Thermografie


Thermografie

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Die Thermografie (auch Thermographie) ist ein bildgebendes Verfahren, welches Infrarotstrahlung sichtbar macht. Diese kann, unter gewissen Einschränkungen, als Temperaturverteilung interpretiert werden (siehe Wärmebildkamera#Theorie).

Datei:File 00016303.jpg
Infrarotaufnahme als Senkrechtluftbild
Thermografisches Bild
Wärmebild eines Hundes
Bauthermografie: ungedämmte Außenwand
Thermographiebild eines Eloxierversuches
Thermografie an einer Photovoltaik - Anlage / fehlerhafte Zelle
defekter Kabelanschluss an einem Elektroschütz
Temperaturabhängigkeit der Schwarzkörperstrahlung

Ursprünglich wurde zur Bildgebung eine mittlerweile veraltete Kontakttechnik verwendet, bei der Thermopapier durch Berührung mit ausreichend warmen Oberflächen verfärbt wird. Dieses Verfahren hat sehr an Bedeutung verloren, weil es nur in einem eng begrenzten Temperaturbereich funktioniert und weder zeitliche Änderungen noch geringe Temperaturunterschiede anzeigen kann. Im Vergleich zur heute allgemein verwendeten kontaktlosen Technik ist es aber erheblich billiger.

Die Technik der Bildgebung hat sich in der allgemeinen Verwendung inzwischen grundlegend geändert. Eine Wärmebildkamera wandelt heutzutage die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung (Infrarotlicht) eines Objektes oder Körpers auch aus größerer Entfernung mit Hilfe von Spezialsensoren in elektrische Signale um, die durch Computer leicht verarbeitet werden können. Dadurch ist der Temperaturmessbereich (Dynamikumfang) deutlich ausgeweitet worden, zudem lassen sich winzige Temperaturunterschiede feststellen. Heutzutage wird Thermografie meist als Synonym für die Infrarotthermografie verwendet.

Prinzip

Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes sendet Wärmestrahlung aus. Im Idealfall entspricht das Spektrum der ausgesandten Strahlung dem eines Schwarzen Strahlers. 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 wird, 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 / atmosphärisches Fenster).

Aufgebaut ist die Kamera im Prinzip wie eine normale elektronische Kamera für sichtbares Licht: Durch ein Objektiv mit Linse(n) wird ein Bild auf einen elektronischen Bildsensor projiziert. Die Sensoren unterscheiden sich in Aufbau und Funktionsweise auch je nach zu detektierender Wellenlänge. Es ist nicht möglich, mit herkömmlichen Filmen sehr langwellige Strahlung aufzunehmen.

Optik

Kameras für den Wellenlängenbereich von 8 bis 14 µm verwenden eine Optik aus Salzen wie Natriumchlorid (Kochsalz), Silbersalze oder aus Germanium. Diese sind feuchteempfindlich oder sehr teuer.

Elektronische Bildsensoren

Es existieren verschiedene Verfahren, nach denen infrarote Bildsensoren funktionieren.

  • Bei sehr kurzen Wellenlängen um 800 nm kommen Siliciumsensoren zum Einsatz. Sie wandeln die Photonen über den photoelektrischen 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) verwendet man hauptsächlich Indium-Antimon-Detektoren (InSb) und Cadmium-Quecksilber-Tellurid-Detektoren (MCT). 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-Quantentopf-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 oder Kohlenstoffdioxid verwendet, moderne Kameras arbeiten meist mit Peltierelementen, sehr genaue Modelle für wissenschaftliche Anwendung dagegen auch mit Stirlingkühlern.

Anwendungen

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Die Thermografie ist ein berührungsloses Messverfahren, das heißt, es können auch extrem schnell laufende 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, 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.

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.

Bauthermografie wird zur Überprüfung der einwandfreien Wärmedämmung von Gebäuden oder zum Aufspüren von Wärmebrücken eingesetzt. Damit lassen sich Fehler in der Bauausführung eindeutig nachweisen (siehe Foto). Manchmal wird eine thermografische Untersuchung der Gebäudehülle mit einer Luftdichtheitsprüfung verbunden.

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.

Normen für die Thermografische Prüfung

Deutsches Institut für Normung (DIN)
  • DIN 54162, Zerstörungsfreie Prüfung - Qualifizierung und Zertifizierung von Personal für die thermografische Prüfung - Allgemeine und spezielle Grundlagen für Stufe 1, 2 und 3
  • DIN 54190-1, Zerstörungsfreie Prüfung - Thermografische Prüfung - Teil 1: Allgemeine Grundlagen
  • DIN 54190-2, Zerstörungsfreie Prüfung - Thermografische Prüfung - Teil 2: Geräte
  • DIN 54190-3, Zerstörungsfreie Prüfung - Thermografische Prüfung - Teil 3: Begriffe
  • DIN 54191, Zerstörungsfreie Prüfung - Thermografische Prüfung elektrischer Anlagen
  • E DIN 54192, Zerstörungsfreie Prüfung - Aktive Thermografie
  • DIN EN 13187, Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden - Nachweis von Wärmebrücken in Gebäudehüllen - Infrarot-Verfahren
International Organization for Standardization (ISO)
  • ISO 6781, Thermal insulation - Qualitative detection of thermal irregularities in building envelopes - Infrared method
  • ISO 18434-1, Condition monitoring and diagnostics of machines - Thermography - Part 1: General procedures
  • ISO 18436-7, Condition monitoring and diagnostics of machines - Requirements for qualification and assessment of personnel - Part 7: Thermography

Siehe auch

  • Wärmebildkamera
  • Blower-Door-Test
  • Pyrometer

Literatur

  • Schuster, Norbert und Kolobrodov, G. Valentin: Infrarotthermographie, Wiley-VCH, Weinheim 2004, 354 S.
  • Budzier, Helmut und Gerlach, Gerald: Thermische Infrarot Sensoren, Wiley-VCH, Weinheim 2010, 328 S.
  • Fouad, Nabil A. und Torsten Richter, Leitfaden Thermografie im Bauwesen, Fraunhofer IRB, Stuttgart 2005; 2012, 127 S.
  • Zimmermann, Thomas und Zimmermann, Martina: Lehrbuch der Infrarotthermografie, Fraunhofer IRB, Stuttgart 2012, 170 S.

Weblinks

 Commons: Thermografie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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