Wärmebildkamera

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ein technischer Defekt gesehen mit einer Wärmebildkamera
Foto: FFW Heining
auf dem Dachboden brennt es. Aufgrund des Bildes (Thermografie) mit der Wärmebildkamera kann eine Brandbekämpfung gezielt erfolgen.
Foto: Lauderhill Fire Rescue Department
nicht nur bei einem Flugunfall mit einer Wärmebildkamera prüfen
Foto: FW Speyer
ein Lagerfeuer geriet außer Kontrolle und setzte eine Böschung in Brand. Die Hitze ist mit einer Wärmebildkamera gut erkennbar.
Foto: FW Weinheim
Brand einer 10 KV Trafostation
Foto: FW Herdecke
Suche nach Glutnestern
Foto: PGT
mittels Wärmebildkamera wird die Oberflächentemperatur gemessen
Foto: Rainer Schwarz
Beispielfoto einer Industrieanlage mit einer Wärmebildkamera vom Polizeihubschrauber
Copyright: Polizeifliegerstaffel NRW
Einsatz einer Wärmebildkamera nach einem Brand in einer Küche
Foto: Rainer Schwarz
mittels Wärmebildkamera werden auch Wiesen vor dem Mähen mittels Drohne abgeflogen, zur Kitzrettung.
Foto: Marc Gerseker


Eine Wärmebildkamera (auch als Thermografie-Kamera oder beim Militär Wärmebildgerät genannt) ist ein bildgebendes Gerät ähnlich einer herkömmlichen Kamera, das jedoch Infrarotstrahlung empfängt. Die von Infrarotkameras genutzte Strahlung liegt im Wellenlängenbereich von 0,7–1000 µm. Wärmebildkameras nutzen allerdings aufgrund der typischen Emissionswellenlängen in der Nähe der Umgebungstemperatur (vgl. Wiensches Verschiebungsgesetz) den Spektralbereich von 3,5–14 µm (mittleres Infrarot, kurz MIR). Dieser Bereich ist auch für die Messung und bildliche Darstellung von Temperaturen im Umgebungstemperaturbereich geeignet, wenn der Emissionsgrad bekannt ist. Dieser streut allerdings materialabhängig sehr zwischen 0,012 und 0,98, entsprechend ungenau kann die Temperaturzuordnung ausfallen.

Die normale Atmosphäre ist in diesem Bereich aufgrund ihrer Zusammensetzung weitgehend transparent, die Strahlung der Sonne sowie künstliche Lichtquellen stören dabei nicht.

Fotos: Feuerwehr Bad Klosterlausnitz


Fotos: Feuerwehr Meinerzhagen


Das Verfahren, mittels einer Wärmebildkamera Bilder zu erzeugen, nennt man Thermografie. Thermografie ist ein bildgebendes Verfahren, das die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung (mittleres Infrarot) eines Objektes oder Körpers sichtbar macht. Bei der Thermografie werden Temperaturverteilungen auf Flächen und Gegenständen erfasst und dargestellt. Die Thermografie ist ein berührungsloses Messverfahren, das heißt, es können auch weit entfernte Objekte abgebildet werden. Die Erfassung schnell ablaufender Bewegungen war allerdings durch die oft geringe Bildfolgefrequenz (wenige Hz bis ca. 50 Hz) begrenzt. Mittlerweile gibt es im High-End-Sektor jedoch schon Hochgeschwindigkeitsthermographiesysteme, die über 1000 Bilder pro Sekunde aufnehmen können.

Zusätzlich zur passiven Temperaturmessung (z. B. Restwärme von Körpern) kann auch eine aktive Bestrahlung durch Infrarotstrahler erfolgen. Darauf basieren z. B. Verfahren zur Materialprüfung.


Theorie

Jedes Objekt (mit einer Temperatur oberhalb des Absoluter_Nullpunkt) sendet Wärmestrahlung aus. Reale Flächen emittieren jedoch weniger Strahlung als ein Schwarzer Strahler. Die Abweichung eines realen Temperaturstrahlers vom schwarzen Körper wird durch den Emissionsgrad definiert. Er ist vom Material, der Oberflächenbeschaffenheit, der[Wellenlänge, jedoch kaum von der Temperatur abhängig. Polierte Metallflächen zeigen besonders gravierende Abweichungen vom idealen Temperaturstrahler, das führt zu krassen Fehlmessungen.
Ein Beispiel illustriert die Problematik: Eine stark verrostete Eisenplatte einheitlicher Temperatur 30°C = 303 K wird streifenweise poliert, das ergibt wegen der stark unterschiedlichen Emissionsgrade einen „Lattenzauneffekt“ starker und schwacher IR-Strahlung.

Aus dem Stefan-Boltzmann-Gesetz:

folgt für die abgestrahlte Leistung pro Flächeneinheit

Die Wärmebildkamera wertet nur Unterschiede der empfangenen Leistung aus, weshalb sich ein scheinbarer Temperaturunterschied von

errechnet. Wird die Wärmebildkamera so eingestellt, dass der verrosteten Oberfläche 303 K zugeordnet wird, sollte sie den polierten Streifen die absolute Temperatur 149 K zuordnen, das entspricht -124°C. Tatsächlich wird wohl eine deutlich höhere Temperatur angezeigt werden, weil unerwünschte IR-Strahlung aus der Umgebung an der reflektierenden Oberfläche „eingeblendet“ wird.

An jeder Wärmebildkamera lässt sich der vermutete Emissionsfaktor vorwählen. Würde man diesen so einstellen, dass die Temperatur der polierten Flächen mit der Wirklichkeit übereinstimmt, würde dieses Messgerät von den verrosteten Stellen so viel mehr Strahlungsleistung registrieren, dass es eine Temperatur von 342°C = 615 K errechnen würde. Strahlungsmessungen sind also mit Vorsicht zu betrachten.

Der Einfluss der Temperatur auf den Emissionsgrad kann bei Messungen im Temperaturbereich von 0 °C bis 100 °C in den meisten Fällen vernachlässigt werden. Viele Stoffe besitzen im mittleren Infrarot einen von der Wellenlänge nahezu unabhängigen Emissionsgrad nahe eins. Beispiele sind Glas, mineralische Stoffe, Farben und Lacke beliebiger Farbe, Eloxalschichten beliebiger Farbe, Plastwerkstoffe außer Polyethylen, Holz und andere Baustoffe, Wasser und Eis.


Technik

Bilder, die von Infrarotkameras erzeugt werden, liegen zunächst in Graustufen vor. Gängige Kameramodelle sind in der Lage, bis zu 256 (8 bit) Graustufen aufzulösen. Allerdings ist es für den menschlichen Betrachter nicht möglich, derart feine Graustufungen aufzulösen; es ist daher nützlich, Bilder in Falschfarben-Darstellung zu erzeugen, wozu fast alle Wärmebild-Kameras in der Lage sind. Das Auge vermag Farbunterschiede besser als Helligkeitsunterschiede zu unterscheiden. Im so eingefärbten Bild ist die „Helligkeit“, die auf eine thermische Anomalie hinweist, durch eine Änderung der angezeigten Farbe repräsentiert und nicht nur durch unterschiedliche Graustufen. Für die Einfärbung der Grauwert-Bilder stehen gewöhnlich verschiedene Farbpaletten zur Verfügung. Oft wird der hellste (d. h. wärmste) Teil des Bildes weiß, die Zwischentemperaturen in Gelb- und Rottönen und die dunklen (d. h. kälteren) Teile des Bildes in Blautönen dargestellt.

Die geometrische Bildauflösung von kommerziellen Thermografiekameras ist beträchtlich niedriger als bei Kameras für den sichtbaren Spektralbereich. Sie liegt typischerweise bei 160 × 120, 320 × 240 oder 384 × 288 Bildpunkten (Pixel). Neuerdings werden auch Detektoren mit 640 × 480 Pixeln eingesetzt. Durch Scanning-Kamera kann die Kameraauflösung auf bis zu 1280 × 960 verbessert werden. Die Auflösung bestimmt im Zusammenspiel mit den eingesetzten Objektiv (Optik) bzw. dem Sichtfeld (=Field of View) der Kamera den kleinsten definierbaren Messfleck des Thermografiesystems.

Die Objektiv-Linsen von Thermografiekameras bestehen aus einkristallinen Halbleitermaterialien (Germanium, Zinkselenid).


Typen

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


gekühlte Infrarotdetektoren

Gekühlte Infrarotdetektoren arbeiten nach dem inneren Fotoeffekt, d. h. sie bestehen aus einem Array aus Fotoempfängern. Die Halbleiterdetektor sind gewöhnlich in einem vakuumversiegelten Gehäuse untergebracht und werden Kryotechnik gekühlt. Die Arbeitstemperatur der Detektoren liegt dabei typischerweise zwischen 4 K (Kelvin) und 110 K, wobei ein üblicher Wert bei ca. 80 K (etwas über der Siedetemperatur von Stickstoff) 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 Halbleiter-Materialien bestehen:

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

Die gängigste Kühlmethode arbeitet mit kleinen Stirling-Kältemaschinen.


ungekühlte Infrarotdetektoren

Ungekühlte Thermografiekameras nutzen Detektoren, die bei Umgebungstemperatur arbeiten und meist nahe der Umgebungstemperatur Thermostat werden. Alle modernen ungekühlten Systeme arbeiten nach dem Prinzip der Änderung von Elektrischer Widerstand, Elektrische 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 durch thermoelektrische Kühler (Peltierelemente) thermostatiert, um Signaldrift der Empfänger-Elemente zu verringern. Solche Systeme kommen ohne kostspielige, unhandliche Kühlvorrichtungen aus. Damit sind diese Thermografiesysteme deutlich kleiner und kostengünstiger als die gekühlten Systeme. Sie liefern ein im Vergleich zu gekühlten Systemen schlechteres Ergebnis.

Ungekühlte Detektoren verwenden Pyroelektrizität oder Mikrobolometer-Arrays.

Die Detektorzelle eines Mikrobolometerarrays besteht aus einer nur wenige Mikrometer dicken, strahlungsempfindlichen Scheibe, welche durch zwei gebogene Kontakte über dem eigentlichen Detektor gehalten wird (so genannte Mikrobridges). Die Scheiben bestehen aus einem Material mit einem stark temperaturabhängigen Widerstand (z. B. Vanadiumoxid). Die einfallende Infrarotstrahlung wird absorbiert und führt zu einer Temperaturänderung des Scheibchens, was wiederum zu einer Widerstandsänderung führt. Der gemessene Spannungsabfall wird als Messsignal ausgegeben.

Pyroelektrische Sensoren liefern dagegen nur bei Temperaturänderung eine Spannung mit sehr hoher Quellimpedanz.

Sowohl Mikrobolometerarrays als auch pyrometrische Sensoren benötigen einen mechanischen Chopper oder zumindest eine periodische Abschattung des Bildsensors. Der Grund ist bei pyrometrischen Sensoren, dass diese nur auf Temperaturänderungen reagieren können. Bei Bolometerarrays dient der Chopper oder shutter dazu, ein Dunkelbild zu gewinnen, welches als sensorspezifische Referenz (jedes Pixel besitzt einen individuell unterschiedlichen Widerstand!) vom aufgenommenen Bild Pixel für Pixel abgezogen wird.


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.


zivile Anwendung

Im zivilen Bereich werden vorwiegend ungekühlte Infrarotdetektoren verwendet. Es gibt Handgeräte, welche zum Beispiel den Temperaturbereich von −20 °C bis 900 °C abdecken und eine Temperaturauflösung von 0,025 K liefern. Oft können Objektive mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln verwendet werden; die Bilder können gespeichert oder an einen Computer übertragen werden.

  • In der Bauthermografie wird das Verfahren zur Prüfung der Wärmedämmung von Häusern, zur Gebäudediagnostik/Energieausweis und Kontrolle von Flachdächern, zur Strukturanalyse des Mauerwerks, zur Feuchte-Detektion in Wänden und Dächern und zur Lokalisierung von Rissen in Rohrleitungen eingesetzt.
  • In der Industrie und Fertigung werden Wärmebildkameras beispielsweise zur Messung der Verteilung der Verlustleistung an elektronischen Baugruppen und zur Prüfung elektrischer Anlagen und mechanischer Systeme verwendet.
  • Bei der Feuerwehr unterstützen die Wärmebildkameras das Aufspüren von Glutnestern bei Bränden sowie die Suche von Personen in verrauchten Gebäuden oder weitläufigem Gelände bei Dunkelheit. In diesem Bereich kommen Graustufen-Bilder zum Einsatz, die die heißeste Stelle ab einer bestimmten Temperatur rot einfärben. Da die verwendeten Geräte sehr teuer sind (mehrere tausend Euro), ist es kleineren Freiwillige Feuerwehren fast unmöglich, eine Kamera anzuschaffen. Manchmal „teilen“ sich mehrere Feuerwehren eine Wärmebildkamera.
  • Wissenschaftler nutzen Wärmebilder, um die Oberflächentemperatur von Landflächen oder Ozeanen darzustellen. Archäologen können aufgrund unterschiedlicher Temperaturleitfähigkeit in der Erde verborgene Strukturen erkennen.
  • Die Bundespolizei überwacht mit Hilfe von stationären und mobilen Wärmebildkameras Grenzabschnitte. Illegale Grenzübertritte können erkannt werden: Menschen und Tiere sowie ihre vor kurzem verlassenen Lagerstellen sind aufgrund der erhöhten Temperatur auch im Dunklen aus der Ferne sichtbar.
  • In der Medizin werden Wärmebildkameras für vielerlei diagnostische Zwecke eingesetzt, so etwa zur Entdeckung lokaler Entzündungsherde und für Reihenuntersuchungen von Menschen auf Fieber (siehe EN 80601-2-59), zur Untersuchung der Durchblutung und Feststellung von Durchblutungsstörungen und zur Erkennung von Brustkrebs.
  • In der Veterinärmedizin wird sie über zur Messung der Wärme und somit der Durchblutung von Pferdebeinen und dadurch zur Feststellung von Doping im Reitsport eingesetzt.
  • In jüngster Zeit findet die Wärmebildkamera auch immer mehr Anklang bei Fotokünstlern, die Wärmebilder als Ausdrucksmedium nutzen. Weitere Beispiele finden sich im Artikel Infrarotfotografie.
  • PKW-Nachtsicht-Assistent: Die neueste Entwicklung sind Wärmebildkameras beinhaltende Fahrerassistenzsysteme, zum Beispiel das bei BMW verbaute System der Firma Autoliv Inc., welches Menschen und Tiere aufgrund ihrer Wärmestrahlung besser erkennen kann als gängige Kameras im nahen Infrarot, die lediglich Nebel besser durchdringen können.
  • Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZfP) von Materialien und Bauteilen wird das Prüfteil mittels einer Anregungsquelle gezielt erwärmt, so dass verborgene Defekte durch unterschiedliches thermisches Verhalten messbar werden. Zu den ZfP-Methoden zählen Puls-Thermografie, Lockin-Thermografie und thermoelastische Spannungsanalyse. Zur Durchführung dieser Methoden werden besonders schnelle und hochauflösende Infrarotkameras benötigt.
  • Durch thermografische Untersuchung lassen sich auch die Luftdichtheit von Gebäuden und bedingt Gasausströmungen an Behältern prüfen.


militärische Anwendung

Im militärischen Bereich werden Wärmebildgeräte (WBG) zum Beobachten und Militärische Aufklärung bei Dunkelheit oder schlechter Sicht genutzt. Das WBG des Kampfpanzers Leopard 2 basiert beispielsweise auf einem Detektor aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid (engl.: lang|en|mercury cadmium tellurid, MCT), der auf ca. −190 °C gekühlt wird, was eine Vorlaufzeit von ungefähr 15 Minuten verlangt. Die Anzeige ist grün-monochrom mit einer wählbaren Polarität von schwarz oder weiß, so dass Wärmequellen besonders hell oder dunkel erscheinen. Bei ausreichendem Temperaturunterschied einzelner Objekte kann man einen beobachteten Geländeabschnitt sehr gut erkennen.

Wärmebildgeräte haben gegenüber Nachtsichtgeräten den Vorteil, dass weder Bildverstärker vorhanden sein, noch ein Infrarotscheinwerfer eingesetzt werden muss, der seinerseits sehr einfach entdeckt und ausgeschaltet werden kann. Weiter können auch tagsüber optisch gut Tarnung Objekte in vielen Fällen aufgrund der Wärmesignatur leicht erkannt werden. Ein Verstecken von Wärmequellen ist – vor allem bei niedrigen Außentemperaturen – nur mit sehr großem Aufwand möglich.

Grenzen sind der Anwendung von WBG allerdings bei starkem Regen, Nebel oder Schneetreiben gesetzt.

Zielsuchsysteme selbstlenkender Raketen-Waffen können teilweise die Wärmequellen eines Luftfahrtantrieb von denjenigen abgeworfener Täuschkörper anhand der Wärmestrahlung unterscheiden.


Vorteile der Bildaufnahme mittels Wärmebildkamera

  • Die Temperaturverteilung einer großen Fläche kann gleichzeitig überwacht werden; ein Zeitvorteil gegenüber einer punktweisen Registrierung mit Thermometern.
  • In technischen Anlagen lassen sich Stellen erhöhter Temperatur aufspüren, bevor weitere Schäden entstehen.
  • Die Messung erfolgt berührungslos auch über größere Entfernung, beispielsweise in Hochspannungsanlagen oder bei rotierenden Bauteilen.
  • Man kann Objekte unterschiedlicher Temperatur in dunkler Umgebung entdecken (siehe auch Grubenorgan).


Nachteile und Grenzen des Verfahrens

  • Wärmebildkameras mit gutem Auflösungsvermögen (mehr als 320×240 Pixel) sind sehr teuer.
  • Die Bilder lassen sich bei unbekanntem Emissionsfaktor nur schwer interpretieren.
  • Reflexionen (wie von Sonnenlicht) auf blanken Metalloberflächen können erheblich stören.
  • Die Genauigkeit ist meist schlechter als ±2 % und damit deutlich geringer als bei Kontaktmessung mit einem Thermometer.
  • Man kann ausschließlich Oberflächentemperaturen messen.
  • Bei starkem Wind, Sonnenstrahlung oder feuchter Oberfläche sinkt die Messgenauigkeit erheblich.
  • Schneefall oder Regen senken den Transmissionsfaktor der Luft, weshalb sich die angezeigte Temperatur kaum noch auf die Oberflächen "dahinter" bezieht.
  • Die Erfassung schnell ablaufender Bewegungen ist durch die oft geringe Bildfolgefrequenz (<50 Hz) begrenzt. Mittlerweile gibt es im High-End-Sektor jedoch schon Hochgeschwindigkeitsthermographiesysteme, die über 1000 Bilder pro Sekunde aufnehmen können.


siehe auch:




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