VGF 2018.12. Gebäude- und gebäudetechnische Thermografie II.

Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (PIM Kft.)

Im vorherigen Teil unserer Artikelreihe haben wir darüber gesprochen, welche Art von (Zweck-)Gebäudethermografie-Messungen existieren, über die erforderlichen Messbedingungen und die daraus resultierenden Schwierigkeiten und Einschränkungen. In diesem Teil erfahren wir, welche Rolle die Anforderungen an die geometrische Auflösung basierend auf den Eigenschaften der Wärmebildkamera, der Pixelauflösung des Wärmebildes und der thermischen Auflösung der Wärmebildkamera spielen. Dies wird alles anhand realer Wärmebilder illustriert, die aus Rahne Erics 650-seitigem Fachbuch "Thermografie - Theorie und praktische Messtechnik" stammen.

Messtechnische Anforderungen (Erforderliche Wärmebildkamera-Eigenschaften für Gebäudethermografie)

Mit einer Wärmebildkamera können unter geeigneten Bedingungen aufgenommene Wärmebilder verschiedene Mängel an Gebäudestrukturen, Wärmedämmungen, gebäudetechnischen Anlagen, Gebäudebetrieb und Feuchtigkeits-/Wasserabdichtungen aufgedeckt werden. Es ist wichtig zu wissen, dass die Auswertung nur erfolgreich ist, wenn während der Messung die richtigen Messbedingungen wie klimatische und gebäudebetriebliche Bedingungen herrschten. Es ist auch entscheidend, die Regeln für die Thermografie-Messungen einzuhalten und nicht zuletzt muss unsere Wärmebildkamera auch über angemessene messtechnische Fähigkeiten verfügen. Dabei ist auch auf die geometrische Auflösung zu achten: Zum Beispiel erfolgt die Messung eines Plattenhauses im 10. Stock (sagen wir 60 m Entfernung vom Boden) nach dem Satz des Pythagoras aus √302 + 602 = 67 m realer Messentfernung. Bei einer Wärmebildkamera mit einer Auflösung von 2 mrad ermöglicht dies lediglich die Messung von Oberflächen mit einer Größe von mindestens 67 m * 2 mrad * 3 = 402 mm (also 40 cm). Ein solches Wärmebild enthält also höchstens die Information, wie viele Fenster und Türen es im 10. Stock gibt! Die folgenden Wärmebilder veranschaulichen die Situation anhand des Beispiels eines Gehweggitters.

Gebäudeaufnahme mit Standardobjektiv: kleinster messbarer Gegenstand: 15 m x 0,8 mrad x 3 = 36 mm maximale Temperatur 10,4°C Markierungsaufnahme mit Teleobjektiv: kleinster messbarer Gegenstand: 5 m x 0,4 mrad x 3 = 4 mm maximale Temperatur 12,2°C Wie die obigen Wärmebilder zeigen, kann die Gebäudethermografie - obwohl sie sich mit riesigen Messobjekten befasst - das Problem der geometrischen Auflösung nicht umgehen. Die gesuchten Probleme werden einfach "unsichtbar", wenn die Anforderungen an die geometrische Auflösung ignoriert werden. Dieses Problem kann durch den Einsatz von Wechselobjektiven gelöst werden, die für professionelle Wärmebildkameras erhältlich sind. Neben der geometrischen Auflösung (also der Größe eines einzelnen Bildpunkts auf einem Sensorarray) bestimmt die Anzahl der Bildpunkte der Wärmebildkamera die Bildqualität bzw. genauer gesagt die Genauigkeit der Messung. Der Grund dafür ist, dass zur grafischen (visuellen) Erkennbarkeit eine bestimmte minimale Anzahl von Bildpunkten auf bestimmte Teile des Messobjekts fallen muss - ähnlich wie wir es von digitalen Fotos gewohnt sind. Es ist leicht verständlich, dass bei mehr Bildpunkten die Oberfläche detaillierter oder eine größere Oberfläche mit derselben Detailgenauigkeit auf einem einzigen Wärmebild dargestellt werden kann. Bei zu wenigen Bildpunkten müssen viele Aufnahmen gemacht werden, und für die Auswertung zusammenhängender Objekte oder die Erstellung von Berichten ist oft eine Montage der Bilder erforderlich (was eine sehr zeitaufwändige Arbeit ist). Bei Wärmebildkameras ist diese Frage nicht unerheblich. Während wir bei digitalen Kameras von 10, 12 oder sogar mehr als 20 Megapixel (20 Millionen Bildpunkte) sprechen, beträgt die Anzahl der Bildpunkte bei durchschnittlichen Matrix-Wärmebildkameras typischerweise 320x240 (also 76.800) oder 384x288, bei professionelleren Wärmebildkameras jedoch 640x480 (also 307.200) oder sogar 1024x768 (also 786.432) Bildpunkte. Es gibt auch Kameras mit geringerer Kapazität - eine häufige Art hat 160x120 (also nur 19.200) Bildpunkte oder sogar nur 80x80 oder 96x96 Bildpunkte, die daher nur in der Lage sind, kleinere Oberflächen mit akzeptabler Detailgenauigkeit darzustellen, was natürlich ihren Anwendungsbereich stark einschränkt oder die Kamera für bestimmte Aufgaben sogar unbrauchbar macht. Interessanterweise ist der Preis pro Bildpunkt bei den hochwertigsten professionellen Wärmebildkameras mit einer 640x480 oder 1024x768 Bildpunkte umfassenden Sensormatrix am günstigsten (sogar um eine Größenordnung günstiger als bei Kameras mit geringer Pixelanzahl - den sogenannten Low-Cost-Wärmebildkameras).

Die folgenden Abbildungen zeigen eindrucksvoll, wie die Anzahl der Bildpunkte die Effizienz des Arbeitsprozesses beeinflusst. Das Bild auf der rechten Seite (640x480 Pixel) wurde mit nur einem Knopfdruck vor Ort aufgenommen und kann - da es alle Informationen der untersuchten Gebäudeseite enthält - ebenfalls mit nur einem Klick in das Protokoll eingefügt werden. Im Gegensatz dazu kann das Wärmebild auf der linken Seite (160x120 Pixel) nur einen kleineren Teil der Gebäudeseite mit derselben geometrischen Auflösung erfassen. Um die Vollständigkeit und Qualität des Überblick-Wärmebildes auf der rechten Seite zu erreichen, wären 16-mal so viele Pixel - also so viele Wärmebilder - erforderlich. Da jedoch für die nachträgliche Montage der Wärmebilder sogar eine Überlappung der einzelnen Wärmebilder erforderlich ist, müssen wir uns zur Aufnahme von deutlich mehr - möglicherweise 20 ... 25 Wärmebildern vor Ort zwingen. Natürlich dauert die Aufnahmezeit für das 640x480 Pixel Wärmebild mehrfach länger.

Die eigentliche Unannehmlichkeit erwartet uns jedoch bei der Protokollerstellung, da wir hier mit dem zeitlichen Aufwand von 20-25 Wärmebildmontagen konfrontiert sind, der je nach Geschicklichkeit zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden liegen kann. Es ist also zu überlegen, ob wir eine Wärmebildkamera mit geringerer Pixelanzahl wählen (und unsere Einsparungen dann mit mehrfacher Zusatzarbeit bezahlen) oder ob wir durch eine Wärmebildkamera mit höherer Pixelanzahl das wirtschaftliche Werkzeug für effizientes Arbeiten erwerben.

Jetzt könnten wir natürlich argumentieren, dass wir mit einer Wärmebildkamera mit 160x120 Pixeln die "volle" Seite des Gebäudes erfassen können. Der Preis dafür ist jedoch eine unzureichende geometrische Auflösung, wie die nächsten beiden Aufnahmen zeigen. Das Referenzwärmebild ist erneut die in der vorherigen Seite gezeigte Aufnahme mit einer Auflösung von 640x480 Pixeln (etwas anders skaliert), die Sparaufnahme wurde mit 160x120 Pixeln genau am selben Ort, vom selben Gebäude gemacht. Beide Wärmebilder wurden in derselben Größe dargestellt und dann eine gleich große "Objekt"-Fläche zur Unterschiedsdarstellung (und damit zur Demonstration der Verwendbarkeit der Aufnahmen) vergrößert.

Ohne lange Erklärungen abgeben zu wollen, wird auch dem unerfahrenen Beobachter sofort klar, dass das oben genannte Wärmebild mit 640x480 Pixeln die Bewertung der Fensterrahmenmontage (Maueranschluss) und der Dichtheit der Fenster ermöglicht. Das untere Wärmebild (nur mit einer Auflösung von 160x120 Pixeln) bietet diese Möglichkeit nicht, daher kann das Ziel der thermografischen Bewertung von Gebäuden in diesem Fall nicht erreicht werden. Insbesondere wenn die zu messenden Temperaturen nahe am unteren Grenzwert des aktuellen Messbereichs der Wärmebildkamera liegen (was typisch für die Gebäudethermografie ist), wird die Bildqualität hauptsächlich durch die Temperaturauflösung der Wärmebildkamera (oder ihre thermische Auflösung) bestimmt. Dieser Parameter - die "NETD" (Noise Equivalent Temperature Difference) - gibt den effektiven Rauschpegel der Wärmebildkamera bei einem Temperaturunterschied des Objektsignals in derselben Größenordnung an. Dieser Parameter, der die Wärmebildkamera bewertet, wird gemäß den Anforderungen der Norm DIN EN 16714-2:2016-11 bei 30°C festgelegt, wobei ein idealer Strahler als Referenzobjekt angenommen wird. Es ist wichtig zu wissen, dass dieser NETD-Wert (normalerweise als eine einzige Zahl angegeben) leider nicht für alle Temperaturen gleich ist, nicht für jeden Messbereich der Wärmebildkamera und auch nicht für jede (Austausch-)Objektivanwendung. Trotzdem ist dieser Wert die gebräuchlichste und praktisch einzige Information über die zu erwartende Rauschigkeit unseres Wärmebildes. Es muss berücksichtigt werden, dass mit der Verringerung der Objekttemperatur das Rauschen fast exponentiell ansteigt (und damit die thermische Auflösung abnimmt). Dies ist vollkommen logisch, da mit der sinkenden Temperatur die Strahlungsmenge exponentiell abnimmt, sodass das Signal-Rausch-Verhältnis in gleicher Weise rapide abnimmt. Daraus folgt, dass die bei 30°C angegebene thermische Auflösung für niedrigere Objekttemperaturen nicht mehr zutrifft, und in Richtung 0°C kann der NETD-Wert sogar auf das Doppelte steigen.

Die thermische Auflösung der Wärmebildkamera hat natürlich Auswirkungen auf die Erkennbarkeit von Details im Wärmebild aufgrund des kleinsten Temperaturunterschieds, der wahrgenommen werden kann. Die Situation wird leider durch die Grenze der Farb- und Graustufenunterscheidungsfähigkeit unserer Augen sowie die Notwendigkeit einer ausreichenden Anzahl von "gleichen" Pixeln verschlechtert, um sie als zusammenhängende "Fläche" erkennen zu können. BeispielBei einer minderwertigen Wärmebildkamera mit einer Temperaturauflösung von +/-120 mK (+/-0,12°C) bei 30°C wird in der Praxis bereits bei 0°C eine "leichte" Rauschemission von +/-0,25°C auftreten. Da dieser Wert pro Pixel zu verstehen ist, beträgt die Gesamtt emperaturauflösung des gesamten Wärmebilds nur 0,5°C (da die Pixel unabhängig voneinander und von ihrer Position bis zum Maximalwert fehlerhaft sein können). Die Oberflächentemperatur einer visuell als zusammenhängende Fläche erkennbaren Fläche muss jedoch mindestens das Doppelte des oben genannten Werts von den umgebenden Wärmebild-Pixeln abweichen - daher beträgt die minimale Temperaturdifferenz, die die Erkennbarkeitsgrenze darstellt, in diesem Beispiel fast 1°C (bei gemessenen Objekttemperaturen um 0°C)! Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu

Kontakt

Der Inhalt der Veröffentlichung ist urheberrechtlich geschützt. Die (auch teilweise) Nutzung, elektronische oder gedruckte Weiterveröffentlichung ist nur mit Angabe der Quelle und des Autors sowie mit vorheriger schriftlicher Genehmigung des Autors gestattet. Die Verletzung des Urheberrechts (Copyright) hat rechtliche Konsequenzen.