Elektrikerblatt 2015.6. Über Wärmebildkameras aus fachlicher Sicht II.

Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (PIM GmbH)

In den letzten Jahren haben berührungslose Wärmebildkameras eine rasante Entwicklung durchgemacht, sodass bei einem Kauf heute nicht mehr der Mangel an Typen, die den Anforderungen entsprechen, sondern die Unübersichtlichkeit des riesigen Angebots ein Problem darstellen kann. Es ist also an der Zeit, die Typen und Eigenschaften dieser Geräte fachlich zu überprüfen und das aktuelle Angebot anhand einiger wichtiger technischer Parameter zu ordnen. Diese bestimmen nämlich die Anwendungsbereiche der Geräte sowie die zu erwartende Messgenauigkeit und die verfügbare Bildqualität. Im ersten Teil unseres Artikels haben wir über die Detektortypen von Wärmebildkameras gesprochen, die Bedeutung der Bildwiederholfrequenz und der Bildpunkt-Auflösung überprüft und die Vor- und Nachteile der Bildauflösungssteigerungsverfahren erläutert. In diesem Artikel werden die Eigenschaften der Thermografie-Objektive behandelt und auch auf die Auswertungsfähigkeiten moderner Wärmebildkameras eingegangen.

Thermografie-Objektive, Vorsatzlinsen

Die wichtigste Eigenschaft: Thermografie-Linsen dürfen nicht aus Glas hergestellt sein, sondern nur aus Materialien, die dem Wellenlängenbereich der Wärmebildkamera entsprechen. Es ist also nicht möglich, eine Wärmebildkamera zu kaufen und dann ein optisches Mikroskopobjektiv davor zu setzen, nur weil wir gerade sehr kleine Objekte messen möchten. Auch das Objektiv einer langwelligen Wärmebildkamera kann nicht vor eine mittelwellige Wärmebildkamera gesetzt werden (und umgekehrt). In beiden Fällen würden wir feststellen, dass keine Strahlung gemessen werden kann. Bei langwelligen Wärmebildkameras besteht das Linsenmaterial typischerweise aus Germanium, das oft mit einer speziellen Antireflexbeschichtung versehen ist, um Transmissionsfaktoren von bis zu über 99% zu erreichen. (Daher sollten Verschmutzungen auf den Optiken nicht mit Chemikalien oder abrasiven Reinigungsmitteln entfernt werden!) Auswirkung des Linsendurchmessers auf die Messfähigkeiten Je größer der Durchmesser einer thermografischen Kameraoptiklinse (genauer: ihre Blende) ist, desto mehr Strahlungsenergie gelangt auf die Wärmebildsensorfläche. Das Maß für die Helligkeit des optischen Systems (hier: die übertragene Infrarotstrahlungsintensität) ist die Blendenzahl, die das Verhältnis der Brennweite zur Blendenöffnungsdurchmesser ist. Logischerweise führt eine kleinere Blendenzahl zu einem größeren Linsendurchmesser und damit zu einer größeren Energiezufuhr zum Sensor, was natürlich eine höhere Empfindlichkeit und Genauigkeit zur Folge hat. Aber Vorsicht: Je größer der Linsendurchmesser, desto mehr weicht dies vom idealen optischen Systemmodell - der Gauss'schen Optik - ab. Dadurch nehmen die Abbildungsfehler zu (z. B. Bildverzerrungen), die nur mit immer anspruchsvolleren Linsenformen ausgeglichen werden können. Wenn wir dies mit einigen Zahlen untermauern wollen, vergleichen wir die gängigsten "Kategorien" von Bolometer-Wärmebildkameras. Die Objektive von LowCost-Wärmebildkameras ermöglichen bei einer Bildwiederholfrequenz von 50 Hz maximal eine Empfindlichkeit von 100 mK, um eine bessere thermische Auflösung (z. B. 80 oder 60 mK) zu erreichen, muss die Integrationszeit erhöht werden - die Bildwiederholfrequenz muss also auf 30, 25 oder nur 9 Hz reduziert werden. Die großen Objektive von professionellen Wärmebildkameras können je nach den Fähigkeiten des Kameraherstellers bei einer Bildwiederholfrequenz von 50 Hz (oder sogar 240 Hz) eine thermische Auflösung von bis zu 30 mK ermöglichen. Natürlich bedeutet dies nicht, dass das Objektiv einer LowCost-Wärmebildkamera nur einige hundert Euro kostet, während die Preise für thermografische Optiken bei Profi-Geräten über einer Million Euro liegen. Notwendigkeit und Auswahl von Wechselobjektiven Bei thermografischen Messungen ist neben der für die Auswertung erforderlichen Beobachtungsfeldgröße die Bereitstellung einer geometrischen Auflösung, die für eine korrekte Temperaturerfassung unerlässlich ist, am wichtigsten. Zum Beispiel können bei einem "Standard" -Objektiv mit einer geometrischen Auflösung von 2 mrad nur Objekte (oder Objektdetails) mit einer Größe von mindestens 30 mm aus einer Entfernung von 5 m sicher erkannt werden. Um kleinere Objekte zu messen, müssen wir entweder eine kleinere Messentfernung oder eine andere Optik wählen. (Andernfalls könnte die thermografische Aufnahme nicht die Temperatur des kleinen Objekts anzeigen, das uns interessiert.) Wenn wir also das zuvor genannte "Standard" -Objektiv durch ein Teleobjektiv ersetzen, können wir bei einer geometrischen Auflösung von 1 mrad auch Objekte mit einer Größe von 15 mm aus einer Entfernung von 5 m messen. Insbesondere bei professionellen Wärmebildkameras gibt es eine große Auswahl an Wechselobjektiven, die oft mit einem Bajonettanschluss für einen einfachen Austausch an der Wärmebildkamera versehen sind. Die Objektive verfügen auch über eine elektronische Codierung, damit die Wärmebildkamera automatisch erkennt, mit welchem Objektiv wir arbeiten, und automatisch die Kalibrierungsdatendatei für das entsprechende Objektiv lädt. Letzteres ist erforderlich, da bei jeder Wärmebildkamera die Kalibrierung immer zusammen mit dem installierten Objektiv erfolgt, um die gemeinsame Bestimmung und Korrektur der Charakteristiken der Linse und der Wärmebildkamera zu gewährleisten. Wenn wir also das Objektiv austauschen, sind andere Kalibrierungsdaten zur Korrektur der Strahlungserfassung erforderlich. (Daraus folgt, dass ein nachträglich erworbenes Objektiv eine erneute Kalibrierung der Wärmebildkamera durch den Hersteller erfordert. Ebenso können selbst bei identischen Wärmebildkameras nicht einmal "gleiche" Objektive problemlos ausgetauscht werden.)

Die häufigsten Objektive und deren Rolle (bzw. "Nebenwirkung") werden in der folgenden Liste dargestellt: • Standardobjektiv Abhängig von der Pixelauflösung des Wärmebildkameradetektors können mit diesen Objektiven ungefähr 20x15° ... 30x25° Sichtfelder und geometrische Auflösungen von 2,4 ... 0,6 mrad erreicht werden. • Teleobjektiv Im Vergleich zu Standardobjektiven können typischerweise bei Halbierung der Sichtfeldabmessungen in beiden Dimensionen doppelt so gute (numerisch halbierte) geometrische Auflösungen erzielt werden. Es gibt auch "größere" Teleobjektive, die eine Viertelung oder sogar Zehntelung der Sichtfeldgrößen und geometrischen Auflösungen bieten, wodurch die geometrische Auflösung entsprechend verbessert wird.

• Weitwinkelobjektiv Im Vergleich zu Standardobjektiven kann typischerweise eine Verdopplung der Sichtfeldabmessungen erreicht werden, jedoch geht damit eine Halbierung (numerisch Verdopplung) der geometrischen Auflösung einher. Es gibt auch sogenannte Superweitwinkelobjektive, mit denen eine Vervierfachung der Sichtfeldgrößen (bei gleichzeitiger Viertelung der geometrischen Auflösung) möglich ist. • Vorsatzlinsen, Makroobjektive Diese Objektive dienen hauptsächlich dazu, den minimalen Messabstand von Standardobjektiven oder Teleobjektiven zu verringern, um auch sehr kleine Objekte aus geometrischen Auflösungsgründen aus geringen Entfernungen messen zu können. • Mikroskopobjektive Mikroskopobjektive werden zur Messung speziell kleiner Objekte verwendet und ihre Darstellungsfähigkeiten ähneln denen von optischen Mikroskopen. Ihre Nachteile liegen neben ihrer Größe, ihrem Gewicht und ihren Kosten auch in der minimalen Schärfentiefe.

Es sei besonders darauf hingewiesen, dass Weitwinkelobjektive oft völlig falsch eingesetzt werden! Wenn beispielsweise das Problem bestand, dass unter Einhaltung der geometrischen Auflösungsgrenze aus einer festgelegten maximalen Messentfernung nur ein Teil des zu messenden Objekts (z. B. Schaltschrank) auf einem Wärmebild festgehalten werden konnte, führt der Einsatz eines Weitwinkelobjektivs zur Erhöhung des Sichtfelds nicht nur NICHT zur Lösung unseres Problems, sondern verschlechtert unsere Situation sogar. Durch das Weitwinkelobjektiv, das in beiden Richtungen das doppelte Sichtfeld liefert, wird aufgrund der halbierten geometrischen Auflösung die Messung nur noch bis maximal zur Hälfte der bisherigen Entfernung durchgeführt. Das Sichtfeld unserer Messung wird also tatsächlich nicht vergrößert (da es genau gleich groß geblieben ist), aber die Bildverzerrung sowie der Betrachtungswinkel der Objektoberfläche - insbesondere zum Rand hin - können ziemlich schräg sein. Dies hat weitere negative Auswirkungen auf die Genauigkeit und Auswertbarkeit unserer Messung. (Anmerkung: Weitwinkelobjektive haben hauptsächlich bei der Innenraumthermografie von Gebäuden eine echte Berechtigung. Vor dem Einsatz in anderen Bereichen sollte sorgfältig überlegt werden, ob neben dem erweiterten Sichtfeld nicht andere, möglicherweise um Größenordnungen schwerwiegendere optische oder messtechnische Nachteile entstehen.)

Vor-Ort-Auswertungsfunktionen für mobile Wärmebildkameras

Bei der Thermografie - als berührungsloses "bildgebendes" Verfahren zur Temperaturmessung - werden zunächst die Messdaten (digitalisierte Strahlungsintensitätswerte von jedem Pixel) gesammelt. Diese Werte müssen entweder sofort während der Messung (in der Wärmebildkamera) oder später entsprechend verarbeitet, mathematisch korrigiert (in Temperatur umgerechnet) und dann angezeigt werden. Je nach konkreter Messaufgabe variieren die Anforderungen an die Auswertung von Wärmebildern erheblich. Während in einigen Fällen die numerische Bestimmung der konkreten Temperatur eines einzelnen Bildpunkts ausreicht, sind in anderen Fällen die Korrektur der Emissionswerte jedes Pixels des gesamten Wärmebilds oder sogar die Aufnahme und Auswertung kompletter Bildserien erforderlich, um die gewünschten Temperatur-Zusammenhänge und Prozesse (z. B. in Form von Temperatur-Zeit-Diagrammen) zu bewerten. Oft ist bereits während der Messung (sogar in Echtzeit) eine Auswertung der Daten und die Darstellung als Temperaturwert erforderlich. Die sogenannte Live-Auswertung ist praktisch ein Teil der Bediensoftware in den Wärmebildkameras oder eine "eingebaute" Erweiterung, sodass auch die Handhabung in den Betriebsablauf der Wärmebildkamera integriert ist. Die folgende Tabelle listet einige der in modernen (professionellen) Wärmebildkameras integrierten / integrierbaren "automatischen" Hilfsfunktionen und Echtzeit-Auswertungsmöglichkeiten auf (ohne Anspruch auf Vollständigkeit):

Funktion	Erklärung
Autofokus	Fokussierung des Wärmebilds basierend auf dem steilsten Temperaturgradienten
Automatische Messbereichseinstellung	Einstellung des Mess- (Kalibrier-) Bereichs entsprechend der aktuellen Messung
Automatische Wärmebildskalierung	Skalierung der Anzeige basierend auf den aktuell gemessenen Min-/Max-Werten
Temperatur-Farbskala	Mit mehreren wählbaren Farb- und/oder Grauskalen zur Werterfassung
Pixeltreue Temperaturanzeige	Echtzeit-Anzeige der Temperatur des mittleren Pixels im Wärmebild
Kursorbasierte Temperaturanzeige	Echtzeit-Anzeige der Temperatur eines oder mehrerer beweglicher Cursor
Min/Max Temperaturanzeige	Anzeige des kältesten/wärmsten Pixels und dessen Wert
Mehrflächen-Temperaturanzeige	Anzeige von Durchschnitts-, Spitzen- oder Minimalwerten für definierte Flächen
Isoterme Anzeige	Einfarbige Hervorhebung von Pixeln in einem definierten Temperaturbereich
Differenzbildanzeige	Darstellung von Temperaturunterschieden im Vergleich zu einem Referenz-Wärmebild
Wärmebildmittlung	Bildung des Durchschnitts mehrerer Wärmebilder (Rauschunterdrückung, Empfindlichkeitserhöhung)
Temperaturalarm	Visuelle/akustische Alarmierung bei Unterschreiten/Überschreiten von Mindest- bzw. Höchstwerten
Automatische Speicherung	Automatische Messwert-Speicherung bei ausgelöster Temperaturabhängigkeit
Kompositbildanzeige	Kontinuierliche (Echtzeit-) Überlagerung von visuellem Bild (Foto) und Wärmebild
Speicherung von Wärmebildserien	Speicherung von Wärmebilddatenreihen in der Wärmebildkamera (ohne PC-Verbindung)
Digitale Tonaufzeichnung	Hinzufügen akustischer Kommentare zu den gespeicherten Wärmebilddaten
Verwaltung von GPS-Daten	Zuordnung von Boden- und Luftfahrzeug-Wärmebildaufnahmen zu geografischen Daten
Fernsteuerbarkeit	Fernsteuerbarkeit der Wärmebildkamera-Funktionen (mit oder ohne Kabel)

Je mehr solcher Funktionen in unserer Wärmebildkamera vorhanden sind, desto vielseitiger ist ihre Anwendbarkeit und desto bequemer und effizienter ist die Arbeit vor Ort. Von den genannten Auswertungsmöglichkeiten heben wir die temperaturabhängige Auslösung der Messdatenspeicherung hervor, da dies oft bei der Erfassung unvorhersehbarer thermischer Ereignisse sehr hilfreich ist. Für schnelle Prozesse bietet die Funktion zur Aufzeichnung von Wärmebildserien eine Lösung, die den unschlagbaren Vorteil der Thermografie nutzt: die Möglichkeit, auch thermische Prozesse, die in Bruchteilen von Sekunden ablaufen, aufzuzeichnen. Dank der in die Wärmebildkamera integrierten Komposit (in einigen Unternehmen als "Fusion" bezeichnet) Bildanzeige müssen keine separaten Fotos mehr für die Dokumentation erstellt und eingefügt werden, was eine erhebliche Zeitersparnis darstellt. Darüber hinaus lassen sich durch die Überlagerung von Wärmebild und Foto die Temperaturzusammenhänge des Objekts am besten und einfachsten dokumentieren.

Rahne Eric, Dipl.-Ing. Elektrotechnik (BME), Schwingungsdiagnose-Experte, Thermografie-Experte (Thermograph Level3) pim-kft.hu, termokamera.hu

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