Die Erstellung von Wärmebildern, also die Thermografie oder - fachlich weniger korrekt - die Wärmebildgebung, ist ein äußerst vielseitiges Messverfahren, das sich aufgrund der recht teuren Wärmebildkameras noch nicht schneller in der Praxis durchsetzen konnte. Die Bedienung moderner Wärmebildkameras ist vergleichbar mit der gängiger digitaler Kameras. Doch niemand sollte glauben, dass es genauso einfach ist, korrekte (aus messtechnischer Sicht richtige) Wärmebilder zu erstellen, wie die Bedienung der Wärmebildkamera selbst. Es bedarf vieler Fachkenntnisse, Erfahrungen und einer angemessenen Messvorbereitung, damit die Aufnahmen nicht nur schöne farbige Bilder, sondern auswertbare Wärmebilder sind.
Es ist bedauerlich, dass sowohl die Vertriebsmitarbeiter von Wärmebildkameras als auch die Ersteller von Wärmebildern häufig schwerwiegende fachliche Fehler bei der Erstellung der Wärmebilder begehen. Im Folgenden versuchen wir, die theoretischen Grundlagen und praktischen Aspekte der Thermografie vorzustellen, damit sowohl die Ersteller der Aufnahmen als auch die Nutzer der Auswertungen die theoretischen Vorteile der Wärmebilder besser nutzen können. Beginnen wir mit den physikalischen Grundprinzipien!
Grundlagen der Infrarot-Temperaturmessung
Die auf Infrarotstrahlung basierende Temperaturmessung, also die Thermografie und die berührungslose Temperaturmessung (die aufgrund der verwendeten Laserzielbeleuchtung oft fälschlicherweise als Laser-Temperaturmessung bezeichnet wird), nutzt das physikalische Phänomen aus, dass Körper oberhalb der absoluten Nulltemperatur K (-273,15 °C) elektromagnetische Wellen aussenden, wie beispielsweise Radiowellen, Licht und Wärme (Strahlung). Die Infrarotstrahlung ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, der sich im langwelligen Bereich des sichtbaren roten Lichts befindet, ungefähr im Wellenlängenbereich von 760 nm bis 1 mm. Für die Temperaturmessung ist der Bereich bis 20 µm relevant, der in drei weitere Teilbereiche unterteilt werden kann: 0,8-2 µm für den kurzwelligen, 2-6 µm für den mittelwelligen und 6-20 µm für den langwelligen Infrarotstrahlungsbereich. Das elektromagnetische Spektrum
| Wellenlänge | Wellenlängenbereich |
| 1000 km 100 km | Langwellen (RF und ELF) |
| 10 km 1 km 100 m 10 m | Funkfrequenzen |
| 1 m 10 cm 1 cm | Mikrowellen |
| 1 mm 100 µm 10 µm | Infrarotstrahlung |
| 1 µm 100 nm | Sichtbares Licht |
| 10 nm | Ultraviolette Strahlung |
| 1 nm 0,1 nm 0,01 nm | Röntgenstrahlung |
| 0,001 nm 0,0001 nm 0,00001 nm | Gammastrahlung |
Von technischer Sicht ist der Bereich bis 20 µm von Bedeutung. Dieser kann wie folgt unterteilt werden:
| Wellenlänge | Infrarot-Teilbereich |
| 0,8 µm ... 2 µm | kurzwelliges Infrarot |
| 2 µm ... 6 µm | mittelwelliges Infrarot |
| 6 µm ... 20 µm | langwelliges Infrarot |
Die Temperaturmessung basiert auf den elektromagnetischen Wellen (Infrarotstrahlung), die vom zu messenden Körper abgegeben werden. Um auf die Temperatur schließen zu können, muss der Zusammenhang zwischen der Körpertemperatur und der abgestrahlten Strahlung betrachtet werden. Dieser Zusammenhang wird hauptsächlich durch das Plancksche Strahlungsgesetz, das die spektrale Verteilung der von einem idealen Strahler (schwarzer Körper) emittierten Strahlung beschreibt, sowie das Wiensche Verschiebungsgesetz, das die Verschiebung des Strahlungsmaximums niedrigerer Temperaturen in den langwelligen Bereich beschreibt, definiert.
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| Das Plancksche Strahlungsgesetz [Quelle: Infratec] |
| Strahlender Körper | Temperatur | Strahlungsmaximum |
| Tiefgefrorene Lebensmittel | -18 °C | 11,4 µm |
| Haut | 32 °C | 9,5 µm |
| Kochendes Wasser | 100 °C | 7,8 µm |
| Dunkelrot glühendes Eisen | 600 °C | 3,3 µm |
| Weißglühendes Eisen | 1.200 °C | 2,0 µm |
Der Effekt des Wienschen Verschiebungsgesetzes: die temperaturabhängige Verschiebung des Strahlungsmaximums
Eigenschaften der zu messenden Objekte Das sogenannte schwarze Objekt ist das ideale Modell eines physikalischen Strahlers, das für das Studium der Grundprinzipien der Thermografie unerlässlich ist. In der Praxis weichen die gemessenen Objekte jedoch mehr oder weniger von diesem Modell ab, daher ist es wichtig, die Auswirkungen dieser Unterschiede bei der Messung zu berücksichtigen. Zur Berücksichtigung der Abweichungen dient der Emissionsfaktor (ε), der die Infrarotstrahlungsfähigkeit eines Körpers beschreibt. Der Emissionsfaktor des idealen Strahlers - des schwarzen Körpers - beträgt 1, dh er emittiert die Wärmestrahlung zu 100 %, die gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz entsprechend seiner Temperatur erwartet wird. Die Strahlungsfähigkeit realer Körper bleibt hinter dem schwarzen Körper-Modell zurück (dh ε<1), und ihr Emissionsfaktor kann mehr oder weniger von der Wellenlänge und der Temperatur abhängen. Bestimmte Parameter (Materialzusammensetzung, Einfallswinkel, Oberflächenbeschichtung, Rauheit und der Grad der Polarisation) können ebenfalls die Zusammensetzung und Menge der emittierten Wärmestrahlung beeinflussen und somit das Ergebnis der Temperaturmessung auf der Grundlage der Strahlung beeinflussen. Im langwelligen Bereich wird eine Vielzahl von Nichtmetallen durch einen hohen, relativ konstanten Emissionsfaktor in einem breiten Temperaturbereich charakterisiert, der unabhängig von der Oberflächenbearbeitung ist. Gute Beispiele hierfür sind die menschliche Haut und viele mineralische Strukturen sowie kunststoffbasierte Farbstoffe. Der Emissionsfaktor von Metallen ist in der Regel gering und hängt stark von den Oberflächeneigenschaften ab, wobei er mit zunehmender Wellenlänge (abnehmender Temperatur) abnimmt. Ein häufig zu messendes Material ist Glas. Da es im langwelligen Bereich keine Infrarotstrahlung durchlässt, ist eine Messung mit langwelligen Wärmebildkameras durch Glasfenster überhaupt nicht möglich. Während Glas im mittelwelligen Bereich fast ein idealer Strahler ist, beträgt sein Emissionsfaktor im langwelligen Bereich nur etwa (im Durchschnitt) 85 %.
Spektrale Abhängigkeit des Emissionsfaktors von Nichtmetallen (1 Emaille, 2 Gips, 3 Beton, 4 Schamotte) [Quelle: Infratec]
Spektrale Abhängigkeit des Emissionsfaktors von Metallen (1 Silber, 2 Gold, 3 Platin, 4 Rhodium, 5 Chrom, 7 Tantal, 8 Molybdän) und (6 Graphit, 9 Selen, 10 Antimon) [Quelle: Infratec]
Spektrale Abhängigkeit des Emissions-, Transmissions- und Reflexionsfaktors von Glas [Quelle: Infratec]
Thermografische Messanordnung
Bei der Fernwärme- und quantitativen Thermografie müssen die spezifischen Eigenschaften des Temperaturmessverfahrens aus physikalischen Gründen berücksichtigt werden: Zum einen handelt es sich um ein optisches Messverfahren, bei dem das Messobjekt für das Messgerät sichtbar sein muss; zum anderen spielen neben den beiden Schlüsselelementen der Messanordnung der charakteristische Zustand des Messabschnitts und das Vorhandensein von Strahlungsquellen (en) im Vorder- und Hintergrund eine entscheidende Rolle bei der Messung.
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| Infrarot-Fernwärme- und Thermografie-Messanordnung [Quelle: PIM] |
Der Einfluss des Übertragungsabschnitts auf das Messergebnis
Da die Infrarot-Thermografie eine berührungslose Methode ist und typischerweise nicht im Vakuum angewendet wird, muss die Infrarotstrahlung, die die Grundlage der Messung bildet, in der Regel durch ein Medium vom zu messenden Objekt zum Messgerät gelangen, wodurch das Verhalten (die Charakteristik) des Mediums im Infrarotbereich natürlich die Messung beeinflusst. In den meisten Fällen handelt es sich um Luft, aber es kommen auch andere - infrarotdurchlässige - Materialien vor (z. B. spezielle Messfenster). Bei Luft beeinflussen Wasserdampf und Kohlendioxid die Übertragung von Infrarotstrahlung.
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| Spektraler Übertragungsfaktor der Luft bei 10 m, 25 °C, 1013 mbar und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit [Quelle: Infratec] |
Die obige Abbildung zeigt, dass die Luftübertragungseigenschaften stark von der Wellenlänge abhängen. Neben den Bereichen mit hohen Übertragungsverlusten sind auch Bereiche mit guter Übertragungsfähigkeit (schraffiert) in der Nähe zu beobachten. Letztere werden auch als atmosphärische Fenster bezeichnet. Während die Luft im Bereich von 8...14 μm - im langwelligen atmosphärischen Fenster - nahezu perfekte Übertragung auch über große Entfernungen gewährleistet, verursacht sie im Bereich von 3...5 μm - im mittelwelligen atmosphärischen Fenster - bereits messbare Verluste auch bei Entfernungen von nur wenigen Metern.
Das Messgerät und sein Einfluss auf das Messergebnis Da bei berührungsloser Temperaturmessung Luft das häufigste Übertragungsmedium ist, sollten Messungen nur in den von ihr bereitgestellten Wellenlängenbereichen der atmosphärischen Fenster durchgeführt werden. (Ansonsten würden wir nichtlineare Temperaturabhängigkeiten oder vollständig nicht auswertbare Daten erhalten.) Für Messungen werden Wärmebildkameras verwendet, die empfindlich für den im Bereich von 8...14 μm liegenden - im langwelligen atmosphärischen Fenster arbeitenden - sowie für den im Bereich von 3...5 μm liegenden - im mittelwelligen atmosphärischen Fenster messenden - Wellenlängenbereich sind. Je nachdem, welchen Bereich sie abdecken, werden sie als langwellige oder mittelwellige Wärmebildkameras bezeichnet. Es gibt auch selten Wärmebildkameras, die im kurzwelligen Bereich messen. Der spektrale Messbereich der berührungslosen Temperaturmessgeräte deckt in der Regel nur einen Teil der von einem Objekt emittierten Gesamtstrahlung ab. Dies wird anhand des folgenden Diagramms für einige typische (entsprechend den atmosphärischen Fenstern angewandten) Messbereiche veranschaulicht.
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| Temperaturstrahlungskurven in verschiedenen spektralen Messbereichen [Quelle: Infratec] |
Es ist leicht erkennbar, dass der mittelwellige (3...5 μm) Bereich ziemlich unempfindlich gegenüber relativ niedrigen Temperaturen ist, aber (bei einem schwarzen Körper) über 350 °C die Strahlungsempfindlichkeit im Bereich von 3...5 μm besser ist als im langwelligen (8...14 μm) Bereich. Der Grund dafür ist, dass das Strahlungsmaximum in den mittelwelligen Bereich verschoben ist. In der Praxis hat dies jedoch keine Bedeutung, da bei hohen Temperaturen aufgrund der hohen Strahlungsintensität grundsätzlich ein ausgezeichnetes Signal-Rausch-Verhältnis besteht.
Grundlegende Fehlerquellen In unserem früheren Artikel, der sich mit den theoretischen Grundlagen der Wärmebildaufnahme (Thermografie) befasst, werden wir auf praktische Aspekte eingehen. Zunächst werden wir mögliche Fehlerquellen bei berührungsloser Temperaturmessung identifizieren und dann die Ansätze zur quantitativen Bewertung von Messfehlern sowie zur Reduzierung von Fehlern vorstellen. Der Messfehler bei berührungsloser Temperaturmessung setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Zunächst ist hier die Messungenauigkeit aufgrund des verwendeten Messgeräts zu nennen. Wie bei jedem Messgerät kann auch ein berührungsloses Temperaturmessgerät (Fernthermometer, Wärmebildkamera) seine Aufgabe nur mit einer gewissen Messungenauigkeit erfüllen, die auf Folgendes zurückzuführen ist:
Außerdem müssen auch viele andere messtechnische Fehler berücksichtigt werden, die bei berührungsloser Temperaturmessung auftreten können, aber nicht bei berührter Temperaturmessung. Im Folgenden werden einige mögliche - und besonders beachtenswerte - Fehlerquellen näher erläutert.
Probleme bei berührungsloser Messung
Der Einfluss des Emissionsgrades und der Umgebungstemperatur auf die Messgenauigkeit Dies ist wahrscheinlich der häufigste und in Bezug auf die Fehlergröße bedeutendste Fehler bei der praktischen Anwendung der berührungslosen Temperaturmessmethode. Wie bereits erwähnt, kann das Messgerät die Temperatur eines Objekts nur korrekt bestimmen, wenn der am Messgerät (bzw. in der Auswertungssoftware) eingestellte Emissionsgrad dem realen Charakter des zu messenden Objekts entspricht. Wenn das zu messende Objekt kein idealer Strahler (schwarzer Körper) mit einem Emissionsgrad von ε=1,0 ist, muss auch die Umgebungstemperatur bei der Bestimmung der Objekttemperatur berücksichtigt werden. (Die Umgebungstemperatur ist die durchschnittliche Temperatur des Raums um die dem Messgerät zugewandte Oberfläche des zu messenden Objekts.) Reflexion der Wärmestrahlung von der Stirnfläche des Objekts (Wärmestrahlungsreflexion) Je weiter der Emissionsgrad eines Körpers von dem idealen Wert 1 abweicht (dh je geringer die Emissionsfähigkeit ist), desto stärker ist seine Reflexionseigenschaft (Wärmestrahlungsreflexion).
Dies führt dazu, dass das Messgerät neben der vom Körpertemperatur abhängigen Wärmestrahlung (im schlimmsten Fall sogar anstelle davon) auch die von der Umgebung reflektierte Wärmestrahlung auf der Oberfläche des Messobjekts misst. Dies kann jedoch durch Berücksichtigung der Umgebungstemperatur korrigiert werden, wenn die Umgebungstemperatur homogen ist. Die Situation wird problematischer, wenn in dem Raum vor dem Objekt eine große Temperaturinhomogenität oder sogar störende punktförmige Wärmequellen vorhanden sind. Je stärker die Reflektivität des zu messenden Objekts ist, desto schwieriger wird die korrekte Bestimmung seiner Temperatur. Signalverlust in der Übertragungsstrecke (Strahlungsabnahme in der Atmosphäre und anderen Materialien) Die Übertragungsstrecke ist in der Regel die normale Atmosphäre, durch die nur ein Teil des Infrarotspektrums hindurchgeht (sogenannte atmosphärische Fenster). Die Verluste bei größeren Entfernungen werden durch Faktoren bestimmt, die die Infrarotstrahlung absorbieren oder dämpfen (z. B. Nebel, Aerosole, hohe Konzentrationen von CO2, CO, anderen Gasen oder Wasser). Innerhalb bestimmter Grenzen - während der Signalauswertung - können diese Effekte kompensiert werden. Besondere Sorgfalt ist bei der Kompensation erforderlich, wenn die Messung durch ein Infrarot-durchlässiges Fenster erfolgt (z. B. bei der Messung von Objekten in Öfen oder Vakuumkammern). Wärmestrahlung, die aus dem Hintergrund des Objekts übertragen wird Dieser Fehler tritt auf, wenn das Objekt teilweise transparent ist, insbesondere im Hinblick auf die Infrarotstrahlung. In solchen Fällen muss der Hintergrund des Objekts genauso berücksichtigt werden wie der Vordergrund bei der Reflexion der Wärmestrahlung. Dies kann besonders problematisch sein, wenn sich direkt hinter dem Messobjekt starke Wärmequellen befinden (z. B. technisch notwendige Heizgeräte).
Quantifizierung von Fehlern
Die Empfindlichkeitscharakteristik des Messgeräts Die Charakteristik des Messgeräts (bei Messgeräten mit langwelligem Messbereich) basiert auf der Integration der Planck-Funktion über die Grenzen des 8...14 μm-Spektrums, da das Gerät ohnehin nur die durch das entsprechende atmosphärische Fenster hindurchgelassene Wärmestrahlung erfassen kann. Diese Charakteristik ist natürlich nicht perfekt linear, aber der daraus resultierende Fehler kann mathematisch innerhalb des Messgeräts korrigiert werden.
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| Die Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers im Bereich von 8...14 μm [Quelle: Infratec] |
Temperaturmessfehler abhängig vom Emissionskoeffizienten
Der wesentliche Bestandteil der Gesamttemperaturmessfehler, der hauptsächlich durch die Abweichung des Emissionskoeffizienten vom realen Wert verursacht wird, kann berechnet werden. Die Auswirkung des Emissionskoeffizienten (bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C) ist in unserer Tabelle zusammengefasst. Dies wird auch durch das folgende Diagramm veranschaulicht. Es ist zu erkennen, dass der Messfehler aufgrund eines falschen Emissionskoeffizienten umso größer ist, je mehr sich die Temperatur des zu messenden Objekts von der Umgebungstemperatur unterscheidet. Es ist auch zu erkennen, dass dieser Fehler sehr groß sein kann und sogar das Vielfache des regelmäßigen internen Fehlers des Messgeräts erreichen kann.
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| Temperaturmessfehler aufgrund falscher Emissionskoeffizienten im Bereich von 8...14 µm [Quelle: Infratec] |
Möglichkeiten zur Reduzierung von Messfehlern
Während die durch reflektierte und durchgelassene störende Strahlung verursachten Fehler - basierend auf ihrem optischen Erscheinungsbild (unpassende Punkte, Flecken oder Kreise) - auf einem mit einer Wärmebildkamera aufgenommenen Bild in der Regel leicht zu erkennen und anschließend zu korrigieren sind, ist dies bei Fernwärmemessungen nicht so einfach, da die Strahlungsverteilung nicht sichtbar ist. Um Fehler bei der Temperaturmessung zu vermeiden oder zumindest zu minimieren, ist es ratsam, die folgenden Tipps bei der Durchführung von Messungen zu befolgen: Stellen Sie sicher, dass keine reflektierte Wärmestrahlung in Richtung des Messgeräts fällt - insbesondere bei mobilen Messungen. Wenn dies dennoch der Fall ist, führen Sie mindestens eine der folgenden Maßnahmen durch:
Es ist wichtig zu beachten, dass nicht nur offensichtlich störende Strahler (wie Glühlampen, Flammen, heiße oder kalte Maschinenteile), die Messungen stören können, indem sie auf dem zu messenden Objekt reflektieren, sondern auch die Person, die die Messung durchführt, eine Wärmequelle ist und sich daher ebenfalls auf der gemessenen Oberfläche spiegeln kann.
Wenn der Emissionsfaktor des Objekts offensichtlich vom Schwarzkörper abweicht, muss der Emissionsfaktor am Messgerät entsprechend der Realität oder mit möglichst geringer Abweichung eingestellt werden. Informationen zum einzustellenden Emissionsfaktor können auf verschiedene Weise erhalten werden:
Wenn der Emissionsfaktor kleiner als 1 ist, spielt auch die Umgebungstemperatur bei der Bestimmung des Messwerts eine Rolle. Der Benutzer muss den Wert angeben, ebenso wie die Emission des Objekts. Eine falsche Angabe beider Parameter kann zu erheblichen Messfehlern führen!
Im mittleren Wellenlängenbereich, wenn der Messabstand 10 Meter überschreitet (was normalerweise nur bei Fernaufnahmen von Wärmebildern der Fall ist), muss auch der Effekt der atmosphärischen Transmission berücksichtigt werden, der die Intensität der Strahlung reduziert. Darüber hinaus muss die Temperatur entlang der Messstrecke so genau wie möglich eingestellt werden. Es ist sehr wichtig, dass das zu messende strukturelle Element oder die Oberfläche auf dem Objekt nicht kleiner als die Größe des Messpunkts sein darf (das projizierte optische Bild des Wärmesensors auf dem Objekt). Andernfalls wird die aktuelle Objekttemperatur nur auf einem Teil des gemessenen Bereichs angezeigt, während der Rest durch Hintergrundstrahlung (sowie die Umgebung des zu messenden Objekts) ausgefüllt wird. Innerhalb des Messpunkts wird eine Mittelung durchgeführt, sodass die tatsächliche Temperatur sehr kleiner Objekte niemals genau bestimmt werden kann. Dies muss insbesondere bei weit verbreiteten "Infrarot-Thermometern" beachtet werden. Bei Wärmebildkameras entspricht dieser Messpunkt den "projizierten" Oberflächen einiger Pixel des Infrarotwärmebilds.
Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu
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