Thermografie
Die Thermografie (auch Thermographie) ist ein bildgebendes Verfahren, das Temperaturverteilungen sichtbar macht. Genau genommen ist die Thermografie eine Kontakttechnik, während die kontaktlose Technik, die die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung (Infrarotlicht) eines Objektes oder Körpers mit Hilfe von Spezialkameras sichtbar macht, Infrarotthermografie heißt. Heutzutage wird aber meist Thermographie als Synonym für die Infrarotthermografie verwendet.
Prinzip
Foto: FW Weinheim
Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes (0 Kelvin oder −273,15 °C)sendet Wärmestrahlung aus. Im Idealfall entspricht das Spektrum der ausgesandten Strahlung dem eines schwarzen Strahlers (s. Bild). Mit steigender Temperatur verschiebt sich das ausgesandte Spektrum zu kürzeren Wellenlängen. Bei einigen hundert Grad Celsius beginnt der Körper schließlich zu glühen, so dass die erzeugte Strahlung auch für den Menschen sichtbar ist. Die Thermographie wird bevorzugt im infraroten Bereich eingesetzt, also bei Objekttemperaturen, die im Bereich der gewöhnlichen Umgebungstemperaturen liegen.
Damit bei Messungen an weiter entfernt liegenden Objekten die Wärmestrahlung der zwischen Objekt und Kamera liegenden Atmosphäre die Messung nicht verfälscht, arbeiten die Kameras in der Regel in eingeschränkten Wellenlängenbereichen, in denen die Atmosphäre wenig Eigenstrahlung emittiert (und absorbiert). Ein solches „Fenster“ liegt beispielsweise im Bereich von etwa 8 bis 14 µm (siehe atmosphärische Gegenstrahlung und atmosphärisches Fenster).
Die Kameras sind im Prinzip wie eine normale Kamera für sichtbares Licht aufgebaut: Durch ein Objektiv mit Linsen wird ein Bild auf einen elektronischen Bildsensor projiziert. Mit herkömmlichen Filmen ist die Aufzeichnung von sehr langwelliger Strahlung dagegen nicht möglich. Die Sensoren unterscheiden sich in Aufbau und Funktionsweise auch je nach zu detektierender Wellenlänge.
Optik
Kameras für den Wellenlängenbereich von 8 bis 14 Meter#Mikrometer|µm verwenden eine Optik aus Salzen wie Natriumchlorid (Kochsalz), Silbersalze oder aus Silicium und Germanium. Diese sind jedoch feuchteempfindlich oder sehr teuer. Üblicherweise wird daher in Nieder- und Mitteltemperaturanwendungen etwa 20 bis 50 µm starkes Polyethylen|PE-LD verwendet.
Kameras für kürzere Wellenlängenbereiche um 2 bis 5 µm verwenden spezielle Gläser.
elektronische Bildsensoren
Es existieren verschiedene Verfahren, nach denen Infrarote Bildsensoren funktionieren. Bei sehr kurzen Wellenlängen um 800 nm kommen CCD|Siliziumsensoren zum Einsatz. Sie wandeln die Photonen über den photoelektrischer Effekt direkt in einen Photostrom um.
Für Wellenlängen von 1 bis 2 µm (SWIR) verwendet man Indium-Gallium-Arsenid-Sensoren (InGaAs) oder Bleisulfid-Sensoren. Im Wellenlängenbereich 3-5 µm (MWIR) werden hauptsächlich Indium-Antimon-Detektoren (InSb) und Cadmium-Quecksilber-Tellurid-Detektoren (MCT) verwendet. Ein Kaltfilter begrenzt dabei die Wellenlänge nach unten. Indium-Antimon-Detektoren mit entsprechenden Kaltfiltern bieten einen empfindlichen Spektralbereich von 1 bis 5 µm. Für den langwelligen Bereich von 8 bis 14 µm (LWIR) werden häufig Gallium-Arsenid-Detektoren (QWIP) sowie Cadmium-Quecksilber-Tellurid-Detektoren verwendet. Mikrobolometerarrays, die die Strahlung über eine Erwärmung eines Sensorelements detektieren, sind für diesen Wellenlängenbereich ebenfalls gut geeignet. Gängige Materialien für Mikrobolometerarrays sind Vanadiumoxid (VOx) oder amorphes Silizium (a-Si).
Damit die Eigenstrahlung der Kamera und des Detektors die Messung nicht beeinflusst, werden die nach dem photoelektrischen Effekt arbeitenden Detektoren auf Temperaturen im Bereich um 70K gekühlt. Früher wurde für die Kühlung oft flüssiger Stickstoff verwendet, in modernen Kameras arbeiten meist Stirlingmotoren.
Anwendungen
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 (vgl. punktuelle Messungen wie z. B. Thermometer).
Mit Thermografie bezeichnet man die Feststellung der Wärmeemission von Gegenständen, Maschinen, Häusern usw. Der Begriff findet auch in der Medizin Verwendung. Mit Hilfe der Thermografie kann ein genaues Bild über mögliche thermische Verluste oder bestehende Wärmequellen ermittelt werden. Dazu werden wärmeempfindliche Sensoren, Infrarotkameras und Luftströmungstests eingesetzt, die entsprechenden Daten erfasst und ausgewertet und die Ergebnisse meist computerisiert mit bestimmten Standardwerten verglichen. Ein wesentlicher Faktor für die Thermogramme ist der Emissionsgrad des zu untersuchenden Objekts.
Die Thermografie wird häufig für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (ZfP) von Materialien und Bauteilen eingesetzt. In der Regel wird das Prüfteil mittels einer Anregungsquelle gezielt erwärmt, sodass 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.
Ein typisches Problem bei der praktischen Anwendung ergibt sich, wenn der zu untersuchende Körper von der Umgebung abgetrennt sein muss. In diesem Fall ist ein Betrachtungsfenster notwendig. Typische Fenstermaterialien (Gläser, Kunststoffe) sind nur in begrenzten Wellenlängenbereichen ausreichend transparent.
Zur Qualitätssicherung wird die Thermografie bei der Überprüfung der einwandfreien Wärmedämmung von Gebäuden eingesetzt (Bauthermografie). Damit lassen sich Fehler in der Bauausführung eindeutig nachweisen (siehe Foto). Besonders effektiv ist eine gleichzeitige thermografische Untersuchung der Gebäudehülle in Verbindung mit einer Blower-Door-Test|Luftdichtheitsprüfung.
Eine weitere Anwendung ist die thermografische Überprüfung elektrischer und elektronischer Bauelemente. Hierdurch können frühzeitig Fehlerquellen lokalisiert werden und Gefahren vermieden werden. Es können auch bedingt Gasausströmungen an Behältern festgestellt werden.
Auch bei der Brandwache kommt häufig eine Wärmebildkamera zum Einsatz. Brand- bzw. Glutnester innerhalb geschlossener Bauteile, wie z. B. im Deckenbereich können so gut aufgespürt werden.
siehe auch
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