Grundlagen der Thermografie

Die Thermografie ist eine anerkannte Methode zur berührungslosen Messung von Oberflächentemperaturen. Sie wird vor allem zur Auffindung von Wärmeverlusten genutzt, die an Objekten als thermische Schwach- und Schadstellen erkannt werden. In Industriebetrieben findet die Thermografie Anwendung bei der Überwachung von Fertigungsprozessen , bei Qualitätskontrollen und in der Instandhaltung, vor allem der Elektroanlagen. Infrarotmessungen machen die Anlagen sicherer und tragen zur Kostensenkung bei.

Durch Früherkennung unsichtbarer Mängel ist die Infrarot- (IR) -Thermografie in Industriebetrieben eine unverzichtbare Inspektionshilfe. Im Gegensatz zu punktförmig messenden Handpyrometern erfolgt bei diesem Messverfahren ein großflächiges Abtasten von Objekten. Das Wärmebild gibt die Temperaturverteilung der untersuchten Objektoberfläche wieder. Durch Analyse der Oberflächentemperaturverteilung werden nicht sichtbare Zustände erkannt.

Die IR-Thermografie beruht darauf, dass jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts (O K oder -273°C) eine elektromagnetische Strahlung (Wärmestrahlung) emittiert, die jenseits der roten Linie des sichtbaren Lichts im elektromagnetischen Spektrum, Wellenbereich >0,7 Mikrometer, liegt. Die relevanten Strahlungsgesetze sind im PLANCK´schen Strahlungsgesetz, im STEFAN - BOLTZMANN´schen Gesetz und WIEN´schen Verschiebungsgesetz beschrieben.

Die Thermografie nutzt zwei klassische Wellenbereiche: das Kurzwellenband im nahen Infrarot mit 2-5 Mikrometer (SW) und das Langwellenband im fernen Infrarot mit 8-12 Mikrometer (LW).

Die einfallende IR-Strahlung wird von einem IR-Detektor in elektrische Signale um gewandelt. Da die thermische Energie bei Umgebungstemperatur ausreicht, um Elektronen zu aktivieren, müssen zur Vermeidung der damit verbundenen Störungen, die eine IR-Messung unmöglich machen würden, die Detektoren während des Betriebes auf eine bestimmte Arbeitstemperatur gekühlt werden. Die typischen Betriebstemperaturen für die SW (Kurzwellen) - Detektoren liegen im Temperaturbereich -70°C bis -100°C, für LW (Langwellen) - Detektoren benötigt man -170°C bis -200 C. Die Detektorkühlung ist der jeweiligen Arbeitstemperatur angepasst und wird bei SW-Detektoren thermoelektrisch (PELETIER - Effekt), bei LW-Detektoren mit Flüssiggas, meist Flüssigstickstoff oder mit Hilfe einer Kältemaschine (STIRLING - Kühlung) durchgeführt. LW-Systeme benötigen eine aufwendigere Kühlung, besitzen jedoch gegenüber SW-Systemen eine geringere Störanfälligkeit durch Umwelteinflüsse.

Ein Analog-Digital-Wandler tastet die vom Detektor erzeugten elektrischen Signale ab und wandelt sie in diskrete Bildpunkte (Pixel) um. Über einen Rechner wird mit Hilfe von Kalibrierungskennlinien dem Strahlungswert (bei jedem Pixel) ein Temperaturwert zugeordnet. Gleichzeitig wird die Temperatur farbig kodiert und als Wärmebild dargestellt. Das Wärmebild besteht aus z.B. 19600 Bildpunkten (140 Zeilen und 140 Pixel/Zeile) und 256 Farben. Es können verschiedene Farbskalen gewählt werden.

Dem Anwender stehen heute leistungsstarke, kompakte und variable IR-Systeme zur Verfügung, die bei laufendem Betrieb ohne Beeinflussung des Messobjektes Temperaturinformationen liefern. Der Messbereich erstreckt sich typischerweise von -20°C bis 2000°C. Es werden Echtzeit-Wärmebilder mit einer Bildfolgefrequenz von 20 Bildern pro Sekunde (AGEMA, Serie THV 400) erzeugt. Damit sind die IR-Kameras auch für Aufnahmen dynamisch-thermischer Zustände und Vorgänge geeignet.

Durch thermoelektrische oder STIRLING-Kühlung des IR-Detektors in Verbindung mit der variablen Gerätebauweise zeichnen sich derartige IR-Systeme durch sehr hohe Mobilität vor Ort und lageunabhängigen Betrieb aus, d.h. es können auch in extremen Winkelpositionen IR-Messungen durchgeführt werden. Die Verwendung ist dank der heutigen Gerätetechnik nicht mehr erforderlich.

Die Abspeicherung von Wärmebildern wird meist digital, z.B. auf 3,5 Zolldisketten oder Festplatte bei stationären Geräten, vorgenommen. Zusätzlich ist auch eine Bildabspeicherung auf Videoband (analoges Speichermedium) möglich.

Die Auswertung der Wärmebilder erfolgt entweder vor Ort oder -komfortabler- am PC. Eine spezielle Software ermöglicht dabei umfangreiche Untersuchungsmöglichkeiten, z. B. die nachträgliche Anpassung von Messparametern oder statistische Auswertungen.

Zahlreiche Funktionen ermöglichen ein kundenspezifisches Auswertungsergebnis.