Produktionstrend 2011/12, Technische Diagnoseabteilung

"Ein universelles Messverfahren"

Die Distributoren von Wärmebildkameras und die Anbieter von Wärmebildaufnahmen begehen oft schwerwiegende fachliche Fehler bei der Erstellung von Wärmebildern sowie bei der Auswahl von für die Aufgabe geeigneten Wärmebildkameras. Im Folgenden setzen wir die Veröffentlichung der wichtigsten Informationen zur aufgabenabhängigen Auswahl des Kameratyps fort.

Die geometrische Auflösung der Wärmebildkamera beeinflusst maßgeblich die Bildqualität der Wärmebildkamera, die Genauigkeit der Messung und sogar die Anwendbarkeit der Wärmebildkamera für bestimmte Aufgaben. Der sogenannte IFOV (Instantaneous Field of View, kleinster elementarer Sichtwinkel) gibt den Winkel an, der mit einem einzelnen Sensor (Pixel) abgebildet wird. Zum Beispiel bedeutet der Wert von 1,5 mrad, dass jeder Pixel - auf das Objekt projiziert - 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 ist vorstellbar wie der Lichtstrahl einer Taschenlampe, der je nach Entfernung einen immer größeren Kreis umfasst.) Es ist wichtig, dass das zu messende Objekt mindestens dreimal (aber mindestens zweimal) größer ist als die einzigartige Messfläche, die in der gegebenen Entfernung projiziert wird, da sonst 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 entweder niedriger oder höher als die tatsächliche Temperatur des Objekts sein. Je größer der Unterschied zwischen der Temperatur des Objekts und des Hintergrunds ist, desto größer wird auch der Messfehler sein.

Es muss in unterschiedlichen Dimensionen gedacht werden

Natürlich gilt die oben genannte Regel nicht nur für kleine Objekte (z. B. dünne Drähte, Glühbirnen), sondern auch für große Objekte (z. B. große Querschnittskabel, Türen und Fenster) bei der Messung. Offensichtlich sprechen wir von anderen Dimensionen: Bei kleinen Objekten handelt es sich um Messflächen im Bereich von Millimetern, die je nach geometrischer Auflösung der verwendeten Wärmebildkamera und Optik nur aus Entfernungen von höchstens mehreren Dezimetern gemessen werden können; bei großen Objekten kann von Messflächen in Zentimetern gesprochen werden, die aus Entfernungen von mehreren Metern (bis zu 10 - 100 m) erfasst werden können. In jedem Fall ist die Verwendung eines Geräts erforderlich, das die Einhaltung der Regel ermöglicht.

Da die geometrische Auflösung immer nur für die jeweils verwendete Optik gilt, muss unbedingt überprüft werden, ob die auf der Wärmebildkamera montierte Optik dem gewünschten Sichtfeld und der Fokuslänge entspricht. Während einige Wärmebildkameras mit austauschbaren Objektiven oder Weitwinkel- und Makro-Objektivvorsätzen erhältlich sind, können andere (sehr selten) mit zusätzlichen Zoomobjektiven bestellt werden. Darüber hinaus verfügen die bereits erwähnten Scanning-Geräte in der Regel auch über einen internen elektrooptischen Zoom, der es ermöglicht, die Bildvergrößerung beizubehalten und gleichzeitig die Größe des einzelnen Bildpunkts zu vergrößern.

Schlussfolgerungen zur geometrischen Auflösung

Die geometrische Auflösung der Wärmebildkamera und der Optik setzt eine Grenze dafür, wie groß das kleinste messbare Objekt - aus einer bestimmten Entfernung - sein kann. Vor jeder Messung muss überprüft werden, ob tatsächlich mindestens zwei (besser drei) elementare (projizierte) Bildpunkte auf der kleinsten zu messenden Oberfläche liegen. Wenn wir keine andere (austauschbare) Optik haben, um diese Bedingung zu erfüllen, müssen wir die Messentfernung so lange reduzieren, bis wir diese Regel einhalten. Andernfalls sind erhebliche Messfehler zu erwarten.

Die Bildauflösung der Wärmebildkamera

Neben der geometrischen Auflösung bestimmt die Auflösung der Wärmebildkamera, dh die Anzahl der Bildpunkte, die Qualität des mit der Wärmebildkamera erzielten Bildes genauer gesagt die Genauigkeit der Messung. Der Grund dafür ist, dass zur grafischen Erkennbarkeit eine bestimmte minimale Anzahl von Bildpunkten auf bestimmte Teile des zu messenden Objekts fallen muss - genauso wie wir es von der digitalen Fotografie gewohnt sind. Es ist leicht verständlich, dass bei mehr Bildpunkten die Oberfläche des Objekts detaillierter dargestellt werden kann oder eine größere Oberfläche 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 die Erstellung von Berichten ist oft das Montieren von Bildern erforderlich (was eine sehr zeitaufwändige Arbeit ist). Bei Wärmebildkameras ist diese Frage nicht unerheblich. Während wir bei digitalen Kameras von 5, 6, 7 oder sogar mehr als 10 Megapixeln (10 Millionen Bildpunkten) sprechen, beträgt die Anzahl der Bildpunkte bei Matrix-Wärmebildkameras typischerweise 320×240 (also 76.800) Bildpunkte.Es gibt auch Kameras mit geringerer Kapazität (ein häufiger Typ ist 160×120, also nur mit 19.200 Pixeln ausgestattet), die daher nur in der Lage sind, kleinere Flächen mit akzeptabler Detailgenauigkeit darzustellen, was natürlich ihren Anwendungsbereich stark einschränkt (aber ihr Preis sehr günstig ist). Dank der Entwicklung der Sensoren von Wärmebildkameras werden immer mehr Kameras mit mehr Pixeln hergestellt. Wärmebildkameras mit einer Sensor-Matrix mit 384×288 Elementen sind zu einem akzeptablen Preis erhältlich, und sogar Geräte mit einer Sensor-Matrix von 640×480 Pixeln (mit Bildwiederholraten von 50 bzw. 60 Hz). Bei speziellen Aufgaben Für spezielle Aufgaben werden sogar Wärmebildkameras mit noch höherer Auflösung hergestellt, die durch einen kleinen technischen "Trick" die vierfache Pixelanzahl der eingebauten Sensor-Matrix bieten. Durch Mikrobewegungen des Linsensystems oder durch andere optische Ablenkungen des Strahls wird die Position des auf die Sensor-Matrix projizierten Strahls verändert, sodass auch die Strahlung zwischen den ursprünglich leeren Stellen zwischen jeweils zwei Elementarsensoren (Pixeln) erfasst wird und somit für die Bildgebung genutzt werden kann. Diese Methode ist natürlich langsamer als eine Bildwiederholrate von 50 Hz (die Aufnahme eines vierfach höher aufgelösten Bildes dauert ungefähr 1 Sekunde), ermöglicht jedoch die Herstellung von ausdrücklich hochauflösenden Kameras (zum Beispiel der Jenoptik VarioCAM research 780 Typ mit 1,23 Millionen Pixeln). Mit solchen Geräten können sogar sehr große Oberflächen äußerst detaillierte Aufnahmen gemacht werden (mit weniger Aufnahmen und ohne nachträgliche Montage). Auf der anderen Seite ist das Angebot an Scannenden Wärmebildkameras sehr begrenzt - praktisch sind diese Typen heute überhaupt nicht mehr erhältlich (aufgrund ihrer Langsamkeit und kostspieligen Technologie produzieren immer weniger Hersteller solche Geräte). Die höchste Auflösung der zuletzt vertriebenen Typen betrug 360×240 Pixel. Jedoch waren die mit solchen Kameras erzielbare perfekte Bildhomogenität, hohe Temperaturauflösung und die Möglichkeit zur echten Vergrößerung (Zoom) vorteilhaft. Schlussfolgerungen zur Bildauflösung Die Anzahl der Pixel einer Wärmebildkamera beeinflusst, wie detailreich ein Wärmebild von einer bestimmten Oberfläche erstellt werden kann. Wenn eine höhere Detailgenauigkeit erforderlich ist, ist entweder die Montage mehrerer Wärmebilder oder die Verwendung einer Wärmebildkamera mit höherer Auflösung die Lösung. Natürlich muss abgewogen werden, was wirtschaftlicher ist: die zusätzlichen Arbeitszeiten (Erstellung vieler Aufnahmen und deren Montage) oder die Investition in eine leistungsfähigere Wärmebildkamera. Beispiele für den Einfluss der Pixelanzahl. Wärmebild eines Einfamilienhauses links mit professioneller (640×480 Pixel, 80 mK Temperaturauflösung), rechts mit einer Kamera geringerer Kapazität (120×160 Pixel, 120 mK Temperaturauflösung) aufgenommen. Einfluss der Temperaturauflösung auf die Bildqualität Wenn der zu messende Bereich zwischen der Raumtemperatur und dem unteren Bereich des Messbereichs liegt, bestimmt die Temperaturauflösung maßgeblich die Bildqualität. Die NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) steht für das äquivalente Rauschen der Temperaturänderung, das den effektiven Wert des Eigenrauschens der Wärmebildkamera (in der Regel bei 30 Grad Celsius gemessen) mit der Temperaturdifferenz des Objekts vergleicht. Dieser Wert steigt signifikant, wenn die Temperatur des Objekts sinkt, insbesondere bei Kurzwellengeräten. Die Temperaturauflösung der derzeit erhältlichen Wärmebildkameras hängt hauptsächlich von der Sensor-Technologie ab. Die weit verbreiteten Matrix-Wärmebildkameras (Langwellen) basieren größtenteils auf Mikrobolometer-Sensoren. Diese Technologie ermöglicht je nach Qualität des verwendeten Sensors (und damit auch des Preises) eine thermische Auflösung von 120 mK, 80 mK oder sogar 30 mK bzw. 25 mK. Die letzten beiden Werte werden nur von sehr hochwertigen Geräten erreicht, meist durch Bildmittlung. Leider bezieht sich die vom Hersteller angegebene Auflösung (zum Beispiel 80 mK) bei Matrixkameras nur auf einzelne Pixel. Für das gesamte Bild gilt das doppelte (in unserem Fall 160 mK), da während ein Pixel möglicherweise um -80 mK abweicht, das benachbarte Pixel sogar +80 mK erreichen kann. Es gibt jedoch Kamerahersteller, die zusätzlich eine Auflösung für das gesamte Bild angeben (zum Beispiel 100 mK), die eine bessere Bildqualität als die oben genannten Temperaturauflösungsdaten dokumentiert. Bei Langwellen-Scanning-Wärmebildkameras beträgt die typische Temperaturauflösung 30 mK, mit Bildmittlung sogar 10 mK. Diese Auflösung bezieht sich jedoch auf das gesamte Bild, da nur ein Sensor verwendet wird. Darüber hinaus verbessert die aus dem Betrieb der Kamera resultierende Bildhomogenität die Qualität, Auswertbarkeit und das Erscheinungsbild der erzeugten Wärmebilder weiter. Die Anwendung entscheidet

Die Temperaturauflösung begrenzt die Anwendbarkeit der Kamera in Fällen, in denen die Erkennung geringerer Temperaturunterschiede erforderlich ist. Zu solchen Aufgaben gehören beispielsweise die Gebäudethermografie (mindestens 80 mK Auflösung erforderlich), medizinische Anwendungen (diese erfordern mindestens 80, aber eher 30 mK Auflösung) oder pflanzenbiologische Forschungen (mindestens 30, aber eher 10 mK Auflösung erforderlich). Natürlich ist diese Liste nicht vollständig. Gemäß der allgemeinen Regel sollten wir ein Gerät wählen, das mindestens zweimal bis dreimal so gute Auflösung hat wie der kleinste anzuzeigende Temperaturunterschied. Es ist wichtig zu beachten, dass die thermische Auflösung nicht mit der absoluten Messgenauigkeit der Wärmebildkamera gleichzusetzen ist. Dieser Wert beträgt in der Regel ±1K bzw. ±2 K. Einer der Gründe dafür liegt in der Technologie der berührungslosen Temperaturmessung, da die Wärmebildkamera ein "schwebendes Niveau" Messsystem ist, dessen Bezugsreferenz die Temperatur der internen Referenzfläche (Chopper) mit einem Pt 100 Widerstandsthermometer ist. Ein weiterer Grund liegt in den technischen Möglichkeiten der Kalibrierung der Wärmebildkamera, da die Kalibrierung nur an bestimmten (dichten) Stellen erfolgt, so dass aufgrund der Nichtlinearität des Messsystems nur garantiert werden kann, dass die Messgenauigkeit innerhalb des oben genannten Bereichs bleibt.

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 der vorherigen schriftlichen Genehmigung des Autors gestattet. Die Verletzung des Urheberrechts (Copyright) hat rechtliche Konsequenzen.