Tabelle 1: Zusammenhang zwischen Wärmebild-Pixelanzahl und Arbeitsaufwand Die Auswahl der geeigneten Wärmebildkamera kann dann auf folgender Logik basieren: Diejenige Wärmebildkamera sollte gewählt werden, deren Preis bei möglichst hoher Pixelanzahl gerade noch niedriger ist als das Produkt aus dem zu bewältigenden Arbeitsvolumen (Anzahl der Schränke · Messhäufigkeit · oben genannte Zeitfaktoren) und dem darauf bezogenen 3* jährlichen Arbeitslohn. (3 Jahre entsprechen der Hälfte der aktuellen technischen Veraltungszeit von Wärmebildkameras. Dies entspricht nicht der typischen Lebensdauer der Geräte.) Eine deutlich teurere Wahl wäre Verschwendung, während die "billigeren" zu übermäßigen Arbeitskosten führen würden. Die auf dieser Überlegung basierend ausgewählte Wärmebildkamera erzielt ab dem dritten Jahr einen klaren Gewinn im Vergleich zu Wettbewerbern mit geringerer Pixelanzahl.

Bildaufnahmefrequenz/-aktualisierungsfrequenz

Auch die Bildaufnahme- / Bildwiederholfrequenz ist ein nicht zu vernachlässigender technischer Parameter. Gängige Mikrobolometer-Wärmebildkameras decken einen breiten Bereich von Bildaufnahmefrequenzen ab. Im Allgemeinen unterscheiden wir zwischen langsamen 9 ... 15 Hz und schnelleren 50 ... 60 Hz bzw. maximal 240 Hz Bildwiederholfrequenz-Wärmebildkameras. (Es gibt auch noch schnellere - bis zu 9 kHz - Bildaufnahmefrequenzen bereitstellende Wärmebildkameras, die jedoch über Fotondetektoren verfügen, um diese Geschwindigkeit zu erreichen.) Mit wenigen Ausnahmen haben thermische Prozesse in der Regel eine große Zeitkonstante, und wenn sich das Objekt nicht bewegt, sind die oben genannten (mit Bolometer erreichbaren) Bildfrequenzen mehr als ausreichend. Es gibt jedoch sehr schnelle (transiente) Temperaturprozesse oder schnell bewegte Messobjekte, für deren Erfassung wesentlich höhere Bildfrequenzen erforderlich sind. Zum Beispiel können für die Erfassung des Aufheizvorgangs eines eingeschalteten elektrischen Geräts oder der Temperaturänderungen während des Abschaltens einer Last sogar Bildwiederholungsraten im Bereich von mehreren kHz erforderlich sein. Es können ernsthafte Probleme auftreten, wenn mit einer Hand gehaltene Wärmebildkameras ausreichend detaillierte Wärmebilder oder sogar Messungen über größere Entfernungen machen möchten. Es ist bekannt, dass ein ruhiger Fotograf auch bei einer Verschlusszeit von 1/60 in der Lage ist, verwacklungsfreie Fotos zu machen (ohne Stativ). Eine "Amateur"-Hand kann jedoch selbst bei einer Verschlusszeit von 1/125 gelegentlich verwackelte Bilder erzeugen. Diese Verschlusszeiten entsprechen einer Erfassungszeit von 17 ms bzw. 8 ms. Welche Geschicklichkeit ist erforderlich, um mit einer nur 9 Hz-Wärmebildkamera verwacklungsfreie Wärmebilder zu machen! Dafür müssten Sie die Wärmebildkamera bis zu 30 ... 40 ms lang ruhig halten! Mit anderen Worten: Um verwacklungsfreie Wärmebilder mit einer Hand gehaltenen Kameras aufzunehmen, müssen diese eine Integrationszeit von weniger als 15 ms haben, was einer Bildwiederholrate von 50 Hz oder schneller entspricht.

Fokussierung

Leider ist es unter den Messschwierigkeiten nicht nur die Verantwortung des Bedieners der Wärmebildkamera, Reflexionen zu vermeiden, sondern - da Wärmebildkameras optische Messgeräte sind - auch die korrekte Fokussierung verdient besondere Aufmerksamkeit. Ein Fehler bei der Fokussierung führt - entgegen der allgemeinen Meinung - nicht nur zu unscharfen Wärmebildern, sondern auch zu schwerwiegenden Messfehlern. Im Zusammenhang mit der Fokussierung steht auch der Bereich der Tiefenschärfe, der insbesondere bei Nahaufnahmen sehr gering ist und somit zu erheblichen Einschränkungen (und damit zu schweren Messfehlern) führt. Die optische Fokussierung funktioniert genauso wie wir es von der Fotografie gewohnt sind: Die Aufgabe des Sammel- oder Fokussierobjektivs innerhalb der Kamera besteht darin, die einfallenden Strahlen auf die Sensorfläche (im herkömmlichen Fotografiebereich auf den Film) zu projizieren. Bei falscher Fokussierung fällt nur ein Teil der Strahlungsmenge auf die "scharfe" Sensorfläche, der Rest wird in deren Umgebung projiziert. Dies führt dazu, dass bei einem lokalen Temperaturmaximum die gemessene Temperatur niedriger und bei einem lokalen Minimum höher als in der Realität ist. Je schlechter die Fokussierung ist, desto größer ist die Abweichung vom realen Wert.

Die Abbildung 5 zeigt, dass bei schlechter Fokussierung nur ein Teil der einfallenden Strahlung auf die korrekte Abbildungsfläche der Sensormatrix fällt, der Rest der Strahlung trifft ihre Umgebung. Daher zeigen Wärmebildkameras bei falscher Fokussierung immer weniger extreme Mindest-/Höchsttemperaturen als die tatsächlich auf der Oberfläche des Objekts vorhandenen, wie dies die Bildreihe 2-4 zeigt.

Das Ausmaß des Fehlers (Erhöhung des lokalen Mindestwerts bzw. Verringerung des lokalen Höchstwerts) hängt von der Tiefenschärfe ab, die mit der Messentfernung zusammenhängt, sowie von der geometrischen Größe des lokalen Minimums/Maximums. Je näher die Messung erfolgt (und damit die Tiefenschärfe kleiner ist), desto kritischer ist die genaue Fokussierung. Mit zunehmender geometrischer Größe des lokalen Minimums bzw. Maximums nimmt die Größe der Wertverfälschung ab. Details dazu sind in der Tabelle 2 dargestellt.

2. Tabelle: Angezeigte Spitzenwerte in Abhängigkeit von der Größe des heißen Bereichs und der Fokussiergenauigkeit (100°C heißer Bereich und 20°C andere Oberflächentemperatur)

Tiefenschärfebereich

Die Abbildung des Objekts erfolgt nicht nur genau von der durch das optische System der Wärmebildkamera definierten, fokussierten "scharfen" Objektebene, sondern auch für nähere und entferntere Objekte, die sich im sogenannten Tiefenschärfebereich befinden. Der Tiefenschärfebereich hängt von folgenden Parametern ab:

• je kleiner die Brennweite des Objektivs, desto größer ist der Tiefenschärfebereich
• je kleiner die Blendenöffnung (Blende), desto größer ist der Tiefenschärfebereich
• je größer der Objektabstand, desto größer ist der Tiefenschärfebereich

Als Folge ist die Tiefenschärfe bei der Aufnahme von sehr nahen Objekten (z. B. bei Makro- oder Mikroskopobjektivaufnahmen) und aufgrund der Verwendung großer Blendenöffnungen in niedrigen Messbereichen sehr gering. Das Problem tritt daher hauptsächlich bei Mikrobolometer-Wärmebildkameras auf, die im Vergleich zu Fotondetektoren eine deutlich geringere Empfindlichkeit aufweisen, insbesondere bei geringen Objektabständen. Wenn auf den n-ten Teil der hyperfokalen Entfernung fokussiert wird, nimmt die Tiefenschärfe ungefähr proportional zu n² ab. Zur Veranschaulichung der Tiefenschärfebereichsgrenzen nehmen wir eine Wärmebildkamera mit folgenden Parametern als Grundlage: Detektor-Pixelformat (rp): 17 µm (Diagonale) Objektiv: Blendenanzahl (k): 1 und Brennweite (f): 30 mm Aus den obigen Daten (Blendenanzahl und Brennweite) ergibt sich sofort, dass die Blendenöffnung des Objektivs 30 mm beträgt. Daraus können wir die hyperfokale Entfernung berechnen (d. h. die Entfernung, bei der der Tiefenschärfebereich bis ins Unendliche reicht). Mit der Näherungsformel l hf = f x d irisz /r p ergibt sich in diesem Beispiel eine Entfernung von ca. 5,3 m. In diesem Fall liegt die nahe Grenze der Tiefenschärfe genau bei der Hälfte der Brennweite, also bei 2,65 m. Ohne die Gleichungen zur Berechnung der nahen und fernen Grenzen der Tiefenschärfe zu erwähnen, ist die grafische Darstellung ihrer Werte in Abbildung 6 zu sehen. Abhängig von der gewählten Brennweite erhalten wir also innerhalb der hier angegebenen Grenzen ein scharfes Wärmebild - bei ferner Fokussierung in einem weiten Entfernungsbereich, bei naher Fokussierung jedoch nur in einem sehr engen Bereich.

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

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