Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (PIM Kft.)
Wir sind beim letzten Teil unserer Thermografie-Serie angekommen. In diesem Artikel geht es um die Untersuchung von Kühlhäusern, Kühlräumen und anderen Gebäudeteilen sowie um die Wärmebildkamera als Instrument. In unserer Artikelserie haben wir versucht, einen Einblick in die erstaunliche Vielseitigkeit und die theoretischen sowie praktischen Grenzen der Thermografie zu geben, basierend auf Rahne Erics Buch "Thermografie - Theorie und praktische Messtechnik" mit 650 Seiten. Bei Kühlhäusern, Kühlräumen und natürlich bei Fahrzeugen mit Kühlstruktur umfasst die Aufgabe der Thermografie-Untersuchungen die Enthüllung der Wärmedämmung, der Wände, des Dachs, des Bodens, der Wärmeisolierung, die Identifizierung schädlicher Auswirkungen von Kondenswasser während des Kühlens, aber auch die Zustandsbewertung von Türen und des mechanischen Systems oder die Überprüfung der Kühlung von gelagerten Produkten. Da der kritischste Betriebszustand normalerweise in den heißesten Monaten des Jahres liegt, ist es ratsam, die Prüfung für die Sommermonate zu planen.
Die Erfassung von minimalen Temperaturabfällen durch niedrige Temperaturen oder verdunstende Feuchtigkeit erfordert natürlich eine Wärmebildkamera mit besonders guter thermischer Auflösung, idealerweise mit einem Messbereich, der so niedrig wie möglich beginnt (z. B. ab -40°C). Mit Thermografie können Phänomene gefunden und Überprüfungen durchgeführt werden:
Verglichen mit den thermografischen Aufgaben im Zusammenhang mit Gebäuden müssen nur zwei Besonderheiten hervorgehoben werden. Die genaue Umgebungstemperatur und der durch die aktuelle Objektoberfläche reflektierte durchschnittliche Umgebungstemperaturwert müssen besonders wichtig sein. Hier können wir nicht einfach von den üblicherweise geringen Temperaturunterschieden ausgehen, die für die Gebäudethermografie gelten. Daher messen wir nicht von außen durch die weit geöffnete Tür eines Kühlraums, wenn die Objekte im Raum hinter uns die Umgebungstemperatur liefern, oder wir sind im Raum und die von dem Objekt reflektierte Strahlung wird von der gekühlten Kammerwand abgegeben.
Die andere Besonderheit betrifft die verwendete Wärmebildkamera. Es gibt sehr wenige Geräte, die bei Temperaturen unter -20°C eingesetzt werden können. Der Großteil der Typen hat seine untere Betriebstemperaturgrenze bei -10°C. Daher wäre es unmöglich, Messungen in Kühlräumen bei -35 ... -40°C durchzuführen. Dieses Problem kann umgangen werden, indem die Wärmebildkamera in Wärmedämmmaterial eingebettet wird. Die während des Betriebs erzeugte Wärmemenge reicht aus, um die Betriebstemperatur sicherzustellen. Lediglich eine nicht durch Kalibrierung kompensierte Abkühlung der Linse kann noch einige Messungenauigkeiten verursachen.
Es ist jedoch zu beachten, dass die Wärmebildkamera beim Einsatz in Kühlhäusern/Kühlräumen weit unter die Außentemperatur abkühlt. Wenn die gekühlte Wärmebildkamera nach draußen gebracht wird, wird ihre Temperatur sicher unter den Taupunkt fallen. Daher müssen wir damit rechnen, dass sich viel Kondenswasser auf der Wärmebildkamera bildet, insbesondere solange sie die Umgebungstemperatur nicht erreicht hat. Um dies zu verhindern, legen wir die Wärmebildkamera bereits in der Kühlkammer in einen luftdichten Beutel. Während des Erwärmungsprozesses kommt sie nur mit der Luft in diesem Beutel in Kontakt, deren relativer Feuchtigkeitsgehalt während des Erwärmungsprozesses stetig abnimmt. Wenn wir die Wärmebildkamera eingeschaltet lassen, wird der Erwärmungsprozess noch beschleunigt.
Natürlich gibt es noch viele Gebäudelemente, deren Prüfung der Gebäudethermografie zugeordnet werden könnte - denken Sie nur an die Vielfalt industrieller Anlagen. Zum Abschluss dieses Abschnitts widmen wir uns nur kurz den Kaminen von Wohngebäuden und deren Dacheinbindungen anhand einiger Beispielaufnahmen. Bei der thermografischen Untersuchung kann der Zustand der Schornsteinkonstruktion, indirekt auch die Dichtigkeit des Mauerwerks sowie die Lage von Schornsteinen, die aufgrund von Verputzungen nicht erkennbar sind, erfasst werden. Wie das folgende Beispiel zeigt, können selbst die in allen Ländern einheitlich vorgeschriebenen geraden, einzeln stehenden Schornsteine im Laufe der Zeit schief werden (ohne Erdbeben). (Oder könnte hier auch eine Abweichung von den üblichen Regeln in Betracht gezogen werden?)
In den bisherigen Diskussionen über Gebäude haben wir erörtert, was mit geeigneten thermografischen Instrumenten alles entdeckt werden kann. Es ist an der Zeit, genau zu definieren, welche Wärmebildkamera und Software für die genannten Untersuchungen erforderlich sind. Dies fassen wir nun in Punkten zusammen. Wellenlängenbereich (spektraler Bereich) • langwelliger Bereich (8 ... 12 µm / 7 ... 14 µm) Hinweis: Die Messung von Temperaturen um 0°C im Freien ist mit kurz- und mittelwelligen Wärmebildkameras praktisch unmöglich, da Körper bei niedrigen Temperaturen gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz keine oder nur sehr geringe Strahlung in diesem Wellenlängenbereich abgeben. Der langwellige spektrale Bereich ermöglicht auch die Verwendung von kostengünstigen Bolometer-Wärmebildkameras. Typ der Wärmebildkamera (Sensortyp) • Matrix- oder Scannertyp, Abtasttyp Hinweis: Die thermische Auflösung und die Anzahl der Bildpunkte von professionellen Matrix-Wärmebildkameras und Scannertypen sind gleichermaßen geeignet. Die Wahl einer Matrixkamera ermöglicht die Verwendung von Bolometer-Sensoren, was derzeit die wirtschaftlichste Lösung darstellt. Messbereich (Kalibrierbereich) • min. -20°C ... 100°C, besser -40°C ... 120°C Hinweis: Die untere Grenze des Kalibrierbereichs ist entscheidend. Da die besten Aufnahmen nachts bei Temperaturen unter 0°C gemacht werden können, ist eine Wärmebildkamera mit ausreichend niedrigem Rauschpegel (NETD) auch bei niedrigen Temperaturen erforderlich. Da Temperaturen unter -10°C auftreten können, sollte nur eine Wärmebildkamera gewählt werden, deren Kalibrierbereich bei -20°C beginnt. (Natürlich bieten Kameras, die ab -40°C kalibriert sind, noch bessere Bildqualität, da sie noch geringere Rauschpegel aufweisen.) Anzahl der Bildpunkte • min. 320x240 Bildpunkte, besser 384x288 oder sogar 640x480 Bildpunkte Hinweis: Mit einer geringeren Pixelanzahl können nur sehr kleine Flächen pro Wärmebild erfasst werden, z. B. mit 120x160 Pixeln nur eine Fläche von 4 ... 5 m². Die erforderliche Montage von Wärmebildern während der Datenverarbeitung ist zeitaufwändig und birgt viele Fehlerquellen. Geometrische Auflösung • min. 1,5 mrad, besser 1 mrad, aber am besten mit austauschbaren Weitwinkel-, Standard- und Teleobjektiven Hinweis: Bei schlechterer geometrischer Auflösung müssten die Gebäudeaufnahmen aus nächster Nähe gemacht werden, um sicherzustellen, dass Details wie Risse oder schlechte Fensteranschlüsse nicht "verschwinden". Dies würde zu vielen kleinen Bildern führen, die dann mühsam zu einem übersichtlichen Wärmebild zusammengesetzt werden müssten. Für die oberen Etagen von Plattenbauten ist die Verwendung eines Teleobjektivs unbedingt erforderlich. Temperaturauflösung • min. 80 mK, besser 50 mK, am besten 30 mK Hinweis: Bei der Gebäudethermografie ist eine möglichst gute Bildqualität entscheidend, und dafür ist die beste Temperaturauflösung erforderlich. Wärmebildkameras mit einer Auflösung von weniger als 80 mK sind für die Detektion minimaler Temperaturunterschiede, die beispielsweise durch Kondensation oder Feuchtigkeit entstehen, nicht geeignet. Je besser die thermische Auflösung ist, desto mehr Möglichkeiten haben wir, Messungen durchzuführen, da bereits geringere Wärmeströme und Temperaturunterschiede ausreichen, um auswertbare Wärmebilder zu erstellen. Daher ist die Nutzung von Wärmebildkameras mit besserer Temperaturauflösung höher, sodass sich ihre Investitionskosten schneller amortisieren. Bildaufnahmefrequenz • keine Einschränkung Hinweis: Die Bildaufnahmefrequenz ist nur insoweit relevant, als dass mit langsamen Wärmebildkameras, Scannertypen oder Matrix-Wärmebildkameras mit einer Frequenz von weniger als 50 Hz vom Stativ aus gearbeitet werden muss. Bei schnelleren Matrixkameras können die Aufnahmen jedoch "aus der Hand" gemacht werden, was zu einer erheblich schnelleren Arbeitsweise führt. Weitere Einschränkung / Anforderung • Betriebs- und Einsatztemperatur: -10°C ... +30°C (+50°C) Hinweis: Die untere Grenze des Betriebs- und Einsatztemperaturbereichs ist entscheidend, da die Elektronik oder der TFT-Bildschirm vieler Wärmebildkameras nicht bei Umgebungstemperaturen unter 0°C funktionieren. Es wird daher besonders empfohlen, eine Wärmebildkamera zu wählen, deren Betriebs- und Einsatztemperaturbereich bei -10°C beginnt. (Für Kühlhäuser müssen wir mit Umgebungstemperaturen von -18°C oder sogar -25°C rechnen. Daher müssen wir eine Wärmebildkamera mit noch niedrigerer Betriebs- und Einsatztemperatur wählen oder für die "Warmhaltung" der Kamera sorgen.) Empfohlene "besondere" Optionen • Vorhandensein von Weitwinkel-, Standard- und Teleobjektivwechselobjektiven • Autofokus, Kompositbildgebung (Letzteres ist bei nächtlichen Messungen nicht wirklich nützlich) Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu
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