Infrarot-Thermografie und Wärmebildgebung

Die Messung der Oberflächentemperatur durch Erfassung der Parameter der von ihr abgegebenen Wärmestrahlung mit elektrooptischen Geräten wird als Infrarot-Thermografie bezeichnet. Wie Sie sich vorstellen können, wird in diesem Fall die Wärme von der untersuchten Oberfläche in Form auf das Messgerät übertragen elektromagnetische Infrarotwellen.

Moderne elektrooptische Geräte für die Infrarot-Thermografie können den Fluss der Infrarotstrahlung messen und anhand der gewonnenen Daten die Temperatur der Oberfläche berechnen, mit der das Messgerät interagiert.

Natürlich ist ein Mensch in der Lage, Infrarotstrahlung zu spüren und kann mit Nervenenden auf der Hautoberfläche sogar Temperaturänderungen im Hundertstelgradbereich wahrnehmen. Allerdings ist der menschliche Körper bei dieser hohen Empfindlichkeit nicht in der Lage, relativ hohe Temperaturen durch Berührung zu erkennen, ohne die Gesundheit zu beeinträchtigen. Im besten Fall ist dies mit Verbrennungen behaftet.

Und selbst wenn sich herausstellt, dass die Temperaturempfindlichkeit des Menschen genauso hoch ist wie die von Tieren, die in der Lage sind, Beute in völliger Dunkelheit durch Hitze zu erkennen, wird er dennoch früher oder später ein empfindlicheres Instrument benötigen, das in einem größeren Temperaturbereich als die natürliche Physiologie arbeiten kann erlaubt...

Schließlich wurde ein solches Tool entwickelt. Zunächst handelte es sich dabei um mechanische Geräte, später um überempfindliche elektronische Geräte. Heutzutage scheinen diese Geräte die üblichen Attribute zu sein, wenn eine thermische Kontrolle durchgeführt werden muss, um eines der unzähligen technischen Probleme zu lösen.

Schon das Wort „Infrarot“ oder abgekürzt „IR“ bezeichnet die Position von Hitzewellen „hinter dem Roten“, je nach ihrer Lage auf der Skala des breitesten Spektrums elektromagnetischer Strahlung. Das Wort „Thermografie“ umfasst „Thermo“ – Temperatur und „Grafik“ – Bild – Temperaturbild.

Die Ursprünge der Infrarot-Thermografie

Den Grundstein für diese Forschungsrichtung legte der deutsche Astronom Wilhelm Herschel, der im Jahr 1800 Forschungen mit den Spektren des Sonnenlichts durchführte. Indem er Sonnenlicht durch ein Prisma durchstrahlte, platzierte Herschel ein empfindliches Quecksilberthermometer in Bereichen unterschiedlicher Farbe, auf die das Sonnenlicht fiel auf dem Prisma, wurde geteilt.

Als das Thermometer im Verlauf des Experiments über die rote Linie hinaus bewegt wurde, stellte er fest, dass es auch unsichtbare Strahlung gab, die jedoch einen spürbaren Erwärmungseffekt hatte.

Die Strahlung, die Herschel in seinem Experiment beobachtete, lag in dem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der vom menschlichen Auge nicht als Farbe wahrgenommen wird.Dies war der Bereich der „unsichtbaren Wärmestrahlung“, der zwar definitiv im Spektrum elektromagnetischer Wellen lag, aber unterhalb des sichtbaren Roten.

Später entdeckte der deutsche Physiker Thomas Seebeck die Thermoelektrizität, und 1829 entwickelte der italienische Physiker Nobili eine Thermosäule auf der Grundlage der ersten bekannten Thermoelemente, deren Prinzip auf der Tatsache beruhte, dass bei Temperaturänderungen zwischen zwei verschiedenen Metallen die Entsprechend entsteht an den Enden des Stromkreises aus diesen eine Potentialdifferenz...

Meloni wird bald das sogenannte erfinden Eine Thermosäule (aus in Reihe geschalteten Thermosäulen) kann durch gezielte Fokussierung von Infrarotwellen eine Wärmequelle in einer Entfernung von 9 Metern erkennen.

Thermopile – Reihenschaltung von Thermoelementen zur Erzielung größerer elektrischer Leistung oder Kühlkapazität (beim Betrieb im thermoelektrischen bzw. Kühlmodus).

Samuel Langley entdeckte 1880 in einer Entfernung von 300 Metern eine läufige Kuh. Dies geschieht mithilfe eines Balometers, das die Änderung des elektrischen Widerstands misst, die untrennbar mit einer Temperaturänderung verbunden ist.

Der Nachfolger seines Vaters, John Herschel, verwendete 1840 einen Evaporographen, mit dem er dank des Mechanismus der unterschiedlich schnellen Verdampfung des dünnsten Ölfilms das erste Infrarotbild im reflektierten Licht erhielt.

Heutzutage werden für die Fernerfassung von Wärmebildern spezielle Geräte verwendet – Wärmebildkameras, die es ermöglichen, Informationen über Infrarotstrahlung ohne Kontakt mit dem zu untersuchenden Gerät zu erhalten und sofort zu visualisieren. Die ersten Wärmebildkameras basierten auf fotoresistiven Infrarotsensoren.

Im Jahr 1918 führte American Keys Experimente mit Fotowiderständen durch, bei denen er Signale aufgrund ihrer direkten Wechselwirkung mit Photonen empfing. So entstand ein empfindlicher Detektor für Wärmestrahlung, der auf dem Prinzip der Photoleitung arbeitet.

IR-Thermografie in der modernen Welt

Während der Kriegsjahre dienten sperrige Wärmebildkameras hauptsächlich militärischen Zwecken, daher beschleunigte sich die Entwicklung der Wärmebildtechnik nach 1940. Die Deutschen fanden heraus, dass man durch die Kühlung des Fotowiderstandsempfängers seine Eigenschaften verbessern kann.

Nach den 1960er Jahren kamen die ersten tragbaren Wärmebildgeräte auf den Markt, mit deren Hilfe sie Gebäudediagnostiken durchführen. Es handelte sich um zuverlässige Werkzeuge, deren Bildqualität jedoch schlecht war. In den 1980er Jahren begann die Einführung der Wärmebildtechnik nicht nur in der Industrie, sondern auch in der Medizin. Die Wärmebildkameras wurden kalibriert, um ein radiometrisches Bild zu liefern – die Temperaturen aller Punkte im Bild.

Die ersten gasgekühlten Wärmekameras zeigten das Bild auf einem Schwarzweiß-CRT-Bildschirm mit einer Kathodenstrahlröhre. Schon damals war es möglich, vom Bildschirm auf Magnetband oder Fotopapier aufzuzeichnen. Günstigere Modelle von Wärmebildkameras basieren auf Vidicon-Röhren, benötigen keine Kühlung und sind kompakter, obwohl die Wärmebildkamera nicht radiometrisch ist.

In den 1990er Jahren wurden Matrix-Infrarotempfänger für den zivilen Einsatz verfügbar, darunter Arrays rechteckiger Infrarotempfänger (empfindliche Pixel), die in der Brennebene der Gerätelinse installiert waren. Dies war eine deutliche Verbesserung gegenüber den ersten scannenden IR-Empfängern.

Die Qualität der Wärmebilder hat sich verbessert und die räumliche Auflösung ist gestiegen. Durchschnittliche moderne Matrix-Wärmebildkameras verfügen über Empfänger mit einer Auflösung von bis zu 640 * 480 – 307.200 Mikro-IR-Empfänger. Professionelle Geräte können eine höhere Auflösung haben – über 1000 * 1000.

Die IR-Matrix-Technologie entwickelte sich in den 2000er Jahren. Wärmebildkameras sind mit einem langen Wellenlängen-Betriebsbereich auf den Markt gekommen – sie erfassen Wellenlängen von 8 bis 15 Mikrometern und mittlere Wellenlängen – ausgelegt für Wellenlängen von 2,5 bis 6 Mikrometern. Die besten Modelle von Wärmebildkameras sind vollständig radiometrisch, verfügen über eine Bildüberlagerungsfunktion und eine Empfindlichkeit von 0,05 Grad oder weniger. In den letzten 10 Jahren ist der Preis dafür um mehr als das Zehnfache gesunken und die Qualität hat sich verbessert. Alle modernen Modelle können mit einem Computer interagieren, die Daten selbst analysieren und praktische Berichte in jedem geeigneten Format präsentieren.

Wärmeisolatoren

Der Wärmeisolator umfasst mehrere Standardteile: Linse, Display, Infrarotempfänger, Elektronik, Messsteuerung, Speichergerät. Das Aussehen der verschiedenen Teile kann je nach Modell unterschiedlich sein. Die Wärmebildkamera funktioniert wie folgt. Die Infrarotstrahlung wird durch die Optik auf den Empfänger fokussiert.

Der Empfänger erzeugt ein Signal in Form einer Spannung oder eines variablen Widerstands. Dieses Signal wird der Elektronik zugeführt, die auf dem Bildschirm ein Bild – ein Thermogramm – erzeugt.Verschiedene Farben auf dem Bildschirm entsprechen unterschiedlichen Teilen des Infrarotspektrums (jeder Farbton entspricht seiner eigenen Temperatur), abhängig von der Art der Wärmeverteilung auf der Oberfläche des von der Wärmebildkamera untersuchten Objekts.

Das Display ist in der Regel klein, verfügt über eine hohe Helligkeit und einen hohen Kontrast, sodass Sie das Thermogramm bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen sehen können. Neben dem Bild zeigt das Display in der Regel weitere Informationen an: Akkuladestand, Datum und Uhrzeit, Temperatur, Farbskala.

Der IR-Empfänger besteht aus einem Halbleitermaterial, das unter dem Einfluss auftreffender Infrarotstrahlen ein elektrisches Signal erzeugt. Das Signal wird von einer Elektronik verarbeitet, die ein Bild auf dem Display erzeugt.

Zur Steuerung gibt es Schaltflächen, mit denen Sie den Bereich der gemessenen Temperaturen ändern, die Farbpalette, das Reflexionsvermögen und die Hintergrundemission anpassen sowie Bilder und Berichte speichern können.

Digitale Bild- und Berichtsdateien werden in der Regel auf einer Speicherkarte gespeichert. Einige Wärmebildkameras verfügen über die Funktion, Sprache und sogar Videos im visuellen Spektrum aufzuzeichnen. Alle während des Betriebs der Wärmebildkamera gespeicherten digitalen Daten können auf einem Computer angezeigt und mit der mit der Wärmebildkamera gelieferten Software analysiert werden.

Siehe auch:Berührungslose Temperaturmessung beim Betrieb elektrischer Geräte