Was ist Thermografie?

Wir geben Ihnen einen ersten Einblick in die physikalischen Grundlagen der Thermografie und zeigen Ihnen wie Sie die Temperatur eines Objektes messen können. Sie erfahren, dass man anhand der Thermografie viele nützliche Rückschlüsse gewinnen kann, die das menschliche Auge ohne weiteres nicht erkennt.

Thermografie & Temperaturmessung

Thermografie wird häufig mit Temperaturmessung verwechselt. Es geht zwar in beiden Fällen um Wärme, jedoch unterscheiden sich die Messverfahren völlig voneinander.

 

Bei der "normalen" Temperaturmesstechnik steht der Sensor immer in direkter Verbindung mit dem Messobjekt. So muss beispielsweise ein Quecksilber-Thermometer Kontakt mit der Zunge haben, um die Fiebertemperatur messen zu können.
Ein elektronisches Temperaturmessgerät (siehe rechts) besitzt ein Thermoelement oder PT100-Sensor, der mechanisch mit dem Messobjekt verbunden sein muss.
Der Sensor nimmt dadurch die Temperatur des Messobjektes an. Die Temperatur löst wiederum einen elektrophysikalischen Effekt aus und erzeugt eine Spannung, die über einen elektrischen Umsetzer ausgewertet und zur Anzeige gebracht wird.

Der wesentliche Unterschied zur Thermografie besteht darin, dass keine direkte Verbindung zwischen dem Sensor (Messsystem) und dem Messobjekt besteht. Die Temperatur wird daher nicht direkt gemessen.

Thermografie misst Wärmestrahlung!

Auch wir Menschen besitzen eingebaute Strahlungsmesssysteme. Allerdings sind diese recht träge und unempfindlich.

Machen Sie dazu einen kleinen Versuch:
Nähern Sie sich mit Ihrer Hand bis auf wenige Millimeter dem Bereich seitlich Ihres Kopfes zwischen Ohr und Wange. Je nach der Eigentemperatur Ihrer Hände spüren Sie ein Wärme- oder Kältegefühl. Diese, von Ihren Händen abgegebene Strahlungsenergie wertet Ihre Sensorik zumindest soweit aus, dass Sie erkennen, ob Ihre Hand wärmer oder kälter ist.

Ein Thermografiegerät macht im Prinzip nichts anderes, ist jedoch weitaus empfindlicher als Ihr Kopf und besitzt auch eine erheblich größere räumliche Auflösung als das menschliche Infrarot-Sensorsystem.

Auch dazu ein Beispiel:
Stellen Sie sich vor, Sie stehen in 5 Meter Entfernung außen vor einem normalen Wohnhausfenster. Nun richten Sie eine Thermokamera, die Sie in der Hand halten, in Richtung dieser Fensterscheibe und erkennen plötzlich sich selbst. Sie erkennen nicht nur einen Umriss, Sie erkennen sogar die Temperaturverteilung ihrer Körperoberfläche.

 
 

Physikalisch ist folgendes passiert: Die von Ihrem Körper abgegebene Strahlungsleistung legt einen Weg von 5 Metern durch die Atmosphäre bis zur Fensterscheibe zurück, wird dort nur zu einem geringen Teil reflektiert, legt dann wiederum 5 Meter bis zu der in Ihrer Hand befindlichen Thermografie-Kamera zurück und trifft dort durch das Objektiv auf den Infrarotsensor.

Die interne Elektronik wertet die von Ihrem Körper abgestrahlte Infrarot­leistung aus und erzeugt daraus ein Thermobild. Beim Vergleich des Thermobildes mit dem Foto stellen Sie fest, dass auf dem Thermobild die Gardine nicht sichtbar ist. Der Grund dafür ist die geringe thermische Transmission von Glas. Die Infrarotstrahlung der Gardine durchdringt daher nicht die Fensterscheibe und wird somit im Thermobild nicht dargestellt.

Ein wenig Physik und Geschichte:

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts begann die Erforschung elektromagnetischer Wellen, zu der auch die Wärmestrahlung gehört. Führende Forscher wie KIRCHHOFF, BOLTZMANN, WIEN und PLANCK fassten ihre Entdeckungen u. a. in den Strahlungsgesetzen zusammen.

Gegen Mitte des 20. Jahrhunderts begann die militärische Nutzung der Infrarotmesstechnik. Mitte der 60er Jahre entwickelte die schwedische Firma AGEMA (heute Bestandteil der Firma FLIR Systems) die ersten Thermografiegeräte für den nichtmilitärischen Bereich.
Die infrarote Strahlung ist die langwellige Fortsetzung des sichtbaren Lichts. Die unten stehende Abbildung zeigt das elektromagnetische Spektrum. Der weiße Bereich links des hellrot markierten Infrarot-Messbereichs ist der für unser Auge sichtbare Bereich.

Alle Materialien mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes (-273,15°C = 0°Kelvin)  senden elektromagnetische Strahlung aus, deren Intensität und Wellenlängen-Verteilung von der Temperatur abhängt. Das Diagramm (nächste Seite) zeigt den Zusammen­­hang zwischen Strahlungsintensität, Wellenlänge und Temperatur. Dabei kennzeichnet der grau hinterlegte Bereich die sichtbare Wellenlängen, also die Wellenlängen, mit der unsere Augen sehen.

Betrachten wir die hellblaue Linie mit 0°C. Sie zeigt in etwa die spektrale Verteilung eines Eiswürfel/Wasser-Gemischs mit nahezu 0°C. Etwa ab einer Wellenlänge von 2,8 µm beginnt das Eiswürfel-Wasser-Gemisch Strahlungsenergie abzustrahlen. Es erreicht seine höchste Intensität bei circa 10 µm und fällt zu einer längeren Wellenlänge hin ab.

Mit der Wellenlänge von 2,8 µm strahlt das Eiswürfel-Wasser-Gemisch außerhalb des sichtbaren Bereichs, der bei circa 0,7 µm beginnt. Mit unserem Auge können wir die Abstrahlung daher nicht "sehen". Viele Wärmebildkameras sind so ausgelegt, dass sie besonders gut elektromagnetische Strahlung bei einer Wellenlänge von 8-14 µm erfassen. Das Eiswürfel-Wasser-Gemisch kann daher von so einer Wärmebildkamera besonders gut erfasst werden.

Ein anderes Beispiel beschreibt die dunkelblaue Kurve. Es handelt sich hierbei z.B. um ein Stück Stahl, das eine Temperatur von 500°C besitzt. Leider ist die Wellenlänge bei 500°C zu langwellig (oberhalb 0,7µm) und kann daher nicht von unserem Auge erfasst werden. Für die Thermokamera ist diese Strahlungsleistung aber sehr groß und erzeugt hohe Signale in dem Sensorsystem der Kamera. Wäre der Stahl etwas heißer – um die 600°C – würde die dunkelblaue Linie in das graue Feld hineinragen. Wir Menschen würden den Stahl als ein Objekt mit der Farbe einer dunkelroten Kirsche erkennen. Würde der Stahl noch heißer sein, wäre die ausgestrahlte Wellenlänge des Objekts kurzwelliger und für unser Auge noch deutlicher erkennbar. Glühender Stahl ist daher hellrot bis weiß – je nach Temperaturhöhe.

Bei technischen Temperaturmessungen zwischen 550° C und 2.000° C wird diese Strahlung im Wesentlichen im infraroten und sichtbaren Spektralbereich ausgesendet. Bei festen und flüssigen Körpern geht die Strahlung in erster Linie von der Oberfläche aus.

Eine Wärmebildkamera misst immer die Oberflächenstrahlung des Messobjektes

Ausnahme sind Gase und halbtransparente Stoffe. Hierbei handelt es sich um infrarote Volumenstrahler. Eine Strahlung entsteht natürlich nur dann, wenn zwei sich gegenüberstehende Objekte verschiedene Temperaturen haben. Um aus einer erfassten Strahlung nun die Temperatur errechnen zu können, benötigt man eine Temperaturbasis, über die man dann mit Hilfe der gemessenen Strahlungsdifferenz des Objektes die Temperatur des Objektes berechnen kann. Alle Infrarotkameras besitzen daher sehr hochwertige Temperatursensoren, mit der die Eigentemperatur der Infrarotsensoren hochgenau gemessen wird.

Emissionsgrad ε: Eine physikalische Eigenschaft aller Körper erschwert die Infrarotmesstechnik

Ein für die Infrarotmesstechnik optimales Messobjekt ist schwarz, hat eine extrem raue Oberfläche, die nicht spiegelt. Solche Objekte kommen in der Natur kaum vor. Objekte mit diesen optimalen Infraroteigenschaften, bezeichnet man als "Schwarze Strahler". Der Name kommt daher, dass diese Strahler so schwarz sind, dass man nicht mehr die Tiefe des Objektes erkennen kann.

Wenn Sie beispielsweise einen Fußball mit einer dicken Gipsschicht versehen und anschließend in diesen Fußball ein Loch von 2 cm Durchmesser bohren, wäre es für Sie unmöglich, die Tiefe des Loches abzuschätzen. Wäre dieser Fußball nun an allen Stellen gleichmäßig beheizt, hätten Sie einen ausgezeichneten schwarzen Strahler gebaut, der seine Infrarotenergie optimal aus diesem Loch abstrahlen kann.
Dieser Fußball hätte einen Emissionsgrad ε = 1 und würde als Kugelstrahler bezeichnet werden.

In der Realität gibt es einige Körper, die fast optimal strahlen. Leider gibt es auch Körper, die eher Strahlung von anderen Gegenständen reflektieren, also annähernd gar nicht strahlen. Bei diesen so genannten "nicht schwarzen" Oberflächen muss zur Ermittlung der Temperatur die Strahlungsleistung über den Emissionsgrad ε korrigiert werden.

 

Ein Beispiel zum Emissionsgrad:
Ein mattschwarz lackierter Körper sendet mehr Strahlungsenergie aus, als eine helle, polierte reflektierende Oberfläche.
Nähert man sich z. B mit der Hand auf eine Entfernung von ca. 10 cm einem polierten Würfel aus Edelstahl, der ca. 100° C heiß ist, hat man das Gefühl, das der Würfel nicht besonders heiß ist. Wird der gleiche Würfel nun mit einer speziellen mattschwarzen Farbe gestrichen, fühlt sich der Würfel bei gleicher Temperatur und gleichem Abstand zu der Hand sehr viel heißer an.

Dieser Unterschied wird durch den Emissionsgrad ε beschrieben. 
Ein Emissionsgrad von 1 bedeutet, dass das Messobjekt optimal abstrahlt (wie der oben beschriebene Kugelstrahler). In der Realität ist der Emissionsgrad jedoch <1. Weiterhin beeinflussen Form und Oberflächenrauhigkeit des Messobjekts die Abstrahlung. So steigt der Emissionsgrad ε beispielsweise durch eine Bohrung in das Material! In dem Loch entstehen Mehrfachreflektionen und damit eine Emissionsgraderhöhung. Auch im sichtbaren Bereich erkennt man diesen Effekt darin, dass eine verchromte Bohrung dunkler als die glatte Oberfläche erscheint.


Grundsätzlich gilt: Reflektion + Emission + Transmission = 1


Diesen Grundsatz der Infrarotmesstechnik erklären wir an einem kleinen Beispiel:
Wir betrachten uns dazu eine Aluminiumwalze bei ca. 40°C.

Betrachten wir nun den Grundsatz: Reflektion + Emission + Transmission = 1

Durch die Walze tritt keine Infrarotstrahlung. Die Transmission ist demnach = 0 und fällt weg. Ist die Oberfläche nun poliert, wird die abgestrahlte Strahlungsleistung der Walze klein sein. Die Emission ist viel kleiner als 1. Daraus resultiert, dass die Reflektion sehr groß sein muss.

In der Realität misst man also nicht die Temperatur der Walze, sondern die reflektierte Umgebungstemperatur.

Glücklicherweise besitzt eine Vielzahl nichtmetallischer Stoffe im langwelligen Spektralbereich unabhängig von ihrer Oberflächenbeschaffenheit einen hohen und relativ konstanten Emissionsgrad. Hierzu gehören die menschliche Haut ebenso wie die meisten mineralischen Bau- und Anstrichstoffe, Gummi, viele Lacke, etc. Emaille.

Wo setzt man Thermografie ein?

Die Thermografie wird in erster Linie dort eingesetzt, wo berührende Fühler (PT100, Thermoelemente, etc.) fehlerhaft messen oder nicht eingesetzt werden können, oder deren Installation zu teuer und aufwändig im Vergleich zur Thermografie ist.

Beispiele:

  • Messobjekte, die sich bewegen, unter elektrischer Spannung stehen, oder giftig bzw. auf andere Weise gefährlich sind.
  • Wenn das Messobjekt zu weit entfernt ist.
  • Wenn man schnell messen muss.
  • Wenn ein Messobjekt nur sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
    Beispiele: Isoliermaterialien, Lebensmittel (Kartoffelchips)
  • Bei großflächigen Messungen, wie vorbeugende Instandhaltung oder Wärmeisolationsmessungen an Gebäuden

Sind Messungen mit einer Wärmebildkamera auch aus größerer Entfernung möglich?

Ja! Falls die Kamera in dem so genannten „atmosphärischen Fenster“ von 8...14µm (besser noch 7,5….13 µm) arbeitet. Das ist nämlich der Wellenlängenbereich, in dem die Durchlässigkeit (Transmission) der Luft über große Entfernungen gleichmäßig hoch ist.

Thermografie macht Wärme sichtbar

Sie ist eine Methode, Wärme berührungslos, schnell und zuverlässig zu messen. Wie bei jeder Messmethode sollte man sich mit dem Verfahren ein wenig auseinandersetzen. Hochwertige Wärmebildkameras, wie die des Herstellers FLIR Systems, sind einfach in der Anwendung und dennoch genau und haben viele integrierte Hilfsmittel, die das Messen erleichtern.

 

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