Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (PIM GmbH)
Die für berührungslose Temperaturmessungen geeigneten thermografischen Geräte (Wärmebildkameras) haben in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung durchgemacht. Wenn man bedenkt, dass diese Geräte vor gerade einmal 50 Jahren auf den Markt kamen, sich aber mittlerweile zu einem der bekanntesten und vielseitigsten Prüfgeräte entwickelt haben, sollte man sich auch über die Vielfalt des Angebots auf dem Markt nicht wundern.
Für Kunden, die den Kauf einer Wärmebildkamera planen, stellt heute nicht mehr das Fehlen eines geeigneten Typs ein Problem dar, sondern die Unübersichtlichkeit des riesigen Angebots. Daher ist es an der Zeit, die Entwicklung und Typen dieser Geräte fachlich zu überblicken und das aktuelle Angebot anhand einiger wichtiger technischer Parameter zu ordnen. Die in den Kameras implementierte Messtechnologie und das verfügbare Zubehör bestimmen den Anwendungsbereich des Geräts sowie die zu erwartende Messgenauigkeit und Bildqualität.
Bei Matrixdetektor-Wärmebildkameras werden mehrere tausend individuelle Sensoren matrixartig "gleichzeitig" zur Erfassung der zu messenden Wärmestrahlung eingesetzt, sodass keine mechanische Ablenkeinheit erforderlich ist. Dadurch ist die Kamera mechanisch einfach, klein und leicht. Obwohl der optische Strahlengang überraschend einfach ist, steckt der Teufel im Detail: Ein Hauptproblem besteht darin, dass jeder Bildpunkt des Wärmebildes von einem individuellen Sensor umgewandelt wird, dessen Charakteristik der seines Nachbarn sehr ähnlich sein kann, aber dennoch messbar davon abweicht. Die Kompensation der Nichtübereinstimmung erfordert eine erhebliche Menge an Echtzeit-Bildverarbeitung sowie automatische NUC (Detektorfeld-Equalization). Moderne Matrixdetektor-Wärmebildkameras sind - abhängig von der verwendeten Sensor-Technologie - in der Lage, dank dieser Eigenschaften heute eine thermische Auflösung von 30mK (oder sogar 20mK) zu erreichen, was für die meisten Anwendungen ausreichend ist.
Grundsätzlich unterscheiden wir zwei Grundtypen: thermische Sensoren und Fotodetektoren. Die thermischen Typen basieren darauf, dass sie sich durch die Einwirkung von Infrarotstrahlung (Energie elektromagnetischer Wellen) erwärmen und dadurch eine ihrer elektrischen Eigenschaften verändern, aus der das erforderliche elektrische Signal "extrahiert" werden kann. Fotodetektoren hingegen liefern ein elektrisches Signal, das proportional zur Anzahl der Photonen ist, erfordern jedoch zur Funktionsweise eine tiefe Kühlung auf Temperaturen von -150°C ... -200°C. (Ohne Kühlung würde die ungeordnete Elektronenbewegung die Entstehung des nutzbaren physikalischen Effekts verhindern.)
Thermische Sensoren
Fotodetektoren (Quantendetektoren)
Aus den verschiedenen Sensortechnologien stehen Sensoren für verschiedene Wellenlängenbereiche je nach verwendetem Material zur Verfügung. Bolometer haben aufgrund ihrer geringen thermischen Empfindlichkeit nur für den langwelligen Wellenlängenbereich Verwendung.
Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass der Wellenlängenbereich des Sensors (spektrale Empfindlichkeit) den Anwendungsbereich der Wärmebildkamera maßgeblich beeinflusst. (Zur Erinnerung: Aufgrund der Übertragungseigenschaften der Atmosphäre sind für Wärmebildkameras verschiedene - begrenzte - Wellenlängenbereiche erforderlich. Aufgrund der sogenannten atmosphärischen Fenster werden Kurz-, Mittel- und Langwellen-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, Objekte hinter Glas zu erfassen.
Weitere anwendungsbezogene Einschränkungen ergeben sich auch im Zusammenhang mit großen (mehrere hundert Meter) Messabständen: Diese können nur mit langwelligen Wärmebildkameras realisiert werden. Andererseits ist die Erfassung von Verbrennungstemperaturen in den meisten Fällen nur mit mittelwelligen Wärmebildkameras möglich, während die umgekehrte Aufgabe - die Erfassung von Objekttemperaturen durch die Flamme hindurch ohne Erfassung der Flammentemperatur - sogar mit langwelligen Wärmebildkameras möglich ist.
Für viele Anwendungen - z. B. zur Temperaturmessung von dünnen Folien, zur Detektion von Gaslecks, für Messungen durch spezielle Messfenster (z. B. an Vakuumkammerfenstern, Ofenmessfenstern) - sind Wärmebildkameras und entsprechende Infrarotfilter im geeigneten Wellenlängenbereich je nach Material der zu messenden Objekte auszuwählen. Solche Aufgaben erfordern spezielles Wissen und Erfahrung, um teure Fehler zu vermeiden und sollten daher einem Fachmann überlassen werden.
Es gibt Wärmebildkameras mit matrixbasierten Detektoren, die Bildwiederholfrequenzen von z. B. 9, 15, 30, 50, 60, 120 Hz oder sogar 240 Hz bieten - unabhängig davon, ob es sich um stationäre oder tragbare Wärmebildkameras handelt. Wesentlich höhere Bildwiederholfrequenzen von bis zu 9000 Hz sind mit photonendetektorbasierten Wärmebildkameras möglich. Die erforderliche Bildwiederholfrequenz hängt von der thermischen Zeitkonstante des zu messenden Objekts, seiner Bewegungsgeschwindigkeit oder der Bewegungsgeschwindigkeit der Kamera ab.
Die Bildwiederholfrequenz einer Wärmebildkamera ist grundsätzlich kritisch, wenn die "Frequenz" der thermischen Veränderung doppelt so schnell ist wie die Bildfrequenz (Shannon). Wenn z. B. die zu erfassende Veränderung eine Periodendauer von 1/10 Sekunde hat, sind mindestens 20 Hz (besser 25 Hz) Bildwiederholfrequenz erforderlich. Bei Leistungselektronik können sogar Erwärmungen mit 300 Hz auftreten, die nur mit einer Bildwiederholfrequenz von über 600 Hz erfasst werden können. Dies ist nur mit einem Fotodetektor möglich, ebenso wie die Erfassung von Wärmeentwicklungen beim Fräsen, die Temperaturüberwachung von Airbags im Auto, die Untersuchung pyrotechnischer Prozesse oder die Analyse von stoßartigen mechanischen Einwirkungen.
Die Auflistung sollte nicht zu dem irrtümlichen Schluss führen, dass bei langsamen (oder sogar stationären) thermischen Prozessen die Bildwiederholfrequenz der Wärmebildkamera nicht kritisch sein könnte. Bei Bolometer-Wärmebildkameras wird die Bildwiederholfrequenz durch die Integrationszeit bestimmt, die festlegt, wie schnell sich Objekte bewegen können, um noch korrekt erfasst zu werden. Die maximale Bewegungsgeschwindigkeit ist diejenige, bei der die projizierte Erfassungsfläche eines einzelnen Detektors während der Integrationszeit nicht so weit in Bewegungsrichtung verlängert wird, dass diese Erfassungsfläche während der Integrationszeit nicht mehr von der Objektoberfläche "abgedeckt" wird.
Vergrößerte Ansicht der laufenden Beine (der langsam bewegte Körper und das linke Bein auf dem Boden sind scharf, die Hände und das rechte Bein in schneller Bewegung - verwischt)
Beispiel:
Wenn wir ein 15 mm breites Objekt mit einer Wärmebildkamera mit einer Bildwiederholfrequenz von 30 Hz (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 Kamera und 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 obiger Gleichung beträgt die maximale Bewegungsgeschwindigkeit 0,52 m/s, was nur 1,87 km/h entspricht.
Ein weiteres Problem entsteht, wenn mit einer handgehaltenen Wärmebildkamera detaillierte Wärmebilder oder Messungen über größere Entfernungen gemacht werden sollen. Es ist bekannt, dass ein erfahrener - ruhiger - Fotograf auch bei einer Verschlusszeit von 1/60 ohne Stativ verwacklungsfreie Fotos machen kann, während ein "Amateur" bei einer Verschlusszeit von 1/125 gelegentlich verwackelte Bilder produziert. Diese Verschlusszeiten entsprechen einer Erfassungszeit von 17 ms bzw. 8 ms. Wie viel Geschick ist erforderlich, um mit einer 15 oder sogar nur 9 Hz Wärmebildkamera verwacklungsfreie Messungen aufzunehmen, bei denen die Kamera 30 ... 40 ms still gehalten werden muss!
Anders ausgedrückt: Um verwacklungsfreie Wärmebilder zu erstellen, sind Wärmebildkameras mit Integrationszeiten von weniger als 15 ms erforderlich, die in der Regel mindestens 50 Hz Bildwiederholfrequenz haben. Langsamere Wärmebildkameras sind für Aufnahmen ohne Stativ ungeeignet.
Jenseits der geometrischen Auflösung wird die "Detailgenauigkeit", die mit einer Wärmebildkamera erreicht werden kann, durch die Anzahl der Bildpunkte der Wärmebildkamera bestimmt. Der Grund dafür ist, dass zur grafischen Erkennbarkeit eine bestimmte minimale Anzahl von Bildpunkten auf bestimmte Teile des zu messenden Objekts fallen muss - ähnlich wie wir es von digitalen Fotos gewohnt sind. Daher ist es verständlich, dass bei mehr Bildpunkten die Oberfläche des Objekts mit größerer Detailgenauigkeit oder eine größere Objektoberfläche mit derselben Detailgenauigkeit auf einem einzigen Wärmebild dargestellt werden kann. Wenn die Anzahl der Bildpunkte gering ist, müssen viele Aufnahmen gemacht werden, und für die Auswertung zusammenhängender Objekte sowie für Berichte ist oft eine Montage der Bilder erforderlich (was eine zeitaufwändige Arbeit ist).
Bei Wärmebildkameras ist diese Frage keineswegs unbedeutend. Während bei digitalen Kameras von 10, 12 oder sogar mehr als 20 Megapixeln (20 Millionen Bildpunkte) die Rede ist, beträgt die Anzahl der Bildpunkte bei Matrix-Wärmebildkameras typischerweise 320x240 (also 76.800) oder 384x288, bei den professionellsten Wärmebildkameras jedoch 640x480 (also 307.200) oder sogar 1024x768 (also 786.432) Bildpunkte. Es gibt auch Kameras mit geringerer Leistungsfähigkeit (ein häufiger Typ mit 160x120 - also nur 19.200 Bildpunkten), die daher nur in der Lage sind, kleinere Flächen mit akzeptabler Detailgenauigkeit darzustellen, was ihren Anwendungsbereich natürlich stark einschränkt. Interessant ist auch, dass die Kosten für Wärmebildkameras mit den hochauflösenden Sensormatrizen von 640x480 bzw. 1024x768 Bildpunkten viel günstiger sind als die von Kameras mit geringer Pixelanzahl - den sogenannten Low-Cost-Wärmebildkameras.
Die folgende Abbildung zeigt den Einfluss der Anzahl der Bildpunkte auf die Effizienz des Arbeitsprozesses: Das Wärmebild auf der rechten Seite (640x480 Pixel) wurde mit einem Knopfdruck aufgenommen und - da es die gesamte zu untersuchende Gebäudeseite vollständig enthält - kann es ebenfalls mit nur einer Bewegung in das Protokoll eingefügt werden. Im Gegensatz dazu kann das Wärmebild auf der linken Seite (160x120 Pixel) nur einen kleineren Teil der Gebäudeseite erfassen, und seine Detailgenauigkeit lässt zu wünschen übrig. Um die Qualität des Wärmebilds auf der rechten Seite zu erreichen, wären 16-mal so viele Aufnahmen erforderlich, aber für die Montage der Wärmebilder ist sogar eine Überlappung erforderlich. Daher sind viel mehr - möglicherweise 20-25 Wärmebilder - erforderlich, natürlich viel mehr Zeit im Vergleich zum 640x480 Pixel Wärmebild.
Die eigentliche Unannehmlichkeit erwartet uns jedoch beim Erstellen des Protokolls, denn hier stoßen wir auf den Zeitaufwand für die Montage von 20-25 Wärmebildern, der je nach Geschicklichkeit 30 Minuten oder sogar mehrere Stunden betragen kann. Es ist also zu überlegen, ob wir uns für eine Wärmebildkamera mit geringerer Pixelanzahl entscheiden (und dann für unsere Einsparungen mit mehrfacher zusätzlicher Arbeit bezahlen), oder ob wir durch eine Wärmebildkamera mit höherer Pixelanzahl das Werkzeug für effizientes Arbeiten erhalten.
Softwarebasierte Auflösungserhöhung durch Interpolation
Da aufgrund der relativ geringen Anzahl von Bildpunkten bei Wärmebildkameras die Erstellung beeindruckender Wärmebilder (und somit von Protokollen) (insbesondere bei Kameras mit geringerer Pixelanzahl der Sensormatrix) auf erhebliche Schwierigkeiten stößt, wenden einige Hersteller von Wärmebildkameras die bei Grafikprogrammen übliche Interpolation an, um dieses Problem zu mildern. Bei diesem Verfahren wird zwischen jedem Pixelpaar des aufgenommenen Wärmebilds ein weiterer - mathematisch generierter - Bildpunkt eingefügt, wodurch die Anzahl der Bildpunkte im Wärmebild um das Vierfache erhöht wird (durch Verdoppelung in horizontaler und vertikaler Richtung). Allerdings liefert dieses Verfahren ein Wärmebild, das 75% berechnete - also nicht reale - Bildpunkte enthält. Die Verbesserung der visuellen Darstellung des Wärmebilds erfolgt also auf Kosten der Verfälschung der Daten des Wärmebilds. Daher wird die Anwendung dieses Verfahrens nicht empfohlen.
Softwarebasierte Auflösungserhöhung durch Ausnutzung von Handzittern
Ausgehend davon, dass eine Sensormatrix tatsächlich nicht aus nahtlos nebeneinander angeordneten einzelnen Sensoren besteht, sondern um jeden Sensor herum eine (fast halbpixelige) - nicht messende - Lücke vorhanden ist (um thermische Durchdringung zu vermeiden und aufgrund der elektrischen Verdrahtung der einzelnen Sensoren), erfolgt auch die Erfassung des zu messenden Objekts nur "lückenhaft". Um dieses Problem zu beheben, beginnt sich in den letzten Jahren anstelle der Interpolation ein anderes softwarebasiertes Verfahren zur Erhöhung der Wärmebildpixelauflösung zu verbreiten (z. B. unter den Namen Super Resolution oder UltraMax). Diese Verfahren basieren auf den geringfügigen horizontalen und vertikalen Verschiebungen des Sichtfelds, die durch das Zittern oder die Bewegung der Hand des Benutzers, der die Wärmebildkamera hält, verursacht werden.
Die Methode ist sehr einfach: Anstelle eines Wärmebildes werden typischerweise die Daten von 16 Wärmebildern gespeichert, und mit Hilfe der Software wählen wir die vier Aufnahmen aus, die durch das Zittern der Hand jeweils um einen halben Pixel horizontal und vertikal "passen", und fügen die Wärmebilder pixelweise nebeneinander oder untereinander zusammen. Auf diese Weise entsteht auch aus dem leeren Raum zwischen den ursprünglich jeweils zwei elementaren Sensoren (Bildpunkten) Daten, die Anzahl der Bildpunkte verdoppelt sich sowohl horizontal als auch vertikal - unser Wärmebild wird viermal höher aufgelöst sein im Vergleich zur ursprünglichen Detektormatrix-Pixelanzahl. Darüber hinaus verbessert sich auch die geometrische Auflösung der Wärmebildkamera (genau um 34%), da die Erfassung des Sichtfelds nun nahtlos ist.
Obwohl diese Methode so einfach (und kostengünstig) ist, birgt sie auch viele Fallstricke. Bei einer auf einem Stativ montierten Wärmebildkamera ist sie überhaupt nicht anwendbar, und das Zittern der Hand des Menschen muss nur sehr selten "regelmäßig" genug sein, damit die Software vier der gespeicherten 16 Wärmebilder auswählt, die auf die beschriebene Weise miteinander kombiniert werden können. (Denken Sie daran, dass der gesamte Vorgang fast eine Sekunde dauert: Wenn sich in dieser Zeit unsere Hand neigt oder sinkt, wird es unmöglich sein, die 4 kombinierbaren Wärmebilder zu erhalten.) Der Softwarealgorithmus ist außerdem nicht in der Lage, die Wärmebilder auszuwählen, wenn das Wärmebild nicht ausreichend große und klare Kontraste (steile Temperaturgradienten) aufweist oder wenn sich in einem Teil des Sichtfelds eine Verschiebung befindet.
In den oben genannten Fällen wendet die Software - leider ohne jegliche Warnung - anstelle der Zusammenführung der Wärmebilder zur Erreichung der gewünschten Pixelanzahl die im Folgenden beschriebene Auflösungssteigerung durch Interpolation an. Dadurch entstehen nicht vorhandene Pixelinformationen, und die "versprochene" Verbesserung der geometrischen Auflösung durch die Methode wird nicht erreicht! Messtechnisch können wir also nie sicher sein, welches unserer auf diese Weise erstellten Wärmebilder tatsächlich nur echte Pixel enthält und wann wir tatsächlich eine bessere geometrische Auflösung erwarten können. Die Anwendung dieses Verfahrens wird daher nicht empfohlen.
Hardwareauflösungssteigerung mit dem Micro-Scan-Verfahren
Die vierfache Pixelanzahl der in Matrix-Wärmebildkameras eingebauten Sensormatrixauflösung kann basierend auf den obigen Informationen nur zuverlässig (und garantiert) durch Hardwareänderungen erreicht werden. Dazu ändern wir (innerhalb der Wärmebildkamera!) die Position des Strahlengangs auf die Sensormatrix, indem wir den Sensor mikroskopisch bewegen oder die optische Ablenkung der einfallenden Strahlung horizontal und vertikal innerhalb der Sensormatrix hintereinander ändern. Auf diese Weise wird auch die auf den leeren Raum zwischen den ursprünglich jeweils zwei elementaren Sensoren (Bildpunkten) projizierte Strahlung erfasst, und somit können für die Bildgebung verwendbare Daten generiert werden, während die geometrische Auflösung der Wärmebildkamera in jedem Fall (ohne Ausnahme) um 34% zunimmt. Diese Methode basiert nicht auf dem Zittern unserer Hand und kann daher selbstverständlich auch bei auf Stativen montierten Wärmebildkameras angewendet werden.
Obwohl das Micro-Scan-Verfahren auch nicht gerade als schnell bezeichnet werden kann (es dauert 0,5 ... 1 Sekunde, um ein hochauflösendes Wärmebild zu erstellen), ist es derzeit die einzige Methode, um echte Pixel-basierte extra große Wärmebilder mit maximaler geometrischer Auflösung zu erstellen. Beispiele für Wärmebildkameras mit dieser Fähigkeit sind die Jenoptik VarioCAM-Gerätefamilien, die über eine solche optionale Funktion namens Resolution Enhancement verfügen. Mit den Wärmebildkameras VarioCAM hr mit einem 640x480 Pixel-Detektor können im Micro-Scan-Modus 1,23 Millionen Pixel, und mit den Wärmebildkameras VarioCAM HD mit einem 1024x768 Pixel-Detektor 3,15 Millionen Pixel - ausschließlich echte Messdaten enthaltende - Wärmebilder erstellt werden. Dies ermöglicht es, äußerst detaillierte Messungen von sehr großen Oberflächen ohne jegliche nachträgliche Montage durchzuführen.
Fortsetzung folgt!
Rahne Eric
Dipl.-Ing. Elektrotechnik (BME)
Schwingungsdiagnose-Experte
Thermografie-Experte
(Thermograph Level3)
pim-kft.hu
termokamera.hu
Der Inhalt der Veröffentlichung ist urheberrechtlich geschützt. Die (teilweise) Nutzung, elektronische oder gedruckte Weiterveröffentlichung ist nur mit Angabe der Quelle und des Autors sowie mit der vorherigen schriftlichen Genehmigung des Autors gestattet. Die Verletzung des Urheberrechts hat rechtliche Konsequenzen.
Copyright © PIM Professzionális Ipari Méréstechnika Kft.
2026 | Minden jog fenntartva
Impresszum | Adatkezelés