Einführung in das Messverfahren, Grundlagen, Technik
Physikalische Grundlagen
Alle Körper, deren Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von –273,15°C bzw. 0 K liegt, senden elektromagnetische Strahlung aus. Diese Strahlung umfasst ein großes Spektrum von Wellenlängen.Zur Vereinfachung der Betrachtung ist es nützlich vom idealisierten Schwarzen Strahler auszugehen.
Ein Schwarzer Strahler ist dadurch charakterisiert, dass er alle auf ihn fallende Strahlung absorbiert, damit keine Reflexion aufweist und somit die emittierte Strahlung nur noch von der eigenen Temperatur abhängt. Die Verteilung der Strahlungsintensität über der Wellenlänge lässt sich mit dem Planckschen Strahlungsgesetz beschreiben.
Dabei wird die Zunahme der Intensität mit der Temperatur deutlich. Durch die Integration der Intensität über die Wellenlänge wird deutlich, dass die Gesamtstrahlung des Schwarzen Körpers mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur zunimmt (Stefan-Boltzmannsches Gesetz).
Im Zusammenhang mit dem Wienschen Verschiebungsgesetz, das die Lage der Strahlungsmaxima über der Wellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur beschreibt, sind die theoretischen Grundlagen für die Bestimmung der Strahlertemperatur gegeben. Die Wärmebildkamera arbeitet in einem bestimmten, durch die Strahlungsdetektoren vorgegebenen Wellenlängenbereich (meist um 10 µm). Dabei wird der empfangenen Strahlung eine, mit steigender Intensität höher werdende, Temperatur zugeordnet. Dazu verfügt die Kamera über eine Software, die auf der Grundlage der oben genannten Strahlungsgesetze die erforderlichen Berechnungen durchführt und gleichzeitig die realen Bedingungen der Messung berücksichtigt.
Randbedingungen der Messungen
Die theoretischen Grundlagen gehen vom Schwarzen Strahler aus. Aufgrund des Absorbtionsgrades α (absorbierte Strahlung zu auftreffender Strahlung) des realen Körpers von < 1, besitzt er ein Reflexionsvermögen ρ (reflektierte zu auftreffender Strahlung). Der Maximalwert der emittierten Strahlung, berechnet gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz, wird von einem realen Körper nicht erreicht. Das Verhältnis, der vom realen Körper emittierten Strahlung zu der des Schwarzen Strahlers, nennt man dessen Emissionsgrad ε. Für Messobjekte, die für Wärmestrahlung nicht transparent sind, gilt grundsätzlich ε+ρ = 1. Maßgeblich ist hier die Oberflächenbeschaffenheit der Körper, hinsichtlich Infrarotstrahlung. Das Emissions- und Reflexionsverhalten ist im infraroten Spektralbereich bei den meisten Körpern sehr verschieden zu dem bei sichtbarem Licht. Bei Emissionsgraden deutlich kleiner als 1 ist der reflektierte Anteil der ausgesandten Strahlung zu berücksichtigen. Der Anteil an reflektierter Strahlung resultiert aus den Störquellen der Umgebung. Das sollte stets beachtet und bei der Messdurchführung berücksichtigt werden. Die Wärmebildkamera bietet die Möglichkeit, den Emissionsgrad des Messobjekts in die Auswertesoftware einzugeben. Dabei ist aber auch die Umgebungstemperatur zu berücksichtigen.Die Kenntnis des Emissionsgrades ist, zumindest bei der Bestimmung der absoluten Temperatur, wesentlich. Feuchtigkeit auf dem Messobjekt würde den Emissionsgrad verändern und zusätzlich, durch den Entzug von Verdunstungswärme, die Oberflächentemperatur beeinflussen. Ebenso sind starke Luftströmungen zu vermeiden, da auch diese die Oberflächentemperatur verändern können.
Bei der Außenthermografie ist besonders zu beachten, dass Wasserdampf und Kohlendioxid als Bestandteile der Luft in bestimmten Wellenlängenbereichen Infrarotstrahlung stark absorbieren. Am geringsten ist dieser Effekt zwischen 8 und 14 μm.
Durch Glas können Infrarotstrahlen oberhalb 3 μm nicht dringen. Als optische Fenster für Infrarotstrahlung sind bestimmte PE-Folien verwendbar.
Grundsätzliches zur Anwendung der Thermografie
Mit der Thermografie ist es nur möglich die Temperaturverteilung an Oberflächen von Messobjekten zu bestimmen. Dabei wird durch die Zuordnung von bestimmten Grau- oder Farbtönen zu den Temperaturen die Visualisierung der Temperaturverteilung möglich. Dabei verlangt die Bewertung der thermografischen Aufnahme Kenntnis über den grundlegenden Aufbau des Untersuchungsobjekts. So deutet z.B. eine erhöhte Wärmeabstrahlung an einer Gebäudeaußenwand nicht zwangsläufig auf einen verminderten Wärmedurchgangswiderstand hin, es könnte sich auch um einen dort befindlichen Heizkörper handeln.In Abhängigkeit von der Empfindlichkeit der Kamera, können kleinste Temperaturunterschiede letztendlich Aufschluss über innere Strukturen und Prozesse des Untersuchungsobjektes geben. Das gilt für Gebäude ebenso wie für technische Anlagen oder in der Medizin.
Durch die ständige Weiterentwicklung moderner Auswertesoftware werden diese Analysemöglichkeiten stetig verbessert, ohne aber grundsätzlich am physikalischen Messprinzip etwas zu ändern.
Thermografiekameras
Moderne Wärmebildkameras arbeiten entweder als Scanner- oder Focal Plane Array-Geräte.Bei einer Scanner-Kamera wird die Infrarotstrahlung des Messobjekts durch ein Ablenksystem zeilenweise auf einen einzigen Detektor projiziert. Dadurch ergibt sich eine Bildfolgefrequenz von etwa 1 Hz, wodurch die Messung, an ständig in Bewegung befindlichen Objekten, erschwert wird. Diese Einschränkung ist bei den meisten Einsatzgebieten unerheblich. Der Vorteil dieser Technik liegt in der Bewertung aller Messpunkte mit einem Detektor. Demgegenüber wird bei der Focal Plan Array-Kamera das gesamte Bild unmittelbar, entsprechend der Anzahl der vorgesehenen Bildpunkte, auf einzelne Detektoren verteilt (> 60.000 Bildpunkte). Da jeder Bildpunkt somit eine eigene Detektorkennlinie aufweist, wirken sich Änderungen in der Kennlinie immer nur auf diesen Punkt aus, während bei der Scanner-Technik Veränderungen des einzigen Detektors alle Bildpunkte betreffen und somit leicht kalibriert werden können.
Eingesetzte Thermografietechnik
Scannerkamera Typ VARIOSCAN 3021, Hersteller: JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH| Arbeitswellenlänge: | 8 – 12 µm |
| Temperaturauflösung: | +/- 0,03 K |
| Temperaturmessbereich: | - 40 ... + 1.200°C |
| absolute Temperatur: | < +/- 2 K |
| Bildpunkteanzahl: | 86.400 |
| Bildfrequenz: | 0,8 Hz |
© Ralf Zimmer |