Thermografie

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Die Thermografie, auch Thermographie, ist ein bildgebendes Verfahren zur Anzeige der Oberflächentemperatur von Objekten. Dabei wird die Intensität der Infrarotstrahlung, die von einem Punkt ausgeht, als Maß für dessen Temperatur gedeutet.

Bauthermografie: Flächen erhöhter Temperatur auf der ungedämmten Außenwand werden durch die Falschfarbe rot gekennzeichnet.
Mobile Wärmebildkamera

Eine Wärmebildkamera wandelt die für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotstrahlung in elektrische Signale um. Daraus erzeugt die Kamera ein Bild in Falschfarben bzw. für thermographische Zwecke eher seltener ein monochromes Graustufenbild.

Historisches[Bearbeiten]

Der Astronom und Musiker Wilhelm Herschel entdeckte im Jahr 1800 die Wärmestrahlung, indem er Sonnenlicht durch ein Prisma lenkte und den Bereich hinter dem roten Ende des sichtbaren Spektrums mit einem Thermometer untersuchte. Die Temperatur stieg in diesem Bereich, und Herschel schloss daraus, dass dort eine unsichtbare Form von Energie wirksam sein müsse. Seine Bezeichnung Wärmestrahlung ist auch heute noch üblich und wurde etwa 100 Jahre später durch "Infrarot" — im deutschen Sprachraum war einige Zeit auch der Begriff "Ultrarot" geläufig — ersetzt.

Andere Forscher zweifelten seine Entdeckung zuerst an, weil noch nicht bekannt war, dass die Transparenz für IR stark von der Glassorte des Prismas abhängt. Auf der Suche nach einem besseren Material entdeckte 1830 der italienische Physiker Macedonio Melloni, dass Prismen aus kristallinem Steinsalz IR-Strahlung kaum dämpfen und dass sich Wärmestrahlung mit Linsen aus diesem Material bündeln lässt. Bereits ein Jahr vorher konnte Melloni die Messgenauigkeit erheblich steigern, indem er die relativ ungenauen Quecksilberthermometer durch die von ihm erfundene Thermosäule ersetzte. Beides – Linsen aus Steinsalz und Anordnungen von Thermosäulen – waren die wesentlichen Bauelemente der ersten Wärmekameras.

Die Temperaturverteilung auf Oberflächen (so genannte "Wärmebilder") wurden 1840 von Herschel durch unterschiedliche Verdampfungsraten eines dünnen Ölfilms sichtbar gemacht. Später ermittelte man die Temperatur durch unmittelbaren Kontakt mit ausgedrücktem Thermopapier, das sich bei Berührung mit ausreichend warmen Oberflächen verfärbt. Alle diese Verfahren haben sehr an Bedeutung verloren, weil sie nur in einem eng begrenzten Temperaturbereich funktionieren, weder zeitliche Änderungen noch geringe Temperaturunterschiede anzeigen und bei gekrümmten Oberflächen schwierig zu handhaben sind. Im Vergleich zur heute allgemein verwendeten kontaktlosen Technik waren sie aber erheblich billiger.

Der Durchbruch in der Entwicklung der kontaktlosen Temperaturmessung gelang Samuel Pierpont Langley im Jahr 1880 mit der Erfindung des Bolometers. Einsatzbereiche waren unter anderem Aufspüren von Eisbergen und verborgener Personen. Die weitere Entwicklung vor allem auf dem Gebiet der Bildgebung erfolgte meist im Geheimen und Forschungsberichte durften wegen militärischer Geheimhaltungsvorschriften erst nach 1950 veröffentlicht werden. Seit etwa 1960 sind die Geräte auch für nichtmilitärische Zwecke erhältlich.

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[Bearbeiten]

Spektrale Verteilung der Intensität der Schwarzkörperstrahlung. Die Temperatur der Sonne ist orange, die Umgebungstemperatur rot gekennzeichnet.

Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes sendet Wärmestrahlung aus. Im Idealfall (Emissionsgrad \varepsilon =1) entspricht das Spektrum der ausgesandten Strahlung dem eines Schwarzen Strahlers, bei realen Oberflächen weicht es ab. Bei polierten Metallflächen sinkt \varepsilon im IR-Bereich auf Werte unter 0,1. Bei üblichen Baumaterialien gilt \varepsilon \approx 0{,}9.

Mit steigender Temperatur verschiebt sich das ausgesandte Spektrum zu kürzeren Wellenlängen (Wiensches Verschiebungsgesetz).

Die Thermographie wird bevorzugt im infraroten Bereich eingesetzt, also bei Objekttemperaturen um 300 K, die im Bereich der gewöhnlichen Umgebungstemperaturen um 20 °C liegen. Damit die Messungen an weiter entfernt liegenden Objekten nur wenig durch die zwischen Objekt und Kamera liegenden Atmosphäre verfälscht wird, arbeiten die Kameras in der Regel in eingeschränkten Wellenlängenbereichen, in denen die Atmosphäre kaum Eigenstrahlung emittiert (und absorbiert). Ein solches „Fenster“ liegt beispielsweise im Bereich von etwa 8 bis 14 µm (siehe atmosphärische Gegenstrahlung / atmosphärisches Fenster).

Drei Wärmeleistungen tragen zum Ergebnis bei:

  • Den Hauptanteil PObjekt strahlt das Messobjekt selbst ab, dessen Oberfläche einen möglichst hohen Emissionsgrad besitzen soll.
  • Die Gegenstände der Umgebung, aber auch die Sonne strahlen Energie PUmgebung ab, der Anteil (1 - \varepsilon) wird am Messobjekt gestreut und addiert sich zum Ergebnis. Dieser störende Zusatz ist bei glatten Metalloberflächen besonders ausgeprägt.
  • Die dazwischenliegende Luft liefert ihrerseits PLuft.

Alle drei Anteile werden beim Durchlaufen der Luft geschwächt, für Entfernungen um zwei Meter kann man mit einem Transmissionsgrad von \tau \approx 0{,}9 rechnen.

Die gesamte empfangene Leistung berechnet sich zu

P_{Gesamt} = \varepsilon \tau P_{Objekt} + (1-\varepsilon)\tau P_{Umgebung} + (1-\tau)P_{Luft}

Streustrahlung von Sonnenlicht und heißer, seitlicher Strahler sind bei sorgfältiger Messung am leichtesten zu vermeiden. Problematisch ist aber die Strahlungsleistung der Luftmasse zwischen Objekt und Sensor, wenn der Abstand zunimmt. Deshalb sind erdgebundene Infrarotteleskope nur für die Beobachtung der relativ nahen Sonne brauchbar. Weiter entfernte Objekte lassen sich nur erkennen, wenn die Dicke der Luftschicht (wie beim Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) stark verringert oder (wie bei Wide-Field Infrared Survey Explorer und Spitzer-Weltraumteleskop) ganz ausgeschaltet wird.

Mögliche Messfehler[Bearbeiten]

Manche Materialien wie Polyethylenfolien sind im IR-Bereich transparent, im sichtbaren Bereich aber undurchsichtig.
Bei anderen Materialien wie Glas ist es genau umgekehrt, wie das Brillenglas zeigt. Die Einheit der Temperaturskala ist Grad Fahrenheit.

Reale Flächen emittieren weniger Strahlung als ein Schwarzer Strahler. Das Verhältnis liegt immer zwischen Null und eins und heißt Emissionsgrad. Es ist vom Material, der Oberflächenbeschaffenheit, jedoch kaum von der Temperatur abhängig und für polierte Metallflächen besonders klein. Ein Beispiel illustriert die damit verbundene 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

P = \varepsilon(T) \cdot \sigma \cdot A \cdot T^4

folgt für die abgestrahlte Leistung pro Flächeneinheit

\frac{P_\text{poliert}}{P_\text{verrostet}} = \frac {0{,}05}{0{,}85} = 0{,}059

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

\frac{T_\text{poliert}}{T_\text{verrostet}} = \sqrt[4]{0{,}059} = 0{,}49

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. Muss die Temperatur blanker Metalloberflächen bestimmt werden, empfehlen Meßgerätehersteller, eine ausreichend große Fläche dunkel zu lackieren oder mit dunklem Klebeband abzudecken.

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 (siehe nebenstehende Bilder), Holz und andere Baustoffe, Wasser und Eis.

Die Temperatur von Oberflächen mit geringem Emissionsgrad lässt sich mit Thermografie nicht verlässlich bestimmen.

Technische Details[Bearbeiten]

Eine Wärmebildkamera an einem Polizeihubschrauber
Hauptartikel: Wärmebildkamera

Aufgebaut ist eine Wärmebildkamera im Prinzip wie eine normale elektronische Kamera für sichtbares Licht, die Sensoren unterscheiden sich aber in Aufbau und Funktionsweise je nach zu detektierender Wellenlänge. Es ist nicht möglich, mit herkömmlichen Filmen sehr langwellige Strahlung aufzunehmen, weil die fotoempfindliche Emulsion auch in verpacktem Zustand durch die thermische Eigenstrahlung „belichtet“ würde.

Durch ein Objektiv mit Linse(n) wird ein Bild auf einen elektronischen Bildsensor projiziert. Kameras für den Wellenlängenbereich von 8 bis 14 µm verwenden eine Optik aus feuchteempfindlichen Salzen wie Natriumchlorid (Kochsalz), Silbersalze oder aus einkristallinen Halbleitermaterialien wie Germanium oder Zinkselenid.

Für die elektronischen Bildsensoren werden geeignete Halbleitermaterialien verwendet; zum Beispiel verwendet man für Wellenlängen von 1 bis 2 µm (SWIR) Indium-Gallium-Arsenid-Sensoren (InGaAs) oder Bleisulfid-Sensoren.

Thermografiekameras können gekühlte oder ungekühlten Infrarotbilddetektoren besitzen. Nach dem photoelektrischen Effekt arbeitende Detektoren werden oft auf Temperaturen im Bereich um 70K gekühlt, damit die Eigenstrahlung der Kamera und des Detektors die Messung nicht beeinflusst. Hierdurch kann sich die thermische Empfindlichkeit (Temperaturauflösung) des Thermografiesystems gegenüber den ungekühlten Systemen entscheidend erhöht.

Ungekühlte Infrarot-Sensoren werden durch thermoelektrische Kühler, die Peltierelemente, auf konstanter Temperatur gehalten, um Signaldrift der Empfänger-Elemente zu verringern. Solche Systeme kommen ohne kostspielige, evtl. unhandliche Kühlvorrichtungen aus. Damit sind diese Thermografiesysteme deutlich kleiner und kostengünstiger als gekühlte Systeme. Sie liefern aber ein vergleichsweise schlechteres Ergebnis. Ungekühlte Detektoren verwenden pyroelektrische oder Mikrobolometer-Arrays.

Theoretische Funktionsweise[Bearbeiten]

Hauptartikel: Mikrobolometer
Hauptartikel: Pyroelektrischer Sensor

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 (zum Beispiel Vanadiumoxid). Die einfallende Infrarotstrahlung wird absorbiert und führt zu einer Temperaturerhöhung des Scheibchens, was wiederum den Widerstand ändert. 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.

Normen für die Thermografische Prüfung[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • 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[Bearbeiten]

 Commons: Thermografie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien