Wenn wir ein 15 mm breites Objekt mit einer 30 Hz Bildwiederholrate (typischerweise mit einer Integrationszeit von ca. 25 ms) und einer geometrischen Auflösung von 2 mrad aus einer Entfernung von 1 m erfassen möchten, kann die maximale Geschwindigkeit zwischen der Wärmebildkamera und dem Objekt (parallel zur Objektoberfläche) wie folgt berechnet werden: 2 mm + 25 ms * x m/s < 15 mm, wobei x die maximale Bewegungsgeschwindigkeit ist. Basierend auf dieser Gleichung beträgt die maximale Bewegungsgeschwindigkeit 0,52 m/s oder nur 1,87 km/h.
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| Abbildung: Verwischung des Wärmebildes aufgrund schneller Objektbewegung - Vergrößerung der Beine in Bewegung [Quelle: PIM] (langsam bewegter Körper + linker Fuß am Boden --> scharf, Hände und rechter Fuß in schneller Bewegung --> verwischt) |
Es gibt ernsthafte Probleme, wenn wir detaillierte Wärmebilder oder sogar Messungen über größere Entfernungen mit einer handgehaltenen Wärmebildkamera erstellen möchten. Es ist bekannt, dass ein erfahrener - ruhiger - Fotograf auch bei einer Verschlussgeschwindigkeit von 1/60 in der Lage ist, verwacklungsfreie Fotos zu machen (ohne Stativ), während eine "Amateur"-zitternde Hand gelegentlich verwackelte Bilder bei einer Verschlussgeschwindigkeit von 1/125 erzeugen kann. Diese Verschlusszeiten entsprechen einer Erfassungszeit von 17 ms bzw. 8 ms. Welche Geschicklichkeit ist also erforderlich, um mit einer handgehaltenen Wärmebildkamera mit 30 Hz oder sogar nur 15 bzw. 9 Hz verwacklungsfreie Wärmebilder aufzunehmen! Dafür müssten wir die Wärmebildkamera möglicherweise 30 ... 40 ms lang ruhig halten, was praktisch unmöglich ist. Mit anderen Worten: Nur mit Wärmebildkameras, deren Integrationszeit kürzer als 15 ms ist, können sicher verwacklungsfreie Wärmebilder aufgenommen werden. Dies wird in der Regel nur von 50 Hz und noch schnelleren Wärmebildkameras gewährleistet, langsamere Wärmebildkameras sind für Aufnahmen ohne Stativ ungeeignet.
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| Abbildung: Verwischung des Wärmebildes aufgrund von Kameraverwacklungen (z. B. Handzittern) [Quelle: PIM] |
Detektor-Ausleseverfahren
Bei beweglichen oder rotierenden Objekten bzw. einer Wärmebildkamera, die sich relativ zum Objekt bewegt, hängt die messtechnische Anwendbarkeit der Wärmebildkameras nicht nur von der zuvor diskutierten Bildwiederholfrequenz ab, sondern auch von der Art des Pixel-Daten-Auslesens. Es gibt zwei übliche Realisierungsarten: das zeilenweise Auslesen (anwendbar auch bei thermischen und Fotodetektoren) sowie das sogenannte „Snap-Shot“-Auslesen. Letzteres ist ausschließlich für bestimmte Fotodetektoren mit speziellen Eigenschaften geeignet, da die Langsamkeit thermischer Detektoren (z. B. Mikrobolometer) (Integrationszeit von 6 ... 20 ms) die Anwendung dieser Technologie völlig sinnlos macht. Zeilenweises Auslesen: Wenn wir von einem durchschnittlichen 320x240 Pixel-Matrixsensor ausgehen, entspricht dies 78.600 individuellen Sensoren. Es liegt auf der Hand, dass es nicht sinnvoll ist, zur Digitalisierung des analogen elektrischen Ausgangssignals pro Pixel dieselbe Anzahl von Abtast- und AD-Wandlern zu verwenden (aufgrund von Platz- und Energiebedarf sowie Kosten). Daher verwenden wir nur einen einzigen Satz von 240 Abtast- und AD-Wandlern, der einer einzigen Zeile des Sensors entspricht, um die 320 Zeilen des Sensors nacheinander (einzeln weitergeschaltet) auszulesen. Dazu setzen wir zunächst die „Signale“ der Sensoren in der ersten Zeile zurück und starten ihre Mess- (Integrations-)Zeit, dann wiederholen wir dies etwas später mit den folgenden Zeilen. In der Zwischenzeit läuft die Integrationszeit der Sensoren der ersten Zeile ab, so dass wir die Messdaten dieser auslesen können. Dann wiederholen wir dies einzeln mit den restlichen Zeilen, bis wir zur letzten Zeile gelangen. Währenddessen wurde bereits die Integrationszeit der ersten Zeilen für den nächsten „Auslese“-Zyklus neu gestartet. Dieser Kreislauf kann praktisch so beschrieben werden, als ob die Sensoren kontinuierlich integrieren und wir dies nur durch Unterbrechungen mit einem Auslesen und Zurücksetzen zeilenweise unterbrechen.
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| Abbildung: Zeitdiagramm für zeilenweises Auslesen [Quelle: PIM] |
Die Konsequenz des zeilenweisen Auslesens ist, dass die Darstellung von bewegten Objekten verzerrt wird, wie in der folgenden Abbildung veranschaulicht. (Je schneller die Bewegung, desto größer die Verzerrung.) Der Grund dafür ist, dass die zeilenweisen Messdaten nicht gleichzeitig, sondern nacheinander „erzeugt“ wurden - ähnlich wie bei einem Multiplex-Mehrkanal-Messsystem.
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| Abbildung: Verzerrung der Darstellung bewegter Objekte durch zeilenweises Auslesen [Quelle: PIM] |
„Snap-Shot“-Technologie
Das Problem der Erfassung von bewegten oder rotierenden Objekten kann mit der „Snap-Shot“-Technologie gelöst werden. Die Anwendung dieser Technologie macht jedoch nur bei ausreichend schnellen (Integrationszeit von nur 10 µs) Fotodetektoren Sinn. Im Vergleich dazu würde bei um Größenordnungen langsameren thermischen Sensoren (z. B. Mikrobolometer) die Abbildung von bewegten Objekten ohnehin verschwimmen (aufgrund der langen Integrationszeit). Fotodetektoren mit „Snap-Shot“-Fähigkeit führen die Messung (Signalintegration) an jedem einzelnen Pixel gleichzeitig durch, und die gemessenen Werte an den Pixeln werden dann gleichzeitig „eingefroren“. Anschließend erfolgt - wie beim zeilenweisen Auslesen - das Auslesen und die A/D-Wandlung der Werte zeilenweise. Daher verwenden wir auch hier nicht Tausende von Auslese-Digitalisierungs-Schaltungen, sondern nur so viele wie für das Auslesen einer Zeile erforderlich sind. Dennoch verzerren wir nicht die Abbildung bewegter Objekte, da alle von den einzelnen Sensoren gemessenen Signale aus demselben Zeitpunkt stammen. In Bezug auf die Messtechnik handelt es sich hier also um ein simultanes Abtastsystem.
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| Abbildung: Zeitdiagramm der „Snap-Shot“-Technologie (grau = eingefrorener Wert) [Quelle: PIM] |
Mit der „Snap-Shot“-Technologie ausgestatteten modernsten Wärmebildkameras können derzeit bis zu 450 Bilder mit einer Auflösung von 320x256 Pixel pro Sekunde aufgenommen werden. Die Zeit, die für die zeilenweise fortschreitende Auslesung im Zeitdiagramm benötigt wird, kann mit der Integrationszeit der Fotodetektoren verglichen werden und diese sogar überschreiten. Die maximale Bildauslesefrequenz wird daher hauptsächlich durch die Auslesung begrenzt. Um dies zu umgehen und eine noch schnellere Bildaufnahme zu erreichen, können sogenannte SubFrame-Teilbilder verarbeitet werden, was leider dazu führt, dass aufgrund weniger Bildpunkte weniger Details dargestellt werden können. Spezielle Wärmebildkameras mit dieser Bildverarbeitungstechnologie können bis zu 4500 Bilder pro Sekunde mit einer Auflösung von 160x128 Pixel aufnehmen. Hinweis: Der Detektor führt weiterhin die Signalintegration und die Werteerfassung gleichzeitig an allen Pixeln durch. Lediglich die Auslesung und Digitalisierung wurden auf den ausgewählten Bereich beschränkt.
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| Abbildung: Beispiele für SubFrame-Lösungen bei „Snap-Shot“-Technologie [Quelle: PIM] |
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| Abbildung: Lüfter-Wärmebild - links: Mikrobolometer mit zeilenweiser Auslesung, rechts: Fotodetektor mit „Snap-Shot“-Verfahren [Quelle: InfraTec] |
Kühlsysteme für Fotodetektoren
Heutzutage sind viele ungekühlte thermische Detektoren (z. B. Mikrobolometer) für Langwellen-Wärmebildkameras erhältlich. Die genauesten und schnellsten Messfähigkeiten sowie Kurz- und Mittelwellen-Wärmebildkameras können jedoch nur mit Fotodetektoren hergestellt werden - und diese ausschließlich mit Kühlung. Zur Sicherstellung ihrer Kühlung haben sich heute hochzuverlässige Miniatur-Kompressor-Kühlsysteme (Stirling-Kühler) anstelle von flüssigem Stickstoff durchgesetzt. Bei einigen Detektortypen besteht die zusätzliche Möglichkeit, die thermoelektrische (Peltier-)Kühlung anzuwenden, obwohl damit nicht so niedrige Temperaturen erreicht werden können (was die Auswahl an Detektorausführungen und -materialien einschränkt). Stirling-Kühlung Die Stirling-Kühlung basiert auf dem Carnot'schen thermischen Kreisprozess, bei dem ein Gas (Helium) komprimiert wird (wodurch das Gas erwärmt wird), dann durch Wärmeabgabe an die Umgebung abkühlt. Während der folgenden Expansion in einem anderen Zylinder kühlt das Gas auf sehr niedrige Temperaturen ab und ist somit in der Lage, Wärmeenergie aus der Umgebung (in unserem Fall vom Detektor) aufzunehmen. Dieser gesamte geschlossene Kreisprozess findet statt. In Wärmebildkameras ermöglicht ein Zwei-Kolben-Mikrokompressor, dass die Wärmebildkameras in jeder Position eingesetzt werden können, und nicht nur die Funktion der Detektoren, sondern auch die Messzuverlässigkeit und -genauigkeit in einem breiten Betriebstemperaturbereich gewährleistet werden kann (bei recht guter Effizienz). Der Nachteil ist jedoch, dass diese Kühler-Kompressoren eine nicht zu vernachlässigende Größe und Gewicht haben, weshalb leichte und kompakte Wärmebildkameras mit dieser Technologie nicht hergestellt werden können. Ein noch größeres Problem (insbesondere bei kontinuierlichen Anwendungen) ist jedoch, dass die Stirling-Kühler ein mechanisches System sind, das eine begrenzte Lebensdauer hat. Bei den modernsten Geräten kann diese Grenze bis zu 8000 - neuerdings 12000 - Betriebsstunden erreichen (wartungsfrei!).
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| Abbildung: Stirling-Kühler-Prinzip und ein Stirling-Kühler selbst [Quelle: InfraTec] |
Peltier-Element-Kühlung
Die Peltier-Element-Kühlung (auch als thermoelektrische Kühlung bezeichnet) wird in der Regel in Form einer 3-stufigen Peltier-Element-Kaskade realisiert, um die erforderlichen niedrigen Temperaturen zu erreichen. Ihr Vorteil gegenüber der Stirling-Kühlung besteht darin, dass sie keine mechanischen (beweglichen und damit verschleißanfälligen) Teile hat, sodass praktisch keine Lebensdauerbeschränkung besteht. Dafür wird jedoch bei höherem Energieverbrauch nur eine weniger niedrige Temperatur erreicht (ca. -150 °C), was für den Betrieb nicht aller Arten von Fotodetektoren ausreicht.
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| Abbildung: Schematische Darstellung der 3-stufigen Peltier-Kühlung / MCT-Sprite-Photonendetektor mit Peltier-Kühlung [Quelle: InfraTec] |
Rahne Eric (PIM GmbH) pim-gmbh.de, gepszakerto.de
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