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Elektrische Anlagen-Thermografie, Messhinweise

Thermografische Prüfung elektrischer Anlagen

Messtipps, spezifische Anforderungen an Wärmebildkameras

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. Es ist daher nicht überraschend, dass Elektriker sich zunehmend dieser neuen Technologie nähern. Während früher nur Phasensucher, dann Spannungs- und Widerstandsmessgeräte, später Multimeter, Erdungstester und sogar Oszilloskope zu alltäglichen Arbeitswerkzeugen 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 sind Fachkenntnisse, eine angemessene Messvorbereitung und ein Messgerät (Wärmebildkamera), das den Anforderungen der Aufgabe gerecht wird, erforderlich. (Andernfalls entstehen anstelle von Messergebnissen nur uninterpretierbare "Farbbilder".) Es ist bedauerlich, dass einige Anbieter von Wärmebildkameras und Dienstleister für Wärmebildaufnahmen schwerwiegende fachliche Fehler bei der Erstellung von Wärmebildern machen. Daher beginnen wir hier, diese Fehler zu vermeiden, mit den praktischen Einschränkungen, die sich aus den physikalischen Grundprinzipien ergeben:

Praktische Aspekte der berührungslosen Temperaturmessung

Materialabhängigkeit der Messgenauigkeit, messbare Oberflächen Die Messgenauigkeit der thermografischen (Wärmebildkamera-) oder Infrarot-Temperaturmessgeräte (fälschlicherweise als Laserthermometer bezeichnet) 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 nur aus der Strahlung zusammen, die mit der Temperatur des Körpers zusammenhängt, und es ist daher weniger notwendig, die Auswirkungen anderer Strahlungen bei der Berechnung des Temperaturwerts zu korrigieren. Je geringer die Emissionsfähigkeit eines Körpers ist, desto wichtiger ist die Korrekturberechnung, die auf dem sogenannten Emissionsfaktor basiert. Die Emissionsfaktoren der Materialien hängen von dem Material selbst, der Oberflächenrauheit, der Wellenlänge und dem Betrachtungswinkel ab. Basierend auf der Erfassung der Infrarotstrahlung kann die Temperatur des Objekts (der Oberfläche) nur unter genauer Kenntnis des Emissionsfaktors, der reflektierten Temperatur (Umgebungstemperatur) und (bei durchsichtigen Körpern für Wärmestrahlung) der genauen Hintergrundtemperatur berechnet werden (basierend auf der thermografischen Grundgleichung). Je niedriger der Emissionsfaktor eines Objekts (die Strahlungsemissionsfähigkeit), desto mehr muss korrigiert werden, daher müssen alle Parameter genauer angegeben werden. Aus den genannten Gründen kann in einigen Fällen die Temperatur des Objekts keinesfalls gemessen werden:

Thermografie elektrischer Anlagen, Messhinweise - Effekt der Reflexion (Quelle: PIM)

Linkes Bild: Wärmebild eines Heißluftgebläses - die polierte Aluminiumverkleidung der Wärmedämmung hat einen sehr niedrigen Emissionswert - die tatsächliche Temperatur des Heißluftgebläses ist an der verrosteten Belüftungsöffnung sichtbar (>160°C), der Rest spiegelt die Umgebungstemperatur wider - die Temperatur der Isolierung (>90°C) ist nicht sichtbar
Rechtes Wärmebild: neu - polierte Oberfläche - Kupferleiter - der Boden des Kupferleiters erscheint wärmer als der Rest, obwohl aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer keine Unterschiede vorhanden sein sollten - die sichtbare Wärme entsteht durch die Reflexion der darunter liegenden warmen Geräte

Abbildung 1: Beispiele für Objekte mit niedriger Emission - schwer messbare - [Quelle: PIM Kft.]

Zur Erläuterung sei gesagt, dass in beiden Fällen der Emissionswert nahe "0" liegt, sodass die nahezu nicht vorhandene Strahlung, die mit der Temperatur des Körpers zusammenhängt und für die Temperaturberechnung verwendet werden kann, praktisch nicht vorhanden ist. In der Praxis ist diese Tatsache von großer Bedeutung: Es muss berücksichtigt werden, dass beispielsweise Isolierungen mit einer neuen, schön polierten Aluminium- oder rostfreien Stahlverkleidung nicht mit thermografischen Geräten überprüft werden können. Es spielt keine Rolle, wie heiß (sogar glühend) die gemessene Oberfläche ist, es wird immer nur die Temperatur der darauf reflektierten Umgebungsgegenstände („gemessen“). Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn brandneue elektrische Anlagen, Schaltschränke überprüft werden sollen: Die Temperaturen der metallischen (polierten) Schienen, Verbindungen und Anschlüsse können berührungslos nicht bestimmt werden. (Oxidierte oder lackierte /isolierende beschichtete/ Oberflächen können jedoch gemessen werden - da sie aufgrund ihrer nichtmetallischen, matten Natur einen hohen Emissionsfaktor haben.) Wenn auf einem Wärmebild viele verschiedene Materialoberflächen zu sehen sind, kann es erforderlich sein, die Emissionsfaktorkorrektur pixelweise durchzuführen, um die genaue Temperaturberechnung durchzuführen.Für die klassische Messung der Wärmebelastung von elektronischen Schaltungen sind sowohl nichtmetallische Oberflächen (Keramik, Kunststoff, Lack) als auch metallische Oberflächen (Kupfer, Zinn, Nickel und Gold) zu erwähnen. Als Lösung wird die zu prüfende Leiterplatte gleichmäßig auf eine ausreichend abweichende Temperatur vom Umfeld (z. B. auf 50 °C bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C) erhitzt und die erfassbare Wärmestrahlungsintensität als pixelweiser Emissionsfaktor gespeichert. Die Wärmebildberechnung der dann in Betrieb genommenen Leiterplatte erfolgt auf Basis der zuvor festgelegten Emissionsfaktoren in einer Pixelmatrix durch die Software, wodurch trotz unterschiedlicher Emissionsfaktoren die Temperaturdaten für jedes Pixel genau bestimmt werden.

Thermografie elektrischer Geräte, Messhinweise - Nicht korrigierte Leiterplatte / erhitzte Leiterplatte (Quelle: Infratec)

Bild links: Leiterplatte ohne Emissionskorrektur - heiße Leiterbahnanschlüsse erscheinen kalt - Ursache für fehlerhafte Daten sind die unterschiedlichen Emissionswerte
Bild rechts: Wärmebild der auf 50 °C erhitzten Leiterplatte - scheinbar unterschiedliche Temperaturen - Ursache für Abweichungen sind die unterschiedlichen Emissionswerte

Thermografie elektrischer Geräte, Messhinweise - Emissionswerte / korrigiertes Wärmebild (Quelle: Infratec)

Bild links: Emissionswert der Leiterplattenoberfläche - berechnete Emission aus der gleichmäßigen Temperatur - Emissionsbestimmung pixelweise
Bild rechts: Wärmebild der Leiterplatte mit Emissionswertkorrektur - Korrektur pixelweise gemäß der linken Abbildung - die heißen Leiterbahnanschlüsse sind somit auch im Wärmebild heiß

Abbildung 2: Beispiel für die pixelweise Korrektur unterschiedlicher Emissionsfaktoren [Quelle: Infratec]

Praktische Messhinweise

Dieses Kapitel behandelt ausführlich, welche Messungen (mit welchen Ergebnissen) im Zusammenhang mit elektrischen Geräten mittels thermografischer Methoden durchgeführt werden können und worauf bei der Fehlerbehebung von Messfehlern geachtet werden muss.

Thermografische Messungen an elektrischen Geräten

Die thermografische Zustandsüberwachung elektrischer Geräte basiert darauf, dass unterdimensionierte oder beschädigte Leitungen, schlechte Verbindungen (aufgrund erhöhten Übergangswiderstands), sowie in den meisten Fällen elektrisch defekte Geräte auf höhere Temperaturen als üblich (zulässig) erhitzt werden. Der größte Vorteil der Thermografie liegt darin, dass die Messungen sicher aus der Ferne durchgeführt werden können - auch an Geräten mit mehreren kV - ohne den Betrieb des untersuchten Geräts zu beeinflussen. Typische Anwendungsbereiche sind die Zustandsüberwachung elektrischer Geräte in der Energieindustrie.

Elektrische Fehler, die mittels Thermografie gefunden werden können

Wichtige Hinweise

Thermografie von elektrischen Anlagen, Messhinweise - Thermografische Messung von Unterstationen und Stromschienen (Quelle: Infratec)

Abbildung 3: Transformatorstation [Quelle: Infratec]
Abbildung 4: Stromschienen [Quelle: Infratec]
Thermografie von elektrischen Anlagen, Messhinweise - Messung von Transformatoren und Elektromotoren (Quelle: Infratec)
Abbildung 5: Transformator (Wärmebild + integriertes digitales Bild) [Quelle: Infratec]
Abbildung 6: Elektromotor [Quelle: Infratec]

Hinweise zur Auswahl der geeigneten Wärmebildkamera je nach Messaufgabe

Während im vorherigen Abschnitt die Bedeutung der technischen Parameter von Wärmebildkameras erläutert wurde, geben wir im Folgenden die Auswahlkriterien für das geeignete Messgerät (Wärmebildkamera) für verschiedene Fachbereiche an. Erfassung von elektrischen Anlagen

Thermografie von elektrischen Anlagen, Messhinweise - Thermografische Messung von industriellen Sicherungen und Industrietransformatoren (Quelle: Infratec)
Abbildung 7: Industrielle Sicherungen messen [Quelle: Infratec]
Abbildung 8: Industrietransformatoren messen [Quelle: Infratec]

- Wellenlängenbereich: langwellig (Anmerkung: Der typische Temperaturbereich von elektrischen Anlagen liegt zwischen 0°C und 200°C. Diese Messungen können am besten mit einer langwelligen Wärmebildkamera durchgeführt werden, da Körper in diesem Temperaturbereich hauptsächlich langwellige Wärmestrahlung abgeben, gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz. Andererseits kann dieser Bereich auch mit thermischen / Mikrobolometer-Detektoren im Vergleich zu Fotondetektoren viel besser erfasst werden.)

- Mess- (Kalibrier-)bereich: min. 0°C ... 150°C oder besser: -20°C ... 250°C (Anmerkung: Der Messbereich sollte je nach erwarteter Temperatur der zu messenden Geräte ausgewählt werden. Wenn eine Wärmebildkamera mit einem breiteren Kalibrierbereich zu einem ähnlichen Preis erhältlich ist, sollte diese sicherheitshalber gewählt werden. Kameras, die auf -20°C oder -40°C kalibriert sind, bieten die beste Bildqualität, da sie weniger Rauschen erzeugen.) - Anzahl der Bildpunkte: min. 160x120 oder 320x240 Pixel, besser 384x288 oder 640x480 Pixel (Anmerkung: Mit weniger Pixeln können nur sehr kleine Flächen erfasst werden - z. B. mit 120x160 Pixeln nur ein Viertel oder ein Achtel eines Schaltschranks, abhängig vom kleinsten Kabelquerschnitt, auf einem Wärmebild festgehalten werden. Mit einer solch kleinen Kamera können daher Fehlerbehebungen gut durchgeführt werden /insbesondere wenn es automatische visuelle oder akustische Alarme für Grenzwertüberschreitungen gibt/, aber die Dokumentation von kompletten elektrischen Netzwerken oder Herstellergeräten ist aufgrund der Vielzahl von Aufnahmen und der erforderlichen Bildmontage nicht wirtschaftlich.) - Geometrische Auflösung: min. 2 mrad, besser 1,5 mrad, am besten 1 mrad (Anmerkung: Es muss sichergestellt werden, dass mindestens 2 elementare Bildpunkte auf der kleinsten zu messenden Oberfläche /dem kleinsten Querschnitt des Kabels/ liegen, wodurch die geometrische Auflösung begrenzt wird, wie weit entfernt Wärmebilder aufgenommen werden können. Bei einer "schwachen" geometrischen Auflösung der Wärmebildkamera kann es erforderlich sein, dass für die korrekte Erfassung jedes Kabels und Anschlusses an einem Schaltschrank 8-10 Aufnahmen gemacht werden müssen.- Temperaturauflösung: 100 mK oder besser: 80 mK oder sogar 50mK (Bei der Messung elektrischer Geräte kann mit großen Temperaturunterschieden gerechnet werden, daher ist die Temperaturauflösung nicht so kritisch.) - Bildaufnahmefrequenz: keine Einschränkung, aber es ist ratsam, eine Kamera mit 50 Hz für manuelle Aufnahmen zu wählen (Anmerkung: Die Bildaufnahmefrequenz der Wärmebildkamera ist so festgelegt, dass bei langsamen - z. B. 9, 15 oder 30 Hz Bildwiederholungsraten - zur Vermeidung von Verwacklungen aufgrund von Handbewegungen mit einem Kamerastativ gearbeitet werden muss. Mit schnelleren /min. 50 Hz/ Wärmebildkameras können Aufnahmen "aus der Hand" gemacht werden.) - Empfohlene "besondere" Funktionen wählbare Farbskala, Autofokus, eingebaute digitale Videokamera oder Kompositbildgebung (visuelles und Wärmebild übereinander projiziert)

Mikroelektronische Messungen (Prozesse mit schnellen Temperaturänderungen)

Thermografie elektrischer Geräte, Messhinweise - Integrierter Schaltkreis mit Mikroskoplinse bzw. Standardlinse für PCBs (Quelle: Infratec)
Abbildung 9: Integrierter Schaltkreis mit Mikroskoplinse [Quelle: Infratec]
Abbildung 10: Standardlinse für PCBs [Quelle: Infratec]

- Wellenlängenbereich: langwellig (Anmerkung: Der typische Temperaturbereich elektronischer Geräte liegt zwischen 0 °C und 200 °C. Diese Messungen können am besten mit einer langwelligen Wärmebildkamera durchgeführt werden, da Körper in diesem Temperaturbereich gemäß dem Planckschen Gesetz hauptsächlich langwellige Wärmestrahlung abgeben.)

- Mess- (Kalibrier-)bereich: min. 0 °C ... 150 °C oder besser: -20 °C ... 250 °C (Anmerkung: Der Messbereich sollte basierend auf den erwarteten Temperaturen des zu messenden elektronischen Geräts ausgewählt werden. Wenn eine Wärmebildkamera mit einem breiteren Kalibrierbereich zu einem ähnlichen Preis erhältlich ist, sollte diese aus Sicherheitsgründen bevorzugt werden. Natürlich bieten Kameras, die bei -20 oder -40 °C kalibriert sind, die beste Bildqualität, da sie weniger Rauschen aufweisen.) - Anzahl der Bildpunkte: min. 160x120 oder 320x240 Bildpunkte, besser 384x288 oder sogar 640x480 Bildpunkte (Anmerkung: Mit weniger Pixeln können nur sehr kleine Flächen erfasst werden - z. B. mit 120x160 Pixeln können nur ein oder zwei integrierte Schaltkreisflächen pro Wärmebild aufgenommen werden. Mit einer solch kleinen Kamera können daher Fehlerbehebungen gut durchgeführt werden /insbesondere wenn automatische visuelle oder akustische Alarme bei Grenzwertüberschreitungen vorhanden sind/, aber das Messen und Dokumentieren von kompletten PCBs /elektronischen Platinen/ erfordert viele Aufnahmen und eine Montage von Wärmebildern.) - geometrische Auflösung: min. 1,5 mrad, besser 1 mrad (Anmerkung: Da mindestens 3 Elementarbildpunkte auf die kleinste zu messende Oberfläche /den kleinsten Querschnitt eines Leiterbahnanschlusses oder einer gedruckten Leitung/ fallen müssen, begrenzt die geometrische Auflösung, aus welcher Entfernung Wärmebilder aufgenommen werden können. Bei einer Wärmebildkamera mit "schwacher" geometrischer Auflösung kann es erforderlich sein, für jede einzelne Komponente und Leitung 8-10 Aufnahmen zu machen, um eine korrekte Bewertung vorzunehmen. - Temperaturauflösung: 100 mK oder besser: 80 mK oder sogar 50mK (Bei der Messung elektronischer Geräte kann mit großen Temperaturunterschieden gerechnet werden, daher ist die Temperaturauflösung nicht so kritisch.) - Bildaufnahmefrequenz: > 2 x Prozessfrequenz (Anmerkung: Dies ist einer der kritischsten Parameter einer Wärmebildkamera bei schnellen Prozessen. Da die Aufzeichnung von Wärmebildern als digitale Abtastung betrachtet wird, muss das grundlegende Prinzip der digitalen Signalverarbeitung, das Shannon-Theorem, eingehalten werden. Demnach muss die Bildaufnahmefrequenz mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Frequenzkomponente des Prozesses. Wenn z. B. eine Leistungselektronik aufgrund einer 50 Hz-Netzversorgung mit 50 Hz erwärmt und gekühlt wird, muss die Bildaufnahmefrequenz über 100 Hz liegen. Andernfalls tritt der sogenannte Aliasing-Effekt auf, und aufgrund der Unterabtastung sehen wir bei der Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Temperaturänderung langsamere Prozesse /Änderungen/, als sie tatsächlich stattfinden.) - Empfohlene "besondere" Funktionen wählbare Farbskala, Autofokus, Differenzaufnahme (Änderungen im Vergleich zum Referenz-Wärmebild), Serienaufnahme, pixelweise Emissionsfaktorkorrektur (die in der Elektronik verwendeten Bauteile - Kupfer, Keramik, Kunststoff - weisen sehr unterschiedliche Emissionsfaktoren auf, aber eine manuelle Korrektur der vielen kleinen Oberflächen ist praktisch unmöglich). Messung von elektrischen Leitungen

Thermografie elektrischer Geräte, Messhinweise - Messung von Stromleitungen (Quelle: Infratec)
Abbildung 11: Überprüfung von Luftleitungen, Verbindungen und Isolatoren [Quelle: Infratec]

- Wellenlängenbereich: langwellig (Anmerkung: Die gemessenen Temperaturen auf Freileitungen können je nach Belastung stark variieren. Typischerweise liegt der Temperaturbereich zwischen 10 und 150 °C (im Sommer, nachts). Die Messung solcher Temperaturen ist am besten mit einer langwelligen Wärmebildkamera möglich, da Körper in diesem Temperaturbereich hauptsächlich langwellige Wärmestrahlung abgeben, gemäß dem Planckschen Gesetz.) - Mess- (Kalibrier-)bereich: -20 °C ... 120 °C oder besser: -40 °C ... 300 °C (Anmerkung: Da es sich um Freiluftmessungen handelt, sollten diese nachts durchgeführt werden. Je nach Jahreszeit kann es vorkommen, dass die Temperatur während der Messung auf unter -10 °C sinkt. In solchen Fällen sind nur Wärmebildkameras mit einem Kalibrierbereich ab -20 °C geeignet, um akzeptable Aufnahmen zu erzielen. Kameras, die ab -40 °C kalibriert sind, bieten noch bessere Bildqualität, da sie weniger Rauschen aufweisen. Daher empfehlen wir vor allem den Einsatz von Wärmebildkameras, die ab -20 °C oder -40 °C kalibriert sind.) - Anzahl der Bildpunkte: min. 160x120 oder 320x240 Bildpunkte, besser 384x288 oder sogar 640x480 Bildpunkte (Anmerkung: Mit einer geringeren Pixelanzahl können nur sehr kleine Flächen erfasst werden - z. B. mit 120x160 Pixeln nur eine einzige Isolierung auf einem Wärmebild. Die Vermessung eines Abschnitts einer Freileitung würde daher viele Aufnahmen erfordern, was auch eine enorme Arbeit bei der Verarbeitung bedeutet.) - Geometrische Auflösung: min. 0,3 mrad oder besser 0,2 mrad (Anmerkung: Dies ist der kritischste Parameter bei der Vermessung von Freileitungen! Um die Temperatur eines 20 mm Durchmessers Seils in 30 m Höhe korrekt zu messen /mindestens zwei elementare Bildpunkte müssen auf der Oberfläche liegen/, ist eine geometrische Auflösung von 0,3 mrad oder besser erforderlich. Da zwischen den Bildpunkten von Matrixkameras ein "Spalt" vorhanden ist, müsste ein noch strengerer Maßstab angewendet werden /drei Bildpunkte müssen auf der Oberfläche liegen/, daher kann eine präzise Messung nur bei einer geometrischen Auflösung von 0,2 mrad garantiert werden.) - Temperaturauflösung: 100 mK oder besser: 80 mK oder sogar 50 mK (An den Fehlerstellen von Freileitungen sind in der Regel große Temperaturunterschiede zu erwarten, daher ist die Temperaturauflösung nicht so kritisch.)

- Bildaufnahmefrequenz: Bei der Bildaufnahme vom Boden oder von einem stehenden Fahrzeug aus gibt es keine Einschränkungen (Anmerkung: Die Bildaufnahmefrequenz der Wärmebildkamera unterliegt der Bedingung, dass bei langsamen - z. B. 9, 15 oder 30 Hz Bildwiederholungsraten - Kamerastative verwendet werden müssen oder das bewegliche (schwingende) Seil nicht gemessen werden kann. Bei 50 Hz (und höheren) Wärmebildkameras ist ebenfalls ein Stativ erforderlich, da sonst das entfernte Seil oder die Isolierung nicht "angepeilt" werden kann. Praktische Erfahrungen legen nahe, dass mindestens 50 Hz-Kameras verwendet werden sollten.)

- Empfohlene "besondere" Funktionen wählbare Farbskala, Autofokus, unbedingt geeignetes Teleobjektiv, möglicherweise Kompositbildgebung (visuelles und Wärmebild übereinander projiziert), zur Aufnahme von bewegten Fahrzeugen ist ein Kamerastabilisator erforderlich. - Nicht empfohlen Auswahl des Helikopterflugs über Freileitungen, da dies optimale Sichtverhältnisse erfordert, was praktisch einen Flug bei Tageslicht und klarem Himmel bedeutet (die Messergebnisse auf dem metallischen Seil wären aufgrund der zu erwartenden Sonnenreflexion unbrauchbar).

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu

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