Elektrikerblatt 2008.5. Thermografische Prüfung elektrischer Anlagen I.

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

Die Erstellung von Wärmebildern, also die Thermografie, ist ein äußerst vielseitiges Messverfahren. Die Bedienung moderner Wärmebildkameras ähnelt mittlerweile stark der gängigen digitalen Videokameras, und die Anschaffungskosten sind auf einen Bruchteil der früheren Jahre gesunken. Daher ist es nicht überraschend, dass Elektriker sich immer mehr dieser neuen Technologie nähern. Während früher nur Phasenprüfer, dann Spannungs- und Widerstandsmessgeräte, später Multimeter, Erdungstester und sogar Oszilloskope zu alltäglichen Arbeitsgeräten wurden, wird voraussichtlich auch die Wärmebildkamera in den Alltag von Elektrofachleuten Einzug halten. Die oben genannte Einfachheit sollte jedoch niemanden täuschen: Für die korrekte Erstellung von Wärmebildern aus messtechnischer Sicht ist Fachwissen, eine angemessene Messvorbereitung und ein Messgerät (Wärmebildkamera), das den Anforderungen der Aufgabe entspricht, erforderlich. (Andernfalls entstehen anstelle von Messergebnissen nur uninterpretierbare "farbige Bilder".) Es ist bedauerlich, dass mehrere Wärmebildkamera-Anbieter und Anbieter von Wärmebildaufnahmen schwerwiegende fachliche Fehler bei der Erstellung von Wärmebildern machen. Daher - um dies zu vermeiden - beginnen wir mit den physikalischen Grundprinzipien!

Prinzip der Infrarotstrahlungsbasierten Temperaturmessung

Entstehung der Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) Die berührungslose Temperaturmessung bzw. die Thermografie nutzt das physikalische Phänomen, dass Körper oberhalb der absoluten Null-Kelvin-Temperatur (-273,15 °C) elektromagnetische Wellen aussenden, wie beispielsweise Radiowellen, Licht und Wärme(strahlung). Die Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) befindet sich im elektromagnetischen Spektrum im Wellenlängenbereich zwischen 760 nm und 1 mm. Für die Temperaturmessung ist der Bereich bis zu 20 µm technisch relevant. Dieser kann wie folgt unterteilt werden: 0,8 μm...2 μm ultrakurzwelliges Infrarot 2 μm...6 μm kurzwelliges Infrarot 6 μm...20 μm langwelliges Infrarot Die Temperaturmessung erfolgt also nur über einen Teil der elektromagnetischen Wellen, die der zu messende Körper aussendet - die Infrarotstrahlung. Um von dieser Strahlung auf die Temperatur des Objekts schließen zu können, muss der Zusammenhang zwischen der Körpertemperatur und der abgegebenen Strahlung betrachtet werden. Dieser Zusammenhang wird durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben, das die spektrale Verteilung der von einem idealen Strahler (schwarzer Körper) emittierten Strahlung angibt (siehe Abbildung unten).

Zusammenfassend: Je wärmer ein Körper ist, desto mehr Strahlung gibt er ab und desto kürzer ist die Wellenlänge der am stärksten ausgestrahlten Strahlung. Beachtenswert ist auch, dass die langen Wellenlängen immer vorhanden sind (und mit steigender Temperatur stärker werden), während die kurzen Wellenlängen nur bei heißen Körpern abgegeben werden. Eigenschaften der zu messenden Objekte Das sogenannte Schwarzkörpermodell ist das ideale physikalische Strahlermodell, das diejenige Wärmestrahlung mit 100 %iger Emission abgibt, die gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz entsprechend der Temperatur zu erwarten ist. Die Strahlungsfähigkeit realer Körper bleibt jedoch hinter dem Schwarzkörpermodell zurück, und zur Berücksichtigung dieser Abweichung dient der Emissionsgrad (ε), der die Strahlungsfähigkeit des Körpers im Vergleich zum Schwarzkörper beschreibt. Der Emissionsgrad hängt hauptsächlich vom Material ab (hauptsächlich von der Oberfläche), sowie von der Oberflächenrauheit, dem Betrachtungswinkel und der Wellenlänge (und somit auch von der Temperatur des Körpers). Im langwelligen Bereich zeichnet sich eine Vielzahl von nichtmetallischen Materialien durch einen hohen, relativ konstanten Emissionsgrad über einen breiten Temperaturbereich unabhängig von der Oberflächenbearbeitung aus. Gute Beispiele hierfür sind die menschliche Haut und viele mineralische Materialien (z. B. Beton, Putz usw.), sowie kunststoffbasierte Farben. Der Emissionsgrad von Metallen ist in der Regel gering und hängt stark von den Oberflächeneigenschaften ab, und nimmt mit zunehmender Wellenlänge (abnehmender Temperatur) ab. Einfluss der Messanordnung und des Übertragungsmediums Bei der berührungslosen Temperaturmessung müssen die Besonderheiten berücksichtigt werden, die sich aus den physikalischen Grundlagen dieses Messverfahrens ergeben: Einerseits handelt es sich um eine "optische" Messmethode, d. h., das Messobjekt muss von der Messvorrichtung aus sichtbar sein, andererseits spielen bei der Messung die charakteristischen Zustände des Messabschnitts, sowie die Anwesenheit von Strahlungsquellen im Vorder- und Hintergrund eine entscheidende Rolle.

Da die Messung auf der „fernen“ Erfassung der vom Objekt ausgesandten Infrarotstrahlung basiert, muss diese Strahlung durch ein Medium vom zu messenden Objekt zum Messgerät gelangen, wobei das Verhalten (die Charakteristik) des Mediums im Infrarotbereich natürlich die Messung beeinflusst. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um Luft, aber auch andere - Infrarotstrahlen durchlassende - Materialien (z.B. spezielle Messfenster) kommen vor. Bei Luft wirken sich vor allem der Wasserdampf und das Kohlendioxid auf die Übertragung der Infrarotstrahlung aus.

Wie in der obigen Abbildung zu sehen ist, hängen die Übertragungseigenschaften der Luft stark von der Wellenlänge ab. In Bereichen mit hoher Übertragungsverlusten sind auch Bereiche mit guter Übertragungsfähigkeit (schraffiert) in der Nähe zu beobachten. Letztere werden auch als atmosphärische Fenster bezeichnet. Während der Übertragungsfaktor im Bereich von 8...14 μm - im langwelligen atmosphärischen Fenster - nahezu perfekte Übertragung auch über große Entfernungen gewährleistet, verursacht die Atmosphäre im Bereich von 3...5 μm - im kurzwelligen atmosphärischen Fenster - bereits messbare Verluste auch bei Entfernungen von nur wenigen Metern.

Das Messgerät und sein Einfluss auf das Messergebnis

Da Luft bei berührungsloser Temperaturmessung das häufigste Übertragungsmedium ist, sollten Messungen nur in den oben genannten Wellenlängenbereichen der atmosphärischen Fenster durchgeführt werden (sonst würde man eine nichtlineare Temperaturabhängigkeit erhalten). Für solche Messungen werden daher Infrarot-Thermometer und Wärmebildkameras hergestellt, die empfindlich für den Wellenlängenbereich von 8...14 μm - unter Nutzung des langwelligen atmosphärischen Fensters - und für den Wellenlängenbereich von 3...5 μm - im kurzwelligen atmosphärischen Fenster - sind. Je nachdem werden sie als langwellige oder kurzwellige Infrarot-Thermometer bzw. Wärmebildkameras bezeichnet. Es gibt auch selten Infrarot-Thermometer für den ultrakurzwelligen Bereich, praktisch keine Wärmebildkameras in diesem Bereich. Der spektrale Messbereich der berührungslosen Temperaturmessgeräte deckt daher nur einen Teil der vom Objekt ausgesandten Gesamtstrahlung ab. Gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz sind Messgeräte im kurzwelligen (3...5 μm) Bereich relativ unempfindlich gegenüber relativ niedrigen Temperaturen, aber oberhalb von 350 °C ist die Strahlungserkennung im Bereich von 3...5 μm besser als im langwelligen (8...14 μm) Bereich. (Der Grund dafür ist, dass das Maximum der Strahlung in den kurzwelligen Bereich verschoben ist.) Aufbau und Funktionsweise von Wärmebildkameras In den letzten Jahren werden Matrixdetektor-Wärmebildkameras in der Infrarot-Thermografie immer häufiger eingesetzt. Der Aufbau einer solchen Kamera ähnelt in vielerlei Hinsicht einer digitalen Kamera (bzw. einer digitalen Videokamera), die einzelnen Komponenten sind natürlich sehr unterschiedlich.

Der Wärmestrahlungswert jedes einzelnen Bildpunkts wird von einem individuellen Sensor in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das elektrische Signal wird von einem besonders rauscharmen Vorverstärker verstärkt, bevor es digitalisiert wird. Die so erzeugten - pixelweisen - digitalen Daten repräsentieren die Menge der erfassten Wärmestrahlung. Zur Bestimmung der Oberflächentemperatur des Objekts müssen die Daten für jeden Pixel unter Verwendung der thermografischen Grundgleichung (unter anderem basierend auf dem Emissionsfaktor, der Umgebungstemperatur und der Charakteristik des Übertragungsabschnitts) in Temperatur umgerechnet werden, was von einem - im Wärmebildkamera integrierten - leistungsstarken Computer durchgeführt wird. Der Computer hat jedoch nicht nur diese Aufgabe, da bei Matrixsensoren die Charakteristik der einzelnen Pixel sehr ähnlich sein kann, aber dennoch messbar davon abweicht. Die Kompensation des Mangels an Übereinstimmung erfordert eine erhebliche Menge an Echtzeit-Signalverarbeitung (Korrektur), die vom internen Computer durchgeführt werden muss. Daher wurden die ersten mit Matrixdetektoren hergestellten Wärmebildkameras ohne Temperaturmessfunktionen empfohlen. Die Kamerahersteller integrierten diese Technologie erst später in die Geräte, zunächst nur mit einem - in der Mitte des Bildes befindlichen - Messpunkt, später auf alle Bildpunkte erweitert (wie natürlich auch die Leistungsfähigkeit der Computer fortschritt). Die meisten allgemeinen Matrixdetektor-Kameras werden mit der relativ neuen sogenannten Quantum-Well (Wärmeleitfähigkeit oder Bolometer) Sensor-Technologie hergestellt, die die Herstellung von hochauflösenden Sensoren mit hoher Wärme- und geometrischer Auflösung im langwelligen Bereich ermöglicht.In einigen Fällen erlaubt die nicht allzu strenge Anforderung an die Reaktionszeit der einzelnen Elemente von Matrixsensoren auch die Verwendung von ungekühlten Detektoren. Aufgrund strahlenphysikalischer Gründe kann jedoch die erwartete hohe Wärmeauflösung bei niedrigen Temperaturen nur mit ungekühlten Geräten im langwelligen Bereich erreicht werden. Die geometrische Auflösung der Wärmebildkamera Die geometrische Auflösung beeinflusst maßgeblich die Bildqualität der Wärmebildkamera, die Genauigkeit der Messung und sogar die Anwendbarkeit der Wärmebildkamera für bestimmte Aufgaben. Der sogenannte IFOV-Parameter (kleinster elementarer Sichtwinkel) gibt den Sichtwinkel an, der mit einem einzigen Sensor (Pixel) abgebildet wird. Zum Beispiel bedeutet der Wert von 1,5 mrad, dass jeder dem Objekt zugeordnete - auf das Objekt projizierte - Messpunkt bei einer Entfernung von 1 m einen Durchmesser von 1,5 mm hat, bei 2 m Entfernung hat die projizierte Fläche einen Durchmesser von 3 mm usw. (Dies ist vorstellbar wie der Lichtstrahl einer Taschenlampe, der je nach Entfernung einen immer größeren Durchmesser eines Kreises umfasst.)

Es ist wichtig, dass das zu messende Objekt mindestens 3-mal (aber mindestens 2-mal) größer ist als die einzigartige Messfläche, die in der gegebenen Entfernung projiziert wird, da andernfalls der Messfleck nicht nur die Oberfläche des Objekts, sondern auch den Hintergrund enthalten kann. Da innerhalb des Messflecks eine Mittelung erfolgt, kann das Messergebnis aufgrund der Hintergrundtemperatur entweder niedriger oder höher als die tatsächliche Temperatur des Objekts sein. Je größer der Unterschied zwischen der Temperatur des Objekts und des Hintergrunds ist, desto größer wird der Messfehler sein! Natürlich gilt diese Regel nicht nur für kleine Objekte (z. B. dünne Drähte, Glühbirnen usw.), sondern auch für große Objekte (z. B. Kabel mit großem Querschnitt, Türen usw.) bei der Messung. Offensichtlich handelt es sich um unterschiedliche Dimensionen: Bei kleinen Objekten handelt es sich um Messflächen im Millimeterbereich, die je nach geometrischer Auflösung der verwendeten Wärmebildkamera und Optik nur aus Entfernungen von höchstens mehreren zehn Zentimetern gemessen werden können; bei großen Objekten handelt es sich um Messflächen im Zentimeterbereich, die aus Entfernungen von mehreren Metern (bis zu 10 m) erfasst werden können. In jedem Fall ist die Verwendung eines Geräts erforderlich, das die Einhaltung der Regel ermöglicht! Da die geometrische Auflösung immer nur für die gerade verwendete Optik gilt, muss unbedingt überprüft werden, ob die auf der Wärmebildkamera montierte Optik dem gewünschten Sichtfeld und der Brennweite entspricht. Während einige Wärmebildkameras mit austauschbaren Objektiven oder Weitwinkel- oder Makro-Objektivvorsätzen erhältlich sind, können andere (sehr selten!) mit zusätzlichen Zoom-Objektiven bestellt werden. Bei der Untersuchung elektrischer Geräte ist die Messbarkeit von kleinen - aber wichtige Informationen enthaltenden - Details durch die gemeinsame geometrische Auflösung der Wärmebildkamera und Optik einer der wichtigsten Parameter!

Die Bildauflösung der Wärmebildkamera (Anzahl der Bildpunkte) Neben der geometrischen Auflösung bestimmt die Anzahl der Bildpunkte der Wärmebildkamera die Bildqualität und genauer gesagt die Detailgenauigkeit der Messung. Der Grund dafür ist, dass zur grafischen Erkennbarkeit bestimmte minimale Anzahl von Bildpunkten auf bestimmte Teile des zu messenden Objekts fallen müssen, genauso wie wir es von der digitalen Fotografie gewohnt sind. Es ist leicht verständlich, dass bei mehr Bildpunkten die Oberfläche des Objekts mit größerer Detailgenauigkeit oder eine größere Oberfläche mit derselben Detailgenauigkeit auf einem einzigen Wärmebild dargestellt werden kann. Wenn die Anzahl der Bildpunkte gering ist, müssen viele Aufnahmen gemacht werden, und für die Auswertung zusammenhängender Objekte sowie für die Erstellung von Berichten ist oft das Montieren von Bildern erforderlich (was eine sehr zeitaufwändige Arbeit ist). Bei Wärmebildkameras ist diese Frage nicht unbedeutend.

Während bei digitalen Kameras von 5, 6, 7 oder sogar mehr als 10 Megapixel (10 Millionen Bildpunkte) Auflösung gesprochen wird, beträgt die Anzahl der Bildpunkte bei Matrix-Wärmebildkameras typischerweise 320x240, also 76.800 Bildpunkte. Es gibt auch Kameras mit geringerer Kapazität (häufig 160x120, also Geräte mit nur 19.200 Bildpunkten), die daher nur in der Lage sind, kleinere Flächen mit akzeptabler Detailgenauigkeit darzustellen, was ihren Anwendungsbereich natürlich stark einschränkt (dafür ist ihr Preis sehr günstig). Aufgrund der Weiterentwicklung der Sensoren von Wärmebildkameras werden immer mehr Kameras mit einer höheren Anzahl von Bildpunkten hergestellt. Wärmebildkameras mit 384x288 Elementen und Sensorarrays sind zu einem akzeptablen Preis erhältlich, ebenso wie Geräte mit 640x480 Bildpunkten Sensorarray (mit Bildwiederholraten von 50 bzw. 60 Hz). Für spezielle Aufgaben werden sogar Wärmebildkameras mit noch höherer Auflösung hergestellt, die durch eine kleine technische Finesse die vierfache Pixelanzahl des eingebauten Sensorarrays aufweisen. Durch Mikrobewegungen des Linsensystems wird die Position des auf den Sensorarray projizierten Strahlenbündels verändert, sodass auch die Strahlung, die ursprünglich in den leeren Raum zwischen jeweils zwei Elementarsensoren (Bildpunkten) projiziert wurde, erfasst wird und somit zur Bildgebung verwendet werden kann. Diese Methode ist natürlich langsamer als 50 Hz (die Aufnahme eines vierfach höher aufgelösten Bildes dauert etwa 1 Sekunde), ermöglicht jedoch die Herstellung von sehr hochauflösenden Kameras (z. B. Jenoptik VarioCAM research 780: 1,23 Millionen Bildpunkte!). Mit solchen Geräten können auch sehr detaillierte Aufnahmen von sehr großen Oberflächen gemacht werden (ohne mehrere Aufnahmen und ohne nachträgliche Montage).

Temperaturauflösung Die Temperaturauflösung der derzeit erhältlichen Wärmebildkameras hängt hauptsächlich von der Sensor-Technologie ab. Die weit verbreiteten Matrix (langwellige) Wärmebildkameras basieren in der Regel auf Mikrobolometer-Sensoren. Diese Technologie ermöglicht je nach Qualität (und damit auch dem Preis) des verwendeten Sensors eine thermische Auflösung von 120 mK, 80 mK oder sogar 30 bzw. 25 mK. Die letzten beiden Werte werden nur von sehr hochwertigen Geräten erreicht, meist durch Anwendung von Bildmittlung. Leider bezieht sich die vom Hersteller angegebene Auflösung (z. B. 80 mK) bei Matrixkameras nur auf einzelne Bildpunkte. Für das gesamte Bild gilt das Doppelte (in unserem Fall 160 mK), da während ein Bildpunkt möglicherweise um -80 mK falsch ist, der benachbarte Punkt sogar um +80 mK falsch sein kann. Es gibt jedoch Kamerahersteller, die zusätzlich eine Auflösungsparameter für das gesamte Bild spezifizieren (z. B. 100 mK), der eine bessere Bildqualität als die oben genannten Temperaturauflösungsdaten dokumentiert. Die Temperaturauflösung begrenzt die Anwendbarkeit der Kamera, wenn die Erkennung kleiner Temperaturunterschiede erforderlich ist. Beispiele für solche Aufgaben sind die Gebäudethermografie (mindestens 80 mK Auflösung erforderlich), medizinische Anwendungen (mindestens 80 mK, aber eher 30 mK Auflösung erforderlich) oder pflanzenbiologische Forschungen (mindestens 30 mK, aber eher 10 mK Auflösung empfohlen). Diese Liste ist natürlich nicht vollständig. Eine allgemeine Regel besagt, dass ein Gerät mit mindestens doppelt bis dreimal besserer Auflösung als der kleinste zu zeigende Temperaturunterschied ausgewählt werden sollte. Bei der Untersuchung elektrischer Geräte ist die Temperaturauflösung kein kritischer Parameter. Wichtiger Hinweis: Die thermische Auflösung entspricht nicht der absoluten Messgenauigkeit der Wärmebildkamera. Dieser Wert beträgt in der Regel +/-2 K. Der Grund dafür liegt in der berührungslosen Temperaturmessungstechnologie der Wärmebildkamera, da sie ein schwebendes Messsystem ist, dessen Bezugsreferenz die Temperatur der internen Referenzfläche (Chopper) ist, die durch einen Hitzeelement oder Pt100 definiert ist. Bildaufnahmefrequenz Wärmebildkameras decken heute ein breites Spektrum an Aufnahmefrequenzen ab. Im Allgemeinen wird zwischen langsamen, etwa 1 Hz abtastenden und Echtzeitgeräten mit ca. 50 Hz Unterschieden. Es gibt jedoch auch Wärmebildkameras, die Bildaufnahmefrequenzen von bis zu 6 kHz bieten. Dieser Parameter kann natürlich den Preis erheblich beeinflussen, daher sollte die maximale Bildfrequenz sorgfältig abgewogen werden. Mit wenigen Ausnahmen sind thermische Prozesse in der Regel langsam, und wenn sich das Objekt nicht bewegt, könnte sogar eine Aufnahme pro Sekunde ausreichen. Wie bestimmen wir die minimale erforderliche Bildaufnahmefrequenz für unsere Messung? Da die Erstellung von Wärmebildern ein kontinuierlicher Abtastvorgang mit einer festen Zeitintervallabtastung und einer digitalen Signalverarbeitung ist, muss das sogenannte "Unterabtasten" vermieden werden, um das Shannon-Gesetz der digitalen Signalverarbeitung zu erfüllen. Dieses Gesetz besagt, dass bei der höchsten Frequenz des zu messenden Prozesses die Daten mit mindestens doppelter Abtastfrequenz aufgezeichnet werden müssen. Da die meisten thermischen Prozesse langsamer als einige Minuten sind, reicht eine Bildaufnahmegeschwindigkeit von mehreren Sekunden aus, um den Wärmevorgang korrekt aufzuzeichnen.

Es gibt jedoch schnelle Aufheizungs- oder Abkühlungsprozesse, die in Sekunden oder sogar Bruchteilen von Sekunden ablaufen. Wenn die Prozessdauer im Bereich von Sekunden liegt, reicht die von den meisten Matrix-Wärmebildkameras angebotene Bildaufnahmefrequenz von 50 (bzw. 60) Hz aus. Schnellere (über 25 Hz) Wärmeprozesse können jedoch nur mit speziellen Wärmebildkameras erfasst werden, die eine Bildwiederholfrequenz von bis zu 6 kHz haben können (natürlich zu einem hohen Preis). Die praktischen Aspekte der berührungslosen Temperaturmessung Nachdem wir im vorherigen Abschnitt die theoretischen Grundlagen der temperaturbasierten Infrarotmessung und die Bedeutung der technischen Parameter von Wärmebildkameras erläutert haben, werden wir im Folgenden auf die praktischen Aspekte von Messungen mit dieser Technologie eingehen. Materialabhängigkeit der Messgenauigkeit, messbare Oberflächen Die Messgenauigkeit der thermografischen (Wärmebild-) und Infrarot-Temperaturmessung (fälschlicherweise als Laserthermometer bezeichnete Geräte) hängt hauptsächlich von der Strahlungsemissionsfähigkeit der gemessenen Oberfläche ab. Je besser diese Fähigkeit ist (je mehr sie einem idealen Strahler ähnelt), desto weniger durchgelassene und reflektierte Strahlung tritt auf. Die vom Messgerät erfasste Strahlung setzt sich immer mehr aus der Strahlung zusammen, die nur mit der Temperatur des Körpers zusammenhängt, sodass bei der Berechnung des Temperaturwerts weniger die Auswirkungen anderer Strahlungen korrigiert werden müssen. Je geringer die Emissionsfähigkeit eines Körpers ist, desto wichtiger ist die Korrekturberechnung, deren Grundlage der sogenannte Emissionsfaktor ist. Der Emissionsfaktor von Materialien hängt wiederum vom Material, der Oberflächenrauheit, der Wellenlänge und dem Betrachtungswinkel ab. (Fortsetzung folgt!) Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu

Kontakt

Der Inhalt der Veröffentlichung ist urheberrechtlich geschützt. Die (teilweise) Nutzung, elektronische oder gedruckte Weiterveröffentlichung ist nur mit Angabe der Quelle und des Autors sowie mit der vorherigen schriftlichen Genehmigung des Autors gestattet. Verletzungen des Urheberrechts haben rechtliche Konsequenzen.