In den letzten Jahren hört man immer häufiger und in immer mehr Berufen von der Anwendung der Thermografie. Insbesondere die Aufdeckung energetischer Probleme von Gebäuden, die Zustandsbewertung elektrischer und mechanischer Ausrüstungen sowie die Anwendungen im Bereich der Humanebiologie sind am bekanntesten geworden. Wahrscheinlich werden Wärmebildkameras bereits in Tausendergrößenordnung in Ungarn eingesetzt, jedoch gibt es keine Möglichkeit zur fachlichen Vorbereitung und Kontrolle des Fachwissens der Personen, die diese Messungstechnologie handhaben und die Ergebnisse bewerten (Prüfung): In Ungarn gibt es keinen Beruf oder keine Ausbildung nach dem Nationalen Klassifikationssystem (OKJ) für THERMOGRAFIE, es gibt keine anerkannte und geforderte Prüfung, wodurch auch die fachliche "Selbst"-Regulierung des Marktes nicht funktioniert. Derzeit kann daher jeder thermografische Dienstleistungen durchführen (ohne die Grundschule abgeschlossen zu haben), es ist lediglich das Vorhandensein eines Thermografiegeräts erforderlich!!! Mit dem nächsten Artikel möchte ich beweisen, dass diese Auffassung nicht nur falsch ist, sondern unermessliche (nationale) wirtschaftliche Schäden verursacht.
Oder genauer gesagt: Was sollte auch ein einfacher Infrarotthermometer (fälschlicherweise: Laserthermometer) Benutzer wissen?
Wir sprechen von berührungsloser Temperaturmessung auf Basis von Infrarotstrahlung, also nicht von einem fotografischen (bildgebenden) Verfahren.
Praktische Aspekte der berührungslosen Temperaturmessung
Da wir bereits in mehreren Artikeln den theoretischen Hintergrund der temperaturmessungsbasierten auf Infrarotstrahlung erklärten und die Bedeutung der technischen Parameter von Wärmebildkameras erläuterten, möchten wir im Folgenden nur auf die praktischen Aspekte der mit dieser Technologie durchgeführten Messungen eingehen. Materialabhängigkeit der Messgenauigkeit, messbare Oberflächen Die Messgenauigkeit der thermografischen (Wärmebild-) oder Infrarotthermometer (fälschlicherweise als Laserthermometer bezeichnete) Temperaturerfassung hängt hauptsächlich von der Strahlungsemissionsfähigkeit der gemessenen Oberfläche ab. Je besser diese Fähigkeit ist, desto weniger durchgelassene und reflektierte Strahlung tritt auf, und die vom Messgerät erfasste Strahlung setzt sich immer mehr nur aus der mit der Körpertemperatur zusammenhängenden Strahlung zusammen. Basierend auf der Erfassung der Infrarotstrahlung kann die Temperatur des Objekts (-oberfläche) also nur unter genauer Kenntnis des Emissionsfaktors, der reflektierenden Temperatur (Umgebungstemperatur der Objekte) und (bei transparenten Körpern für Wärmestrahlung) der genauen Hintergrundtemperatur berechnet werden (basierend auf der Grundgleichung der Thermografie). Je niedriger der Emissionsfaktor des Objekts ist (die Strahlungsemissionsfähigkeit), desto mehr muss korrigiert werden, daher müssen alle Parameter umso genauer angegeben werden.
| Linkes Bild: Wärmebild eines Heißluftventilators - die polierte Aluminiumverkleidung der Wärmedämmung hat einen sehr niedrigen Emissionswert - die tatsächliche Temperatur des Heißluftventilators ist an der verrosteten Inspektionsöffnung sichtbar (>160°C), der Rest spiegelt die Umgebungstemperatur wider - die Temperatur der Wärmedämmung (>90°C) ist nicht sichtbar | Rechtes Wärmebild: Neuer - polierter - Kupferstreifen - der Boden des Kupferstreifens scheint wärmer zu sein als der Rest, obwohl aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer keine Unterschiede vorhanden sein sollten - die sichtbare Wärmeentwicklung ergibt sich aus der Reflexion der darunter liegenden warmen Geräte |
Obige Abbildungen: Beispiele für Objekte mit niedriger Emission - schwer messbare Objekte [Quelle: PIM Kft.] Aus der genannten Beziehung ergibt sich, dass die Temperatur des Objekts keinesfalls gemessen werden kann:
Zur Erklärung sei gesagt, dass in beiden Fällen der Emissionswert nahe "0" liegt, daher gibt es praktisch keine Strahlung, die mit der Körpertemperatur zusammenhängt und für die Temperaturberechnung verwendet werden kann. In der Praxis ist diese Tatsache von großer Bedeutung: Wir müssen uns bewusst sein, dass beispielsweise Wärmedämmungen mit neuen - schön polierten - Aluminium- oder rostfreien Stahlverkleidungen nicht mit thermografischen Geräten überprüft werden können. Es spielt keine Rolle, wie hoch die Temperatur (sogar glühend heiß) der gemessenen Oberfläche ist, wir werden immer nur die Temperatur der darauf reflektierten Umgebung sehen ("messen"). Ein ähnlicher Faktor tritt auf, wenn wir nagelneue elektrische Anlagen, Schaltschränke überprüfen müssen: Die Temperatur der metallischen (polierten) Schienen, Verbindungen, Anschlüsse kann nicht berührungslos bestimmt werden.
Wenn auf einem Wärmebild viele verschiedene Oberflächenmaterialien vorhanden sind, kann es erforderlich sein, den Emissionsfaktor pixelweise zu korrigieren, um genaue Temperaturberechnungen durchzuführen. Als klassisches Beispiel ist die Bewertung der Wärmebelastung elektronischer Schaltungen zu nennen: Es gibt nichtmetallische Oberflächen (Keramik, Kunststoff, Lack) und metallische Oberflächen (Kupfer, Zinn, Nickel und Gold). Ohne eine materialabhängige Emissionskorrektur würden "kalte" Stromkreisbeine gemessen, während sich durch die Korrektur herausstellt, dass diese tatsächlich die heißesten sind.
| Linkes Bild: Leiterplatten ohne Emissionskorrektur - die heißen Stromkreisbeine erscheinen kalt - der Grund für falsche Daten sind die unterschiedlichen Emissionswerte | Rechtes Bild: Leiterplatten-Wärmebild mit Emissionswertkorrektur - pixelweise Korrektur basierend auf der linken Abbildung - die heißen Stromkreisbeine sind somit auch im Wärmebild heißer |
Obige Abbildungen: Beispiel für die pixelweise Korrektur unterschiedlicher Emissionsfaktoren [Quelle: Infratec]
Da der Emissionsfaktor leider auch vom Betrachtungswinkel abhängt, müssen wir berücksichtigen, dass je weiter der Betrachtungswinkel von einem rechten Winkel abweicht, umso mehr Reflexion beobachtet werden kann. Dieser Effekt ist besonders bei Objekten mit gekrümmten Oberflächen zu beobachten, aber auch bei der Messung der oberen Etagen hoher Gebäude stoßen wir auf dieses Problem: Die oberen Etagen scheinen scheinbar immer kühler zu sein (obwohl sie in Wirklichkeit eher wärmer sind). Der Grund dafür ist, dass der Himmel (ohne Wolken -273°C) immer stärker auf der äußeren Oberfläche des Gebäudes reflektiert wird, obwohl der Emissionsfaktor der Fassaden aus silikathaltigen Baumaterialien etwa 95% beträgt.
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| Obige Abbildung: Beispiel für den Effekt der Abhängigkeit des Emissionsfaktors vom Betrachtungswinkel [PIM] |
Geometrische Auflösung
Die geometrische Auflösung beeinflusst nicht nur die Bildqualität, sondern auch die Genauigkeit der Temperaturdaten eines Bildes erheblich. Der Parameter IFOV (kleinster elementarer Betrachtungswinkel, typischerweise in mrad angegeben) gibt den Betrachtungswinkel an, der mit einem einzigen Sensor (Pixel) abgebildet wurde. Um Details gut reproduzieren zu können, ist es wichtig, dass dieser Wert so klein wie möglich ist. Zum Beispiel bedeutet ein IFOV von 1,5 mrad, dass jeder individuelle Messpunkt (projizierter Messfleck), der einem Pixel zugeordnet ist, bei einer Entfernung von 1 m einen Durchmesser von 1,5 mm hat.
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| Obige Abbildung: Die geometrischen Parameter des Bildfeldes [Quelle: Infratec] |
Da die "projizierte" Position des Bildpunkts auf dem zu messenden Objekt unbekannt ist und die Sensor-Matrix selbst (aufgrund der Herstellungstechnologie) Lücken aufweist, muss die oben genannte Pixelgröße um das 3-fache vergrößert werden, um die kleinste messbare Objektgröße zu bestimmen. Wenn dies nicht beachtet wird, kann der Messfleck nicht nur die Strahlung der Objektoberfläche, sondern auch die Hintergrundstrahlung enthalten (Mittelung innerhalb des Messflecks). Das Messergebnis kann daher sowohl niedriger als auch höher als die tatsächliche Temperatur des Objekts sein, und je größer der Unterschied zwischen der Temperatur des Objekts und des Hintergrunds ist, desto größer wird der Messfehler sein!
Natürlich gilt diese Regel nicht nur für kleine Objekte (z. B. dünne Drähte, Glühbirnen usw.), sondern auch für große Objekte (z. B. große Querschnittskabel, Türen usw.) bei der Messung. Es handelt sich natürlich um unterschiedliche Dimensionen: Bei kleinen Objekten handelt es sich um Messflächen im Bereich von Millimetern, die basierend auf der geometrischen Auflösung der Wärmebildkamera und Optik nur aus Entfernungen von maximal mehreren Dezimetern gemessen werden können; bei großen Objekten handelt es sich um Messflächen von Zentimetern, die aus Entfernungen von mehreren Metern (sogar 10 Metern) erfasst werden. In jedem Fall ist die Verwendung eines Geräts, das die Einhaltung dieser Regel ermöglicht, erforderlich! Konkretes Beispiel: Wenn wir ein zehnstöckiges Plattenhaus messen möchten, müssen wir zur Messung der oberen fertigen Etagen (ca. 30 Meter Höhe) aus einer Entfernung von etwa 60 m arbeiten, um eine möglichst geringe geometrische Verzerrung des Bildes (Vermeidung des perspektivischen Effekts) zu erreichen. Nach Pythagoras beträgt der Abstand zwischen der Wärmebildkamera und dem Objekt in diesem Fall 67 m, sodass mit einer Wärmebildkamera mit einer Auflösung von 1,3 mrad der elementare Messpunkt einen Durchmesser von 87 mm hat. Die kleinste messbare Größe des Objekts muss also größer als 261 mm sein! (Zur Erinnerung: Ein Fensterrahmen ist selten breiter als 70 mm). Daher ist die Verwendung eines Teleobjektivs erforderlich!
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| Infrarotaufnahme mit einem Wert von 1,5 mrad: links aus 2 m Entfernung (maximaler Wert 261 °C), in der Mitte aus 1 m Entfernung (maximaler Wert 320 °C), rechts aus 0,2 m Entfernung (maximaler Wert 415 °C) |
Obenstehende Abbildungen: Beispiel für den Einfluss der geometrischen Auflösung einer Wärmebildkamera [Quelle: PIM Kft.]
Messbedingungen Aufgrund der berührungslosen Natur der Temperaturmessung und des Messverfahrens ist es wichtig, sorgfältig auf die Messbedingungen zu achten. Im Folgenden werden die Messbedingungen anhand von Beispielen veranschaulicht.
| Linkes Bild: Aufnahme eines Gebäudes tagsüber (Bauarbeiten) - die Sonnenstrahlung reflektiert an den Gebäudewänden - die Wände erscheinen warm, obwohl nicht geheizt wird!!! | Rechtes Bild: Aufnahme eines Gebäudes drei Stunden nach Sonnenuntergang - die erwärmende Wirkung der Tageslichtsonne ist kaum noch erkennbar, daher kann jetzt gemessen werden |
Obenstehende Abbildungen: Beispiel für den Einfluss der Sonneneinstrahlung [Quelle: PIM]
| Linkes Bild: Thermografische Untersuchung bei starkem Wind - der Wind trägt die Wärme von der rechten Wand weg, daher ist sie kühler - es scheint, als ob die rechte Wand in der Mitte des Wärmebildes besser isoliert wäre | Rechtes Bild: dieselbe Messung bei Windstille - es ist zu erkennen, dass die Isolierung der rechten Wand genauso schwach ist wie die Wand in der Mitte des Wärmebildes (und genauso starke Wärmebrücken aufweist) |
Hinweis zu beiden Wärmebildern: Der linke Teil des Gebäudes ist nicht beheizt (Treppenhaus) Obenstehende Abbildungen: Beispiel für den Einfluss des Windes [Quelle: PIM]
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| Obenstehende Abbildung: Arterienverschluss (Herz) [Quelle: Infratec] |
(Jedoch ist die "Erkennung von inneren Organen durch Infrarot" oder das Eindringen in den Körper mit einer Wärmebildkamera nicht möglich, da hierfür eine vorherige Operation erforderlich ist!) Weitere Internetbeispiele
Obenstehende Abbildung: Wärmebild von Stromleitungen (160 x 120 Pixel, 2,3 mrad, 50 m Messabstand) keine Fehler?! (oder eher: nicht sichtbar!)
Obenstehende Abbildung: Wärmebild eines Plattenbaus aus 4 Stück 320 x 240 Pixel Bildern Pixelgröße: 6 ... 10 cm --> Objektgröße: >18 ... 30 cm (die Bilder stammen nicht vom selben Gebäude oder derselben Seite!)
Obenstehende Abbildung: Wärmebild eines Mehrfamilienhauses aus 1 Stück 160 x 120 Pixel Bild Pixelgröße: 5 ... 7 cm --> Objektgröße: >15 ... 21 cm (leicht erkennbar, dass das Bild auch unter dem Einfluss der Sonneneinstrahlung aufgenommen wurde!)
Notwendigkeit der Schulung: keine (Diskussions)frage?!?
Warum Schulung erforderlich ist? Moderne Wärmebildkameras sind so einfach zu bedienen! Jeder kann sie verwenden, wie eine digitale Videokamera ... Diese Meinungen wurden durch die vorherigen Beispiele widerlegt, die natürlich nur die Spitze des Eisbergs zeigen. Neben den zahlreichen Wärmebildern mit Messfehlern gibt es auch vollständig falsche Auswertungen und Schlussfolgerungen in "gespickten" Berichten oder sogenannten "Expertenmeinungen! Ohne Schulung kann man von einem "Wärmebild"-Ersteller erwarten:
Praktisch wird die Temperaturmessung nie sein! Schlussfolgerung: Nur mit genauer theoretischer Kenntnis und praktischer Anwendung kann eine genaue, bewertbare Temperaturmessung durch die Detektion von Infrarotstrahlung durchgeführt werden. Bisher haben wir die Messgenauigkeit sowie Protokolle diskutiert, die aufgrund fehlenden theoretischen Wissens fehlerhafte Informationen enthalten. Wir haben noch nicht darüber gesprochen, welche wirtschaftlichen Folgen diese haben können! Nur ein paar Beispiele:
Die oben genannten Beispiele können nicht nur zu fehlerhaften Investitionsfolgen führen, sondern auch zu massiven Produktionsausfällen, Brand- und Unfallgefahren !!! Die Person (oder Firma), die die Thermografie-Messung und -Auswertung durchführt, trägt eine enorme Verantwortung! Die Fehlerquote kann durch eine - idealerweise verpflichtende - Fachausbildung auf ein Minimum reduziert werden!
Aktuelle Ausbildungssituation in Ungarn
Die Thermografie als Beruf existiert in Ungarn nicht. Weder in Ausbildungsprogrammen, noch in den Fachbereichen der Ingenieurskammer, noch in den verschiedenen von den Ministerien geführten beruflichen Klassifizierungen wird die Thermografie erwähnt. Dementsprechend gibt es weder eine offizielle Ausbildung nach dem Nationalen Qualifikationsregister (OKJ), noch andere staatlich koordinierte Ausbildungen, die bei bestimmten Messungen und Auswertungen obligatorisch sind. Der Hauptgrund dafür ist die Verringerung der Rolle des Staates (bzw. entsprechender Behörden und Institutionen) als Berufskoordinator und das Fehlen neuer - diese ersetzenden - Einrichtungen. Ein sekundärer Grund ist, dass sich das rechtliche Umfeld aufgrund der zunehmenden wirtschaftlichen Entscheidungen in Richtung einer marktwirtschaftlichen Gesellschaft nachteilig verändert hat: Für viele Tätigkeiten ist keine separate Genehmigung erforderlich, sodass aufgrund fehlender fachlicher Anforderungen jeder sie ausführen kann. Es herrscht weit verbreitet - falscher - Glaube, dass ein Energieauditor, der die "grüne Karte" für Gebäude ausstellt, über eine Thermografie-Ausbildung verfügt. Das ist nicht der Fall, für seine Tätigkeit (wie für den Energieaudit) ist die Verwendung einer Wärmebildkamera oder ein detailliertes Verständnis dieser Mess-technologie nicht erforderlich. Die Fachkenntnisse der Unternehmen, die in Ungarn thermografische Aktivitäten durchführen, sind sehr bedauerlich. Konkret:
Von den in Ungarn tätigen Unternehmen, die Tausende von Thermografien durchführen - und sogar entsprechende Dienstleistungen anbieten - haben bisher nur 2-3 Hundert eine fundierte (aber leider nicht mit anerkannten Prüfungen abschließende) Fachausbildung absolviert (sei es im Ausland oder in Ungarn). Die überwiegende Mehrheit der Unternehmen führt daher ohne angemessene Fachkenntnisse Dienstleistungen durch, die Entscheidungen im Wert von möglicherweise mehreren zehn Millionen treffen!
Situation im Ausland
Die Thermografie als Prüfverfahren gehört zu den zerstörungsfreien Prüfverfahren. Daher ist es logisch, sie den bereits vorhandenen (oder im Aufbau befindlichen) Systemen zur Ausbildung und Prüfung von Fachleuten zuzuordnen, die zerstörungsfreie Technologien durchführen. In Europa wurde 1987 durch die Arbeit des CEN (Europäische Normungsorganisation) der Ausbildungsstandard EN473 eingeführt, der das dreistufige Ausbildungs- und Prüfungssystem für zerstörungsfreie Prüfer definiert.
Wichtige organisatorische Elemente sind:
Die drei Ausbildungs- und Prüfungsstufen sind:
Um jede Ausbildungsstufe zu erreichen, ist angemessene berufliche Praxis erforderlich, an den oben genannten Schulungen der Bildungseinrichtungen teilzunehmen und die entsprechende (theoretische und praktische) Prüfung abzulegen. Darüber hinaus muss die Gesundheit (gute Sicht) ärztlich nachgewiesen werden.
Die Fachrichtungen der Thermografie sind:
Der Prüfungsinhalt:
Die Prüfung gilt als bestanden, wenn in jedem Teilbereich mindestens 70 % erreicht wurden. Falls dies nicht der Fall ist, besteht die Möglichkeit einer Wiederholungsprüfung nach mindestens 30 Tagen (maximal zweimal). Wenn auch diese nicht bestanden wird, muss die gesamte Prüfung wiederholt werden. Um eine höhere Qualifikation zu erlangen, sind der Besitz einer niedrigeren Qualifikation, der Abschluss der Ausbildung und der Nachweis beruflicher Praxis erforderlich.
In Deutschland bieten derzeit mehrere Organisationen entsprechende Schulungen an (in alphabetischer Reihenfolge):
Die von diesen Unternehmen ausgestellten Zertifikate sind international (mindestens in Europa) anerkannt, und Fachleute mit dieser Qualifikation können Thermografiedienstleistungen entsprechend ihrer Fachrichtung anbieten. Eine Einschränkung gilt jedoch für die Untersuchung von industriellen elektrischen Anlagen: Neben der Qualifikation auf Stufe 2 gemäß EN 473 ist eine zusätzliche Prüfung erforderlich, um als von VdS anerkannter Thermografieexperte für elektrische Anlagen zu gelten (basierend auf der VdS-Richtlinie 2859).
In Deutschland gibt es derzeit keine gesetzlichen Bestimmungen darüber, welche Qualifikationen und Ausrüstungen für welche Dienstleistungen erforderlich sind. Die hohe Verantwortung der Dienstleister zwingt sie jedoch dazu, Haftpflichtversicherungen abzuschließen und durch angemessene Schulungen ihr Risiko zu minimieren. In immer mehr Branchen der Industrie und bei öffentlichen Aufträgen (z. B. städtische, regionale) ist gemäß EN 473 die Qualifikation erforderlich.
Fachlich wünschenswert Die derzeitige - katastrophale - Ausbildungssituation in Ungarn könnte relativ schnell verbessert werden, wenn bei Ausschreibungen, staatlichen Ausschreibungen oder kommunalen Aufträgen nur Anbieter mit entsprechender Qualifikation teilnehmen dürften, neben der Einführung des Ausbildungssystems nach EN 473. Darüber hinaus halte ich es für notwendig, dass Fachverbände (MATE, GTE ...) mit etwas fachlicher Lobbyarbeit gegen die verbreiteten minderwertigen Dienstleister vorgehen. Es sollte nicht nur finanziell, sondern auch fachlich für die ungarische Wirtschaft aufgebessert werden! Anmerkung: Das früher von der Ungarischen Ingenieurkammer akkreditierte - von einem einzigen Thermografen der Stufe 3 gehaltene - Thermografie-Grundkurs kann bei PIM Professzionális Ipari Méréstechnika Kft. absolviert werden. Es vermittelt zwar keine Qualifikation, aber das erforderliche Wissen für die korrekte Durchführung praktischer Thermografie-Messungen. Vielleicht wird es irgendwann auch ein staatlich anerkannter Ausbildungskurs ...
Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu
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