Thermografiekamera

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Eine Infrarotkamera, oder spezifischer, eine Thermografie- oder Wärmebildkamera, ist ein bilderzeugendes Gerät, das als Datenquelle Infrarotstrahlung nutzt, ähnlich einer herkömmlichen Kamera, die zur Erzeugung von Bildern allerdings das sichtbare Lichtspektrum (380-750 nm) nutzt. Die von der Infrarotkamera genutzte Infrarotstrahlung liegt dagegen im Wellenlängenbereich von 0,7 – 1000 µm. Die Mehrzahl der kommerziellen Infrarotkameras nutzt allerdings nur den Spektralbereich von 3,5 – 14 µm (mittelwelliges und langwelliges IR).

In diesem Wellenlängenbereich ist der Einfluss von Sonneneinstrahlung und Licht geringer als in kurzwelligeren Bereichen. Somit ist dieser Bereich vorzugsweise für die Messung von Temperaturen im Umgebungstemperaturbereich geeignet. Die normale Atmosphäre ist in diesem Bereich aufgrund ihrer Zusammensetzung weitgehend transparent.

Das Verfahren, mittels einer Infrarot- oder Thermografiekamera Bilder zu erzeugen, nennt man Thermografie. Thermografie ist ein bildgebendes Verfahren, das die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung (Infrarotlicht) eines Objektes oder Körpers sichtbar macht. Die Thermografie ist ein berührungsloses Messverfahren, das heißt, es können auch extrem schnelllaufende Verfahren (Explosionen, Verbrennungen etc.) und Bewegungsabläufe erfasst werden. Mit Hilfe der Thermografie lassen sich Temperaturmessungen flächenförmig erfassen und darstellen.

Inhaltsverzeichnis 1 Theorie 2 Technik 3 Typen 3.1 Gekühlte Infrarotdetektoren 3.2 Ungekühlte Infrarotdetektoren 4 Typische Anwendungsgebiete 5 Weblinks

[Bearbeiten] Theorie

Jedes Objekt (mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts) sendet eine bestimmte Menge Wärmestrahlung aus. Diese so genannten realen Strahler emittieren jedoch nur einen Teil der Strahlung eines schwarzen Körpers. Die Abweichung des realen Temperaturstrahlers vom schwarzen Körper wird durch den Emissionskoeffizienten (oder Emissionsgrad) definiert. Er ist abhängig vom Material, der Oberflächenbeschaffenheit, der Temperatur und der Wellenlänge. Der Einfluss der Temperatur auf den Emissionskoeffizienten kann bei Messaufgaben im mittleren Temperaturbereich von z. B. 0°C bis 100°C in den meisten Fällen vernachlässigt werden. Des Weiteren besitzen viele Stoffe im langwelligen IR-Bereich einen von der Wellenlänge nahezu unabhängigen Emissionsgrad.

[Bearbeiten] Technik

Bilder, die von Infrarotkameras erzeugt werden, sind in der Regel monochrom, d.h. in Graustufen unterteilt. Gängige Kameramodelle sind in der Lage, bis zu 256 Graustufen darzustellen. Farbe hat außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches weniger Bedeutung. Allerdings ist es für den menschlichen Betrachter nützlich, farbige Bilder zu erhalten, weshalb fast alle gängigen IR-Kameratypen in der Lage sind, die erzeugten Bilder mit Falschfarben darzustellen. Dabei ist es im so eingefärbten Bild eine Änderung der angezeigten Farbe, nicht nur eine Änderung der Grauintensität, die auf eine thermische Anomalie hinweist. Für die Einfärbung der monochromen Bilder stehen gewöhnlich verschiedene Farbpaletten zur Verfügung. Dabei wird oft der hellste (wärmste) Teil des Bildes weiß, die Zwischentemperaturen in Gelb- und Rottönen und die dunklen (kälteren) Teile des Bildes in Blautönen dargestellt.

Die geometrische Auflösung von kommerziellen Thermografiekameras ist beträchtlich niedriger als bei optischen Kameras, typischerweise 160 x 120 bzw. 320 x 240 Pixel. Dies bestimmt im Zusammenspiel mit den eingesetzten Objektiven bzw. dem Gesichtsfeld (=Field of View) der Kamera den kleinsten detektierbaren Messfleck des Thermografiesystems.

[Bearbeiten] Typen

Thermografiekameras können in zwei Arten unterteilt werden: Systeme mit gekühlten Infrarotbilddetektoren und mit ungekühlten Detektoren.

[Bearbeiten] Gekühlte Infrarotdetektoren

Gekühlte Detektoren sind gewöhnlich in einem vakuumversiegelten Gehäuse untergebracht und werden kryogenisch gekühlt. Die Arbeitstemperatur der Detektoren liegt dabei typischerweise zwischen 4 K (Kelvin) und 110 K, wobei der üblichste Wert bei ca. 80 K liegt. Damit sind die Detektoren in der Regel viel kälter als die zu beobachtenden Objekte, wodurch sich die thermische Empfindlichkeit (Temperaturauflösung) des Thermografiesystems gegenüber den ungekühlten Systemen entscheidend erhöht. Ein Nachteil dieser Methode: Fällt die Kühlung des Detektors aus, ist das Thermografiesystem „blind“.

Weitere Nachteile gekühlter Systeme sind die erhöhten Anschaffungs- und Betriebskosten, sowie die mitunter langen Anlaufzeiten, bis das System den Detektor auf Betriebstemperatur herunter gekühlt hat.

Dem gegenüber steht die herausragende Bildqualität im Vergleich zu ungekühlten Systemen.

Die Infrarotdetektoren gekühlter Systeme können u. a. aus folgenden Materialien bestehen:

• InSb (Indiumantimonid)
• InAs (Indiumarsenid)
• HgCdTe HgCdTe (Quecksilber-Cadmium-Tellurid) bzw. im Englischen MCT (Mercury-Cadmium-Telluride]
• PbS (Bleisulfid)
• Bleiselenid PbSe (Bleiselenid)]
• PtSi (Platinsilizid)

[Bearbeiten] Ungekühlte Infrarotdetektoren

Ungekühlte Thermografiekameras nutzen Detektoren, die bei Umgebungstemperatur arbeiten oder durch kleine Temperaturreglereinheiten nahe an Umgebungstemperatur stabilisiert werden. Alle modernen ungekühlten Systeme arbeiten nach dem Prinzip der Änderung von Widerstand, Spannung oder Stromstärke bei Aufheizung des Detektors durch die Infrarotstrahlung. Diese Änderungen werden gemessen und mit den Werten bei Betriebstemperatur verglichen. Hieraus wird die aufgenommene Strahlungsmenge (und damit die Temperatur) ermittelt.

Ungekühlte Infrarot-Sensoren werden bei einer bestimmten Betriebstemperatur stabilisiert, um das Signalrauschen zu verringern, aber sie werden nicht auf niedrige Temperaturen abgekühlt. Darum kommen solche Systeme ohne kostspielige, unhandliche Kühlvorrichtungen aus. Damit sind diese Thermografiesysteme deutlich kleiner und kostengünstiger als die gekühlten Systeme.

Jedoch neigen diese Systeme dazu, ein im Vergleich zu gekühlten Systemen schlechteres Ergebnis zu liefern.

Ungekühlte Detektoren basieren meistens auf pyroelektrischen Materialien oder Mikrobolometer-Technologie.

[Bearbeiten] Typische Anwendungsgebiete

Ursprünglich für den Militärgebrauch während des Korea-Krieges entwickelt, sind Thermografiekameras heute in vielen Einsatzgebieten zu finden. Die Entwicklung neuer Technologien und der damit verbundene Preisverfall bei den Thermografiesystemen hat wesentlich zur Verbreitung dieser Technologie geführt. Die Verbesserung der eingesetzten Objektive und die Entwicklung professioneller Software für Analyse und Berichtserstellung erweitern die Einsatzmöglichkeiten der Infrarot-Thermografie fortlaufend.

Seit ca. 10-15 Jahren finden Wärmebildkameras immer mehr Einzug im Bereich der nicht-polizeilichen Gefahrenabwehr wie der Feuerwehr. Die ersten Geräte haben zwar brauchbare schwarz/weiß Bilder gezeigt, waren aber auf grund des Gehäuses und der Bauart nicht für den Brandeinsatz tauglich. Seit einigen Jahren hat sich die Bauart aber derart verändert, dass ein Einsatz im vorgehenden Trupp eines Löschfahrzeuges möglich macht. Vor allem die Stabilität des Gehäuses, moderne Akku-Technik und Schutz gegen Schlag, Vibrationen und Wärmestrahlung sind für diese Extremeinsätze wichtige Leistungsmerkmale moderner, kompakter Geräte. In diesem Bereich kommen Graustufen-Bilder zum Einsatz, die die heißeste Stelle ab einer bestimmten Temperatur rot einfärben. Die Typische Einsatzgebiete sind heute u. a.:

• Vorbeugende Instandhaltung mechanischer u. elektrischer Anlagen
• Prozessüberwachung und -steuerung
• Zustandsüberwachung
• Qualitätskontrolle in der Produktion
• Automotiv / OEM
• Bauthermografie: Gebäudediagnostik/Energiepass, Flachdachkontrolle, strukturelle Analyse des Mauerwerks, Feuchte-Detektion in Wänden u. Dächer, Leckageortung
• Medizinische Diagnose / biologische Anwendungen
• Forschung u. Entwicklung neuer Produkte
• Militär u. Polizei / Grenzüberwachung / Personenkontrolle
• Feuerwehr: Aufspüren von Glutnestern bei Bränden; Suche von Personen in verrauchten Gebäuden oder bei Dunkelheit
• Fahrerassistenzsysteme z.B. das bei BMW verbaute System der Firma Autoliv Inc.

[Bearbeiten] Weblinks

• Galerie von Wärmebildern und Informationen über Thermografie