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gegen
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Das menschliche Auge ist in seiner Funktionalität
bestimmt kaum zu übertreffen. Es gibt jedoch viele Situationen, in denen
wir technische Hilfsmittel, um mehr "sehen" zu können, gerne
einsetzen. So z.B. bei sehr schnellen Bewegungsabläufen, die mit
Hochgeschwindigkeitskameras aufgenommen werden oder bei Wärmeverteilungen,
die der Mensch nur fühlen und nicht sehen kann. Selbst wenn man die
Wärmeverteilung fühlt, eine genauere Bestimmung der Temperatur unter 2°C
Genauigkeit ist nicht mehr möglich. Hochleistungsthermografiesysteme
besitzen Temperaturdifferenzen von 0,03°C Auflösung. Aufgrund dieser
Möglichkeiten ist die gesamte Infrarot- Technik, in unserer hoch
technisierten Welt nicht mehr wegzudenken. Die Infrarotstrahlung wurde vor
über 200 Jahren von dem deutschen Wilhelm Herschel, welcher in England
lebte, erstmals entdeckt und im Laufe der Jahre, nicht zuletzt unter
Einfluss der Militärs, zu perfekt "sehenden" Augen im infraroten
Wellenlängenbereich entwickelt. Grundlage der Infrarotmessung ist das
physikalische Gesetz, dass jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des
absoluten Nullpunktes von -273,15°C eine elektromagnetische Strahlung
aussendet. Diese beinhaltet auch einen infraroten Anteil, der bei einer
Wellenlänge von 0,78 µm beginnt und bis zu 1 mm reicht. Das
Strahlungsmaximum für Objekte mit Raumtemperatur liegt bei einer
Wellenlänge von ungefähr 10 µm. Während das menschliche Auge nur
Wellenlängenbereiche im sichtbaren Spektrum der Sonne von 390 - 780 nm (0,39 - 0,78 µm) erfassen und Infrarot- (Wärme)
Strahlung nicht wahrnehmen kann, vermögen Infrarotkameras in den
Wellenlängenbereichen von 2 - 13 µm zu arbeiten. Erst Körper mit
Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius senden zusätzlich auch
Anteile im sichtbaren Spektrum aus wie zum Beispiel rot glühendes Eisen.
Will man also die Wärmeabstrahlung eines Gegenstandes erkennen, dessen
Temperatur oft deutlich unter diesem Wert liegt, muss sich der Mensch technischer
Hilfsmittel wie der Infrarotkamera bedienen. Je nach Anwendungsgebiet setzt
man kurzwellige (2 µm - 5 µm) oder langwellige (7 µm - 12 µm) Infarotkameras ein.
Strahlungsübersicht:
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Zum Einsatz kommen in unserem Büro nur hochwertige und
leistungsfähige Infrarotsysteme mit hohen Auflösungen und hohen thermischen
Empfindlichkeiten sowie verschiedenen Wechselobjektiven und Filter. Je nach
Messaufgaben wird die optimale Kamaratechnik mit den entsprechenden Wechselobjektiven
und Filtern ausgewählt. So sind besonders bei Messungen an und in Gebäuden
Infrarotkameras mit geringen thermischen Empfindlichkeiten und
Weitwinkelobjektiven notwendig. Bei den Messungen von hohen Temperaturen
ist die thermische Empfindlichkeit nicht so ausschlaggebend, wie bei
Messungen von sehr kleinen Temperaturunterschieden, wie es gerade im
Gebäudebereich der Fall ist. Industrieanlagen oder Messungen an
Hochspannungsanlagen sind nur durchführbar, wenn für bestimmte Messaufgaben Teleobjektive eingesetzt werden können.
Besonders bei den Messungen an Hochspannungsanlagen sind ohne den Einsatz
von Teleobjektiven Messfehler nicht zu umgehen
(s. hierzu auch die Seite Messungen an
Elektroanlagen
und die Zeitungsartikel im pdf- Format "Nieder- und
Mittelspannungsanlagen durch Infrarot- Thermografie richtig untersuchen" (481KB) und "Hochspannungsanlagen durch Infrarot-
Thermografie optimal untersuchen" (430KB)). Die momentan auf dem
Markt angebotenen billigen Infrarotkameras werden von uns nicht
eingesetzt, da diese nicht die notwendigen Messqualitäten
erbringen und zum Teil nur eingeschränkt nutzbar sind. Die billigen
Infrarotkameras besitzen in ihrem Durchmesser nur sehr kleine Objektive und
haben in der Regel nicht die Möglichkeit, verschiedene Objektive oder gar
Filter nutzen zu können. Um so
größer die Durchmesser der speziellen Infrarot- Optiken sind, um so mehr
Energie gelangt durch die Optik auf den Dedektor
und um so empfindlicher sind logischerweise diese
hochwertigen Kameras. Da die Optiken nicht aus Glas bestehen (Glas lässt im
kurzwelligen Infrarot- Bereich nur einen Teil und im langwelligen Infrarot-
Bereich gar keine Infrarot- Strahlung hindurch), müssen diese Objektive aus
gezüchtete Kristalle hergestellt werden. Bei langwelligen Infrarotsystemen
ist dies meist Germanium [Ge], Zinksulfit [ZnS] oder Zinkselenit [ZnSe].
Die Optiken von kurzwelligen Infrarotkameras bestehen z.B. aus Silizium [Si], Saphir [Al2O3] oder Bariumflourid [BaF2]. Daher machen die
Optiken einen nicht unerheblichen Anteil im Kostenspektrum der
Infrarotkameras aus. Es ist daher nachvollziehbar, warum billige
Infrarotkameras mit kleinen Objektiven ausgestattet sind. Auch seriöse
Messungen in der Industrie können nur mit hochwertigen Systemen
durchgeführt werden. Bei vielen Aufgabenstellungen ist es notwendig,
Bewegungsabläufe oder Temperaturveränderungen in Sequenzen zu speichern. Man
bekommt somit einen temperaturkalibrierten Film und kann gut
Temperaturänderungen und - wanderungen in
Bauteilen oder Produkten erkennen und messen. Auch hierzu sind billige IR-
Kameras nicht in der Lage (s. hierzu auch den Zeitungsartikel
IR-Messungen in der Industrie (666KB) als pdf-
Datei). Eine oft sehr geringe Anzahl von messenden Bildpunkten und geringe
Bildwiederholfrequenzen charakterisieren weiterhin die geringpreisige Kameras. Die Kameras des unteren
Preissegmentes werden auch meist nur von Billiganbietern verwendet, welche
auf Qualität und Messgenauigkeit wenig Wert legen
oder für untergeordnete Messaufgaben! Für ein
leistungsfähiges Infrarotsystem mit verschiedenen Infrarot Optiken liegen
die Kosten bei 50.000,- EUR aufwärts.
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Messparameter unserer Infrarot-
Kamerasysteme:
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langwellen IR- Kamera (ungekühlt)
ThermaCAM PM 695
von
FLIR SYSTEMS
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langwellen IR- Kamera (ungekühlt)
ThermaCAM P65 HS
von
FLIR SYSTEMS
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langwellen IR- Kamera (ungekühlt)
ThermaCAM P660
von
FLIR SYSTEMS
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Analog-
Digital- Wandler
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14- Bit
System
(16.384 Stufen)
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14- Bit
System
(16.384 Stufen)
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14- Bit
System
(16.384 Stufen)
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Temperaturmessbereich
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-40°C bis
+2.000°C
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-40°C bis +500°C
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-40°C bis
+2.000°C
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Arbeitstemperaturbereich
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-15°C bis +50°C (Schutzgrad IP 54 IEC 529)
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erreichbare
Auflösung
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0,1°C
(thermische Empfindlichkeit 0,08°C bei 30°C)
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0,05°C bei
30°C
(Indigo Detektor)
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0,03°C bei
30°C
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spektraler
Messbereich
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7,5 µm bis
13 µm
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7,5 µm bis
13 µm
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7,5 µm bis
13 µm
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IR- Dedektor
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Focal Plane Array (FPA)
327x245= 80.115
Bildpunkte
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Focal Plane Array (FPA)
327x245= 80.115
Bildpunkte
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Focal Plane Array (FPA)
640x480= 307.200
Bildpunkte
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Bild-
Darstellung
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5, 10 oder 256 Grau- bzw. Farbstufen,
Falschfarbendarstellung
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Infrarot
Bildfrequenz
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50 Hz
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30 Hz
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30 Hz
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Optiken
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7°, 24°,
45°
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5,6°,
19,1°, 37,3°
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7°, 12°, 24°, 45°
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geometrische
Auflösung (IFOV)
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0,4 mRad - 7°
1,3 mRad - 24°
2,6 mRad - 45°
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0,31 mRad - 5,6°
1,06 mRad - 19,1°
2,11 mRad - 37,3°
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0,19 mRad - 7°
0,33 mRad - 12°
0,65 mRad - 24°
1,30 mRad - 45°
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minimal
messbare Objektgröße bei 1m Messentfernung ( * )
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nicht
möglich - 7°
1,3 mm - 24°
2,6 mm - 45°
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nicht
möglich - 5,6°
1,06 mm - 19,1°
2,11 mm - 37,3°
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nicht
möglich - 7°
0,33 mm - 12°
0,65 mm - 24°
1,3 mm - 45°
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minimal
messbare Objektgröße bei 10m Messentfernung ( * )
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3,8 mm -
7°
13 mm - 24°
26 mm - 45°
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3,1 mm -
5,6°
10,6 mm - 19,1°
21,1 mm - 37,3°
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1,9 mm -
7°
3,3 mm - 12°
6,5 mm - 24°
13,0 mm - 45°
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minimal
messbare Objektgröße bei 30m Messentfernung ( * )
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12 mm - 7°
39 mm - 24°
78 mm - 45°
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9,3 mm -
5,6°
31,8 mm - 19,1°
63,3 mm - 37,3°
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5,7 mm - 7°
9,9 mm - 12°
19,5 mm - 24°
39,0 mm - 45°
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minimale
Fokusentfernung
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4 m - 7°
0,3 m - 24°
0,1 m - 45°
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4 m - 5,6°
0,3 m - 19,1°
0,1 m - 37,3°
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3 m - 7°
1,2 m - 12°
0,3 m - 24°
0,1 m - 45°
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Blickfeld
bei 10m Distanz
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1,2 x 0,9
m - 7°
4,3 x 3,2 m - 24°
8,3 x 6,2 m - 45°
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0,98 x
0,74 m - 5,6°
3,37 x 2,53 m - 19,1°
6,75 x 5,06 m - 37,3°
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1,21 x 0,91
m - 7°
4,25 x 3,18 m - 24°
8,28 x 6,21 m - 45°
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( * ) Die in
der Tabelle aufgeführten mimimalen messbaren
Objektgrößen sind theoretische Werte (ideale Messfleckgrößen).
Da es bei den einzelnen Detektoren auf der gesamten Detektormatrix bei der
Herstellung zu nicht arbeitenden Detektorzellen kommen kann (1% Fehler sind
zulässig), werden diese fehlerhaften Detektorzellen durch einen
Rechenalgorithmus in der IR- Kamera berechnet und in das Bild eingefügt, um
keine weißen Messflecke im IR- Bild zu erhalten.
Um eine genaue Messung zu gewährleisten, sollte wegen der möglicherweise
fehlerhaften "pitch" also 3 einzelne
"pitch" als kleinsten Messfleck vorhanden sein. Die Kamerahersteller geben
die geometrische Auflösung IFOV aus diesem Grund etwas größer als den
theoretisch errechneten Wert an (realer Messfleck).
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Geometrische Auflösung IFOV (Instantaneous
Field Of View)
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Eine
Vielzahl von FPA Systemen besitzen eine Detektormatrix
von 320 x 240 quadratischen Einzeldetektoren. Mit einem Objektiv von
24° werden pro Zeile 24 Winkelbereiche mit einer Größe von:
24° / 320 Detektoren = 0,075° = 0,001308 rad = 1,31 mrad erfasst.
(360° = 2 Pi rad 1° = 2 Pi / 360 rad = Pi /180 rad = 0,017453292 rad)
Dieser Wert betrifft jedoch nur den Wert einer einzelnen Detektorzelle, des
sogenannten "pitch" (s. oben). Der
Detektor selbst ist um einen gewissen Faktor c kleiner, der sich aus dem
Füllfaktor berechnen lässt.
Füllfaktor = A aktive Fläche / A Detektorzelle = d² aktive
Fläche / d² Detektorzelle
Daraus folgt: d aktive Fläche = d Detektorzelle x
(Wurzel aus) Füllfaktor
Bei einem Füllfaktor von 0,5 ergibt sich ein IFOV von:
IFOV = 1,31mrad x (Wurzel aus) 0,5 = 1,31mrad x 0,707 = 0,926mrad
x [mrad] = x [mm] (bei "a" = 1m
entspricht dies 0,93 mm)
Bei einer Messentfernung "a" von 10m ergibt sich:
x = 0,929 [mrad] x
10[m] = 9,3 [mm]
Eine Kamera mit 320 x 240 Messpunkten und
einem 24° Objektiv kann bei einer Entfernung von 10m erst Objekte ab einer
Größe von 9,3 mm messen!
Die
modernsten FPA Systeme besitzen eine Detektormatrix von 640 x 480
quadratischen Einzeldetektoren. Mit einem Objektiv von 24° werden pro Zeile
24 Winkelbereiche mit einer Größe von:
24° / 640 Detektoren = 0,0375° = 0,0006545 rad = 0,65 mrad erfasst.
(360° = 2 Pi rad 1° = 2 Pi / 360 rad = Pi / 180 rad = 0,017453292 rad)
Füllfaktor = A aktive Fläche / A Detektorzelle =
d² aktive Fläche / d² Detektorzelle
Daraus folgt: d aktive Fläche = d Detektorzelle x
(Wurzel aus) Füllfaktor
Bei einem Füllfaktor von 0,5 ergibt sich ein IFOV von:
IFOV = 0,65 mrad x (Wurzel aus) 0,5 = 0,65 mrad x 0,707 = 0,459mrad
x [mrad] = x [mm] (bei "a" = 1m
entspricht dies 0,45 mm)
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Bei
einer Messentfernung "a" von 10m ergibt sich:
x = 0,459 [mrad] x
10[m] = 4,6 [mm]
Die modernsten Infrarot- Kameras
mit 640 x 480 Messpunkten können also bedeutend
kleiner Strukturen auflösen und Objekte in großen Entfernungen richtig zu
messen.
Bei 10m Messentfernung
sind dies mit einer 640x480 IR- Kamera:
größer/gleich 4,6 mm mit 24° Optik (Nomalobjektiv)
größer/gleich 1,4 mm mit 7° Optik (Teleobjektiv)
größer/gleich 8,8 mm mit 45° Optik (Weitwinkelobjektiv)
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