Thermografie

Die Thermografie, auch Thermographie ist ein bildgebendes Verfahren zu 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.

Historisches

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

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) und 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 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 P_Objekt strahlt das Messobjekt selbst ab, dessen Oberfläche einen möglichst hohen Emissionsgrad besitzen soll.
• Die Gegenstände der Umgebung, aber auch die Sonne strahlen Energie P_Umgebung 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 P_Luft.

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

Manche Materialien wie Polyäthylenfolien 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, Holz und andere Baustoffe, Wasser und Eis.

Die Temperatur von Oberflächen mit geringem Emissionsgrad lässt sich mit Thermografie nicht verlässlich bestimmen, wie in den Bildern zu sehen ist.

Technische Details

Wärmebild eines kleinen Induktionsofens

Thermographiebild eines Eloxierversuches

Thermografie an einer Photovoltaik - Anlage / fehlerhafte Zelle

defekter Kabelanschluss an einem Elektroschütz

Wärmebild einer fahrenden Dampflokomotive

Aufgebaut ist die Kamera 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.

Die geometrische Auflösung von kommerziellen Thermografiekameras ist beträchtlich niedriger als bei Kameras für den sichtbaren Spektralbereich. Sie liegt typischerweise bei 160 × 120, 320 × 240 oder 384 × 288 Bildpunkten (Pixel). Neuerdings werden auch Detektoren mit 640 × 480 Pixeln eingesetzt. Durch Micro Scanning kann die Kameraauflösung auf bis zu 1280 × 960 verbessert werden. Die Auflösung bestimmt im Zusammenspiel mit den eingesetzten Objektiven beziehungsweise dem Gesichtsfeld (Field of View) der Kamera den kleinsten definierbaren Messfleck des Thermografiesystems.

Die Objektiv-Linsen von Thermografiekameras bestehen aus einkristallinen Halbleitermaterialien (Germanium, Zinkselenid).

Optik

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.

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.

Datenverarbeitung

Eine Wärmebildkamera an einem Polizeihubschrauber

Die Bilder der Infrarotkameras liegen zunächst als Spannungswerte vor, die Graustufen bedeuten. Gängige Kameramodelle sind in der Lage, bis zu 256 (8 bit) Graustufen aufzulösen. Allerdings ist es für den menschlichen Betrachter nicht möglich, derart feine Graustufungen aufzulösen, weshalb alle Wärmebild-Kameras Bilder in Falschfarben-Darstellung zu erzeugen. Oft wird der hellste – der wärmste – Teil des Bildes weiß, die Zwischentemperaturen werden in Gelb- und Rottönen und die dunklen (gleich kälteren) Teile des Bildes in Blautönen dargestellt. Es lassen sich aber auch andere Farbpaletten wählen. Das Verfahren ist relativ einfach und erfolgt (vereinfacht) so:

• Liegt die Spannung eines Sensors zwischen 0 und 1 V, wird der entsprechende Bildpunkte blau dargestellt
• Liegt die Spannung zwischen 1 und 2 V, wird er grün dargestellt
• Liegt die Spannung zwischen 2 und 3 V, wird er gelb dargestellt, ...

Mit einer feineren Unterteilung lassen sich auch sehr geringe Farbunterschiede erzeugen, die das Auge auffälliger als Helligkeitsunterschiede sind. Im so eingefärbten Bild ist die „Helligkeit“, die auf eine thermische Anomalie hinweist, durch eine Änderung der angezeigten Farbe repräsentiert anstatt durch unterschiedliche Graustufen.

Typen

Thermografiekameras können in zwei Arten unterteilt werden: Systeme mit gekühlten Infrarotbilddetektoren und mit ungekühlten Detektoren.

Gekühlte Infrarotdetektoren

Gekühlte Infrarotdetektoren arbeiten nach dem inneren Fotoeffekt, das heißt, sie bestehen aus einem Array aus Fotoempfängern. Die Detektoren sind gewöhnlich in einem vakuumversiegelten Gehäuse untergebracht und werden kryogenisch gekühlt. Die Arbeitstemperatur der Detektoren liegt dabei typischerweise zwischen 4 K und 110 K, wobei ein üblicher Wert bei rund 80 K (etwas über der Siedetemperatur von Stickstoff) liegt. Damit sind die Detektoren in der Regel viel kälter als die zu beobachtenden Objekte, wodurch sich die thermische Empfindlichkeit (Temperaturauflösung) des Thermografiesystems gegenüber den ungekühlten Systemen entscheidend erhöht. Ein Nachteil dieser Methode: Fällt die Kühlung des Detektors aus, ist das Thermografiesystem „blind“.

Weitere Nachteile gekühlter Systeme sind die erhöhten Anschaffungs- und Betriebskosten sowie die mitunter langen Anlaufzeiten, bis das System den Detektor auf Betriebstemperatur herunter gekühlt hat.

Dem gegenüber steht die herausragende Bildqualität im Vergleich zu ungekühlten Systemen.

Die Infrarotdetektoren gekühlter Systeme können unter anderem aus folgenden Halbleiter-Materialien bestehen:

• InSb (Indiumantimonid)
• InAs (Indiumarsenid)
• HgCdTe (Quecksilber-Cadmium-Tellurid) oder im Englischen MCT (engl.: mercury cadmium telluride)
• PbS (Bleisulfid)
• PbSe (Bleiselenid)
• PtSi (Platinsilizid)
• Gallium-Arsenid-Quantentopf-Detektoren

Die gängigste Kühlmethode arbeitet mit kleinen Stirling-Kältemaschinen.

Ungekühlte Infrarotdetektoren

Ungekühlte Thermografiekameras nutzen Detektoren, die bei Umgebungstemperatur arbeiten und meist nahe der Umgebungstemperatur thermostatiert werden. Alle modernen ungekühlten Systeme arbeiten nach dem Prinzip der Änderung von Widerstand, Spannung oder Stromstärke bei Aufheizung des Detektors durch die Infrarotstrahlung. Diese Änderungen werden gemessen und mit den Werten bei Betriebstemperatur verglichen. Hieraus ermittelt man aufgenommene Strahlungsmenge und errechnet – unter Zuhilfenahme eines voreingestellten Emissionsfaktors – eine Temperatur.

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, 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.

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.

Typische Anwendungsgebiete

Ursprünglich für den Militärgebrauch während des Korea-Krieges entwickelt, sind Thermografiekameras heute in vielen Einsatzgebieten zu finden. Die Entwicklung neuer Technologien und der damit verbundene Preisverfall bei den Thermografiesystemen hat wesentlich zur Verbreitung dieser Technologie geführt. Die Verbesserung der eingesetzten Objektive und die Entwicklung professioneller Software für Analyse und Berichtserstellung erweitern die Einsatzmöglichkeiten der Infrarot-Thermografie fortlaufend.

Zivile Anwendung

Fussbodenheizung unter Keramikfliesen. Der Fotograf sass unmittelbar vor der Aufnahme auf dem Sessel vor dem Laptop.

Ein Feuerwehrmann sucht mit einer Wärmebildkamera nach Glutnestern

Im zivilen Bereich werden vorwiegend ungekühlte Infrarotdetektoren verwendet. Es gibt Handgeräte, welche zum Beispiel den Temperaturbereich von −20 °C bis 900 °C abdecken und eine Temperaturauflösung von 0,025 K liefern. Oft können Objektive mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln verwendet werden; die Bilder werden gespeichert und zur Auswertung an einen PC übertragen.

• In der Bauthermografie wird das Verfahren zur Prüfung der Wärmedämmung von Häusern, zur Gebäudediagnostik/Energieausweis und Kontrolle von Flachdächern, zur Strukturanalyse des Mauerwerks, zum Aufspüren von Feuchte in Wänden und Dächern und zur Lokalisierung von Rissen in Rohrleitungen eingesetzt.

• In der Industrie und Fertigung werden Wärmebildkameras beispielsweise zur Messung der Verteilung der Verlustleistung an elektronischen Baugruppen und zur Prüfung elektrischer Anlagen und mechanischer Systeme verwendet. Heißlaufende Wälzlager lassen sich frühzeitig entdecken.

• Bei der Feuerwehr unterstützen die Wärmebildkameras das Aufspüren von Glutnestern bei Bränden sowie die Suche von Personen in verrauchten Gebäuden oder weitläufigem Gelände bei Dunkelheit. In diesem Bereich kommen Graustufen-Bilder zum Einsatz, die die heißeste Stelle ab einer bestimmten Temperatur rot einfärben. Da die verwendeten Geräte sehr teuer sind (mehrere tausend Euro), ist es kleineren Freiwillige Feuerwehren fast unmöglich, eine Kamera anzuschaffen. Manchmal „teilen“ sich mehrere Feuerwehren eine Wärmebildkamera.

• Wissenschaftler nutzen Wärmebilder, um die Oberflächentemperatur von Landmassen oder Ozeanen darzustellen. Archäologen können aufgrund unterschiedlicher Temperaturleitfähigkeit in der Erde verborgene Strukturen erkennen.

• Die Bundespolizei überwacht mit Hilfe von stationären und mobilen Wärmebildkameras Grenzabschnitte. Illegale Grenzübertritte können erkannt werden: Menschen und Tiere sowie ihre vor kurzem verlassenen Lagerstellen sind aufgrund der erhöhten Temperatur auch im Dunklen aus der Ferne sichtbar.

• In der Medizin werden Wärmebildkameras zur Entdeckung lokaler Entzündungsherde eingesetzt.

• In jüngster Zeit findet die Wärmebildkamera auch immer mehr Anklang bei Fotokünstlern, die Wärmebilder als Ausdrucksmedium nutzen.

• Die neuste Entwicklung sind Wärmebildkameras beinhaltende Fahrerassistenzsysteme, zum Beispiel das bei BMW verbaute System der Firma Autoliv Inc., welches Menschen und Tiere aufgrund ihrer Wärmestrahlung besser erkennen kann als gängige Kameras im nahen Infrarot, die lediglich Nebel besser durchdringen können.

• Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZfP) von Materialien und Bauteilen 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.

• Durch thermografische Untersuchung lassen sich auch die Luftdichtheit von Gebäuden und bedingt Gasausströmungen an Behältern prüfen.

Militärische Anwendung

Modell einer PARS_3_LR mit passivem IR CCD-Sensor in der Raketenspitze zur Zielsuche

Im militärischen Bereich werden Wärmebildgeräte (WBG) zum Beobachten und Aufklären bei Dunkelheit oder schlechter Sicht genutzt. Das WBG des Kampfpanzers Leopard 2 basiert beispielsweise auf einem Detektor aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid (engl.: mercury cadmium tellurid, MCT), der auf ca. −190 °C gekühlt wird, was eine Vorlaufzeit von ungefähr 15 Minuten verlangt. Die Anzeige ist grün-monochrom mit einer wählbaren Polarität von schwarz oder weiß, so dass Wärmequellen besonders hell oder dunkel erscheinen. Bei ausreichendem Temperaturunterschied einzelner Objekte kann man einen beobachteten Geländeabschnitt sehr gut erkennen.

Wärmebildgeräte haben gegenüber Nachtsichtgeräten den Vorteil, dass weder Restlicht vorhanden sein, noch ein Infrarotscheinwerfer eingesetzt werden muss, der seinerseits sehr einfach entdeckt und ausgeschaltet werden kann. Weiter können auch tagsüber optisch gut getarnte Objekte in vielen Fällen aufgrund der Wärmesignatur leicht erkannt werden. Ein Verstecken von Wärmequellen ist – vor allem bei niedrigen Außentemperaturen – nur mit sehr großem Aufwand möglich.

Grenzen sind der Anwendung von WBG allerdings bei starkem Regen, Nebel oder Schneetreiben gesetzt.

Zielsuchsysteme selbstlenkender Raketen-Waffen können teilweise die Wärmequellen eines Flugzeugtriebwerkes von denjenigen abgeworfener Täuschkörper anhand der thermischen Signatur unterscheiden.

Vorteile der Thermografie

• Die Temperaturverteilung einer großen Fläche kann gleichzeitig überwacht werden - ein Zeitvorteil gegenüber einer punktweisen Registrierung mit Thermometern
• In technischen Anlagen lassen sich Stellen erhöhter Temperatur aufspüren, bevor weitere Schäden entstehen
• Die Messung erfolgt berührungslos auch über größere Entfernung, beispielsweise in Hochspannungsanlagen oder bei rotierenden Bauteilen
• Man kann Objekte unterschiedlicher Temperatur in dunkler Umgebung entdecken (siehe auch Grubenorgan).

Nachteile und Grenzen des Verfahrens

• Wärmebildkameras mit gutem Auflösungsvermögen (mehr als 300·300 pixel) sind sehr teuer
• Die Bilder lassen sich bei unbekanntem Emissionsfaktor nur schwer interpretieren
• Reflexionen (wie von Sonnenlicht) auf blanken Metalloberflächen können erheblich stören
• Die Genauigkeit ist meist schlechter als ±2% und damit deutlich geringer als bei Kontaktmessung mit einem Thermometer
• Man kann ausschließlich Oberflächentemperaturen messen
• Bei starkem Wind, Sonnenstrahlung oder feuchter Oberfläche sinkt die Messgenauigkeit erheblich
• Schneefall oder Regen senken den Transmissionsfaktor der Luft, weshalb sich die angezeigte Temperatur kaum noch auf die Oberflächen "dahinter" bezieht.
• Die Erfassung schnell ablaufender Bewegungen ist durch die oft geringe Bildfolgefrequenz (<50 Hz) begrenzt. Mittlerweile gibt es im High-End-Sektor jedoch schon Hochgeschwindigkeitsthermographiesysteme, die über 1000 Bilder pro Sekunde aufnehmen können.

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

• Österreichische Gesellschaft für Thermografie
• Thermografie-Aufnahmen von Menschen, Tieren, ...
• Thermografie- Luftaufnahmen
• NASA Spitzer Space Telescope Collection: Infrared Launch (Delta-II-Raketenstart im Infrarotbereich). In: NASA Images. Abgerufen am 29. März 2009 (Video, englisch).