Produktionstrend 2011/03, Technische Diagnoseabteilung

"Ein universelles Messverfahren"

Wenn bestimmte Messaufgaben mit thermografischen Geräten gelöst werden sollen, stoßen wir leicht auf verschiedene in der Praxis verbreitete Wärmebildgebungsmethoden sowie zahlreiche schwer feststellbare und bewertbare technische Parameter, von denen jedoch jeder bei der Auswahl des richtigen Lösungswegs berücksichtigt werden muss.

Kurz nach der Entdeckung der Infrarotstrahlung (physikalisch korrekter wäre die Bezeichnung elektromagnetische Wellen im Infrarotbereich) wurden die ersten militärisch wichtigen bildgebenden Systeme realisiert. Zum Beispiel wurde die militärische Infrarotaufklärung zum entscheidenden Antrieb hinter der Entwicklung der Infrarotthermografie (ein Beispiel hierfür sind die sogenannten Infrarot-Zielsuchgeräte mit den Bezeichnungen "Sniper Scope" oder "Snooper Scope" aus den USA von 1939). Die ersten für zivile Anwendungen vorgesehenen thermografischen Geräte erschienen erst einige Jahrzehnte später in den 1960er Jahren. Im Gegensatz zu den militärischen Zielsuchgeräten dienten diese zivilen Geräte bereits der Messung der Intensität der Infrarotstrahlung und der Bestimmung der Temperaturen aus dem Wärmebild mithilfe berührungsloser Methoden, die aus der Fernwärmebekannt sind. Unsere Abbildung veranschaulicht die Bekanntheit verschiedener Detektortechnologien sowie das Auftreten und die Entwicklung der Technologien von Thermografiekameras (Wärmebildkameras).

Prinzipien der Thermografie-Bildgebung

Der Kern eines thermografischen Geräts ist der Infrarotstrahlungsdetektor, der die Intensität der Strahlung des Objekts in ein elektronisch analysierbares Signal umwandelt. Die heute verfügbaren thermografischen Geräte basieren auf einem der folgenden Prinzipien.

Wärmedetektor-Vidicon-System In der historischen Entwicklung der Thermografie erschien sehr früh ein Thermografiegerät mit Wärmedetektor-Vidicon-Röhre - also einer Vakuumröhre, die empfindlich für Infrarotlicht ist. Diese Geräte wurden mit Infrarotlicht-empfindlichen Zielmaterialien wie beispielsweise Triglycinsulfat hergestellt, ähnlich den Fernsehbildröhren jener Zeit. Während diese Geräte keine physische Detektor-Kühlung benötigten und nicht genügend Stabilität für die Temperaturmessung boten, dienten sie meist nur zu Beobachtungszwecken. Diese Technologie verdient heute kaum noch Entwicklungsaufmerksamkeit, wird jedoch weiterhin verwendet - beispielsweise im Schießsport -, da sie wenig Platz einnimmt und kostengünstig ist.

Abtastende Wärmebildkameras Die abtastenden Kameras verwenden einen einzigen (Punkt-)Detektor zur Umwandlung der Infrarotstrahlung und tasten das zu messende Objekt mit einem mechanischen System ab. Während die Umsetzung dieses Bildgebungskonzepts einen Hochgeschwindigkeitsdetektor und hochpräzise Komponenten erfordert, bietet es erhebliche Vorteile gegenüber allen anderen Methoden im Bereich der Messanwendungen. Für jeden Bildpunkt wandelt ein einzelner (Punkt-)Detektor das Signal um. Da somit das Wärmebild unter perfekt gleichen Bedingungen für jeden Bildpunkt erzeugt wird, werden sehr gute Bildhomogenität erreicht (die Differenz zwischen gleich temperierten Punkten ist minimal oder nicht vorhanden). Im dargestellten Beispiel in der Abbildung erzeugt ein drehbarer Spiegel die horizontale Ablenkung des Strahls innerhalb der abtastenden Wärmebildkamera, während ein schwingender Spiegel die vertikale Ablenkung bereitstellt. Andere Typen - wie beispielsweise drehbare Prismenspiegel - sind ebenfalls mögliche Lösungen.

Matrixdetektor-Wärmebildkameras In den letzten Jahren werden Matrixdetektor-Wärmebildkameras in der Infrarotthermografie immer häufiger eingesetzt. Bei der Verwendung solcher Detektoren ist keine mechanische Ablenkeinheit erforderlich, wodurch die Kamera mechanisch einfacher, kleiner und leichter wird.

Obwohl der optische Strahlengang einer Matrixdetektor-Wärmebildkamera überraschend einfach ist, verbirgt sich der Teufel hier im Detail: Ein Hauptproblem ist, dass jeder Bildpunkt des Wärmebildes von einem individuellen Sensor umgewandelt wird, dessen Charakteristik der des benachbarten Elements sehr ähnlich sein kann, aber dennoch messbar davon abweicht. Die Kompensation des Mangels an Übereinstimmung erfordert eine erhebliche Menge an Echtzeit-Datenverarbeitung. Dies wird durch die Tatsache bestätigt, dass die ersten Wärmebildkameras mit Matrixdetektor ohne Temperaturmessfunktionen empfohlen wurden. Die Kamerahersteller integrierten diese Technologie erst später in die Kamera, zunächst nur mit einem - in der Mitte des Bildes befindlichen - Messpunkt, später auf alle Bildpunkte erweitert. Die meisten Kameras mit Matrixdetektor arbeiten im kurzwelligen Bereich und verwenden besonders leistungsstarke InSb-, CdHgTe- und sehr kostengünstige PtSi-basierte Detektoren.

Matrixdetektoren, die durch einen langwelligen Messbereich gekennzeichnet sind, können nur auf der teuren CdHgTe-Basis hergestellt werden und werden bisher nicht mit einer großen Anzahl von Bildpunkten hergestellt. Eine Alternative ist die relativ neue sogenannte Quantum-Well (Widerstands- oder Bolometer-) Sensortechnologie, die die Herstellung von hochauflösenden Sensoren mit hoher Wärme- und geometrischer Auflösung im langwelligen Bereich ermöglicht. In einigen Fällen können die nicht allzu strengen Anforderungen an die Reaktionszeit der einzelnen Elemente der Matrixdetektoren die Verwendung von ungekühlten Detektoren ermöglichen. Aufgrund strahlenphysikalischer Gründe kann jedoch die hohe Wärmeauflösung, die bei niedrigen Temperaturen erwartet wird, nur mit ungekühlten Geräten im langwelligen Bereich erreicht werden. Als Ergänzung zu der bisherigen Klassifizierung können auch einige andere Gesichtspunkte auftauchen:

• Wellenlänge (kurz- oder langwellig)
• Bildaufnahmefrequenz (Echtzeit oder Abtastung)
• Geräteaufbau (tragbar oder stationär)

Bestimmung und Bewertung der Geräteparameter

Wenn bestimmte Messaufgaben mit thermografischen Geräten gelöst werden sollen, stoßen wir leicht auf zahlreiche schwer feststellbare und bewertbare technische Parameter. Wenn der beabsichtigte Einsatz nicht eindeutig konventionell ist, kann der richtige Weg oft nur durch Probemessungen bestimmt werden. Es gibt jedoch einige Parameter, deren Überlegung auf jeden Fall jeder Prüfung vorausgehen muss. Im Folgenden werden einige grundlegende technische Parameter mit ihrer Erläuterung vorgestellt. Spektraler Messbereich Der für die berührungslose Messung technisch relevanter Temperaturen verwendbare Wellenlängenbereich der Infrarotstrahlung beginnt ungefähr bei 0,8 µm und erstreckt sich bis 20 µm. Während die thermische Fernmessung ähnlich wie die Infrarotthermografie mehrere spektrale Bereiche verwendet, beschränkt sich der Bereich für die Thermografie auf zwei Intervalle, 3(2)–5 µm oder 8–14(12) µm, die sich aus der Nutzung des sogenannten mittleren bzw. langwelligen atmosphärischen Fensters ergeben. Da die Atmosphäre die langwellige Wärmestrahlung weitgehend durchlässt, ist dieser Bereich für Messungen im Freien über große Entfernungen sehr geeignet. Die Elemente der Atmosphäre - Wasserdampf, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe usw. - können den mittelwelligen Bereich bereits über eine Entfernung von wenigen Metern stark beeinflussen (abschwächen). Was wie ein Nachteil aussieht, hat auch eine positive Wirkung: Die Temperatur von Flammen, Verbrennungsgasen usw. kann mit der kurzwelligen Thermografie bestimmt werden, während sie im langwelligen Bereich transparent sind. Es können auch Messungen erforderlich sein, die durch ein Infrarotstrahlung durchlässiges Fenster durchgeführt werden müssen. Die für die Herstellung solcher Fenster verwendeten Materialien können völlig unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen, daher muss die Wahl des Messwellenlängenbereichs der Wärmebildkamera basierend darauf getroffen werden. Schließlich kann der spektrale Emissionsfaktor des Objekts auch die zu wählende Wellenlängenbereich beeinflussen. Temperaturauflösung Insbesondere wenn der zu messende Bereich zwischen Raumtemperatur und dem unteren Ende des Messbereichs liegt, bestimmt die Temperaturauflösung maßgeblich die Bildqualität. Die "NETD" (noise equivalent temperature difference) stellt den effektiven Wert des Eigenrauschens der Wärmebildkamera dar, ausgedrückt in der Temperaturdifferenz des Objekts, die eine gleichwertige elektrische Signaländerung erzeugt (normalerweise bei 30°C gemessen). (Mit anderen Worten: Die "NETD" ist der Wert der Änderung der Objekttemperatur, der eine elektrische Signaländerung erzeugt, die dem Eigenrauschen der Wärmebildkamera entspricht.) Geometrische Auflösung Neben der Temperaturauflösung beeinflusst auch die geometrische Auflösung maßgeblich die Bildqualität der Wärmebildkamera. Der Parameter IFOV (instantaneous field of view, momentaner Blickwinkel) gibt den Blickwinkel an, der mit einem einzigen Sensor (Pixel) abgebildet wird. Zum Beispiel bedeutet der Wert von 1,5 mrad, dass jeder dem Objekt zugeordnete - auf das Objekt projizierte - Messpunkt bei einer Entfernung von 1 m einen Durchmesser von 1,5 mm hat, bei 2 m Entfernung hat die projizierte Fläche einen Durchmesser von 3 mm usw. (Dies sollte als der Lichtstrahl einer Taschenlampe betrachtet werden, der je nach Entfernung einen immer größeren Durchmesser eines Kreises umfasst.) Da dieser Wert immer nur für die gerade verwendete Optik gilt, muss unbedingt überprüft werden, ob diese Optik dem gewünschten Sichtfeld oder der Brennweite entspricht.

 

Es ist wichtig, dass das zu messende Objekt mindestens dreimal (aber mindestens zweimal) größer ist als die projizierte Messfläche in der jeweiligen Entfernung, da andernfalls der Messfleck nicht nur die Oberfläche des Objekts, sondern auch den Hintergrund enthalten kann. Da innerhalb des Messflecks eine Mittelung erfolgt, kann das Messergebnis aufgrund der Hintergrundtemperatur kleiner oder größer als die tatsächliche Temperatur des Objekts sein.

Bildaufnahmefrequenz Infrarotkameras decken heute auf dem Markt einen breiten Bereich von Aufnahmefrequenzen ab; im Allgemeinen wird zwischen langsamen, etwa 1 Hz abtastenden und Echtzeitgeräten mit ca. 50 Hz Unterschieden gemacht. Es gibt jedoch auch schnellere Infrarotkameras, die Bildaufnahmefrequenzen von bis zu 6 kHz bieten. Dieser Parameter kann natürlich den Preis erheblich beeinflussen, daher sollte die maximale Bildfrequenz sorgfältig abgewogen werden. Mit wenigen Ausnahmen sind thermische Prozesse in der Regel langsam, und wenn sich das Objekt nicht bewegt, reicht ein Bild pro Sekunde aus. Im Gegenzug erhalten wir jedoch die beste Bildqualität und Auflösung. Detektor-Kühlung Heutzutage sind viele Langwellen-Infrarotgeräte ohne Kühlung erhältlich, die über Temperaturmessfähigkeiten verfügen. Die genauesten Messungen sowie die Kurz- und Mittelwellen-Infrarotkameras werden jedoch mit gekühlten Fotondetektoren hergestellt. Anstelle von flüssigem Stickstoff haben sich heute eher hochzuverlässige Miniatur-Kältekompressoren (Stirling-Kühler) zur Sicherstellung ihrer Kühlung durchgesetzt. Bei einigen Detektortypen besteht die Möglichkeit, zusätzlich die thermoelektrische (Peltier) Kühlung anzuwenden, obwohl damit nicht so niedrige Temperaturen erreicht werden können.  

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

Kontakt

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 vorheriger schriftlicher Genehmigung des Autors gestattet. Die Verletzung des Urheberrechts (Copyright) hat rechtliche Konsequenzen.