Thermografie / Infrarot-Temperaturmessung: Theorie und Praxis

Die berührungslose Temperaturmessung mit einer Wärmebildkamera ist für viele Anwendungen unerlässlich. Wenn Sie einige Grundregeln befolgen, können Sie die Infrarotmessung jetzt effektiver nutzen. Erfahren Sie mehr über die wichtigsten theoretischen Grundlagen der Thermografie. Und genießen Sie nützliche Tipps für Ihre tägliche Arbeit mit der Wärmebildkamera.

Messobjekt

1. Material und Emissionsgrad

Eine Wärmebildkamera misst langwellige Infrarotstrahlung, die von einem Objekt emittiert wird. Die Intensität der (vom Objekt selbst) emittierten Infrarotstrahlung hängt von der Oberfläche des Materials ab.

Hinweis: Jede Oberfläche hat ein spezifisches Emissionsvermögen.

2. Farbe

Die Farbe der Oberfläche hat keinen signifikanten Einfluss auf die vom Messobjekt emittierte langwellige Infrarotstrahlung. Entscheidend ist die Temperatur. Ein schwarz lackierter Strahler emittiert beispielsweise Infrarotstrahlung mit langer Wellenlänge, die mit einem weiß lackierten Strahler bei derselben Temperatur identisch ist.

Hinweis: Die Farbe einer Oberfläche spielt kaum eine Rolle.

3. Die Oberfläche des Messobjekts

Die Eigenschaften der Oberfläche des Messobjekts spielen in der Thermografie eine entscheidende Rolle. Dies liegt daran, dass sich das Emissionsvermögen der Oberfläche in Abhängigkeit von der Struktur der Oberfläche, der Verschmutzung und der Beschichtung ändert.

• Oberflächenstruktur

Glatte, glänzende, reflektierende und / oder polierte Oberflächen haben im Allgemeinen ein etwas geringeres Emissionsvermögen als matte, strukturierte, rohe, verwitterte und / oder zerkratzte Oberflächen desselben Materials.

Hinweis: Achten Sie beim Messen auf glatten Oberflächen besonders auf mögliche Strahlungsquellen in der Umgebung (z. B. Sonne, Heizungen usw.).

• Feuchtigkeit, Schnee, Frost an der Oberfläche

Wasser, Schnee und Frost haben einen relativ hohen Emissionsgrad (ca. 0,85)

Hinweis: Vermeiden Sie nach Möglichkeit Messungen auf nassen oder mit Schnee oder Frost bedeckten Oberflächen.

• Verunreinigungen und Fremdkörper an der Oberfläche

Schmutz oder Fremdkörper wie Staub, Ruß oder Schmieröl auf der Oberfläche des zu messenden Objekts erhöhen im Allgemeinen das Emissionsvermögen der Oberfläche. Daher ist das Messen schmutziger Gegenstände normalerweise kein Problem. Ihre Wärmebildkamera misst jedoch weiterhin die Temperatur der Oberfläche, dh die des Schmutzes, und nicht die genaue Temperatur der Oberfläche des darunter gemessenen Objekts.

Hinweis: Vermeiden Sie Messungen an Oberflächen mit Partikeln auf der Oberfläche (durch Lufteinschlüsse verzerrte Temperaturen).

Messumgebung

1. Umgebungstemperatur

Damit Ihre Wärmebildkamera die Oberflächentemperatur korrekt messen kann, muss zusätzlich zur Einstellung des Emissionsvermögens (ε) die reflektierte Temperatur (RTC) berücksichtigt werden.

In vielen Messanwendungen entspricht die reflektierte Temperatur der Umgebungstemperatur.

Eine genaue Einstellung des Emissionsvermögens ist wichtig, wenn die Temperaturunterschiede zwischen dem gemessenen Objekt und der Messumgebung groß sind.

2. Strahlung und parasitäre Quellen

Jedes Objekt, dessen Temperatur den absoluten Nullpunkt überschreitet (0 Kelvin = 273,15 ° C), sendet Infrarotstrahlung aus. Objekte mit einem großen Temperaturunterschied zur Temperatur des gemessenen Objekts können aufgrund ihrer eigenen Strahlung Infrarotmessungen beeinflussen. Solche Störungen sollten nach Möglichkeit vermieden oder gestoppt werden.

Isolieren Sie Störquellen, z. B. mit Leinwand oder Pappe.

Sie können die reflektierte Strahlung beispielsweise mit einem Lambertschen Reflektor in Kombination mit Ihrer Wärmebildkamera messen.

3. Wetterbedingungen

• Wolken

Ein sehr bewölkter Himmel bietet die idealen Bedingungen für Infrarotmessungen im Freien. Grund: Das Messobjekt ist gegen Sonneneinstrahlung und "kalte Himmelsstrahlung" geschützt.

• Niederschlag

Wasser, Eis und Schnee haben ein hohes Emissionsvermögen und sind für Infrarotstrahlung undurchlässig. Das Messen feuchter Objekte kann auch Messfehler verursachen, da sich die Oberfläche des gemessenen Objekts durch Verdunstung abkühlt.

Hinweis: Starke Niederschläge (Regen, Schnee) können die Messergebnisse verfälschen.

4. Luft / Luftfeuchtigkeit

Wenn die Linse (oder das Schutzglas) der Wärmebildkamera aufgrund der hohen relativen Luftfeuchtigkeit beschlagen wird, kann nicht die gesamte Infrarotstrahlung empfangen werden. Das Wasser verhindert, dass jegliche Strahlung das Objektiv der Infrarotkamera erreicht. Sehr dichter Nebel kann ebenfalls die Messung beeinflussen. Tatsächlich lassen die Wassertropfen in der Übertragungsleitung weniger Infrarotstrahlen durch.

Hinweis: Achten Sie auf eine niedrige relative Luftfeuchtigkeit in der Messumgebung. Dies verhindert Kondensation in der Luft (Nebel), auf dem zu messenden Objekt, auf dem Schutzglas oder der Linse der Wärmebildkamera.

• Luftströme

Aufgrund des Wärmeaustauschs (Konvektion) hat die Luft in der Nähe der Oberfläche die gleiche Temperatur wie das zu messende Objekt. Der Wind oder die Luftströmungen "bewegen" diese Luftschicht und an dieser Stelle befindet sich eine neue Luftschicht, die nicht an die Temperatur des Messobjekts angepasst ist. Die Konvektion absorbiert Wärme von heißen Messobjekten und liefert Wärme an kalte Messobjekte, bis die Lufttemperatur und die der Oberfläche des Messobjekts harmonisiert sind. Dieser Wärmeaustauscheffekt nimmt in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des Messobjekts und der Umgebungstemperatur zu.

Hinweis: Wind- oder Luftströmungen im Raum können die Temperaturmessung mit einer Wärmebildkamera beeinflussen.

• Atmosphärische Verschmutzung

Einige Schwebstoffe wie Staub, Ruß, Rauch und einige Dämpfe weisen ein hohes Emissionsvermögen und ein niedriges Durchlässigkeitsvermögen auf. Dies bedeutet, dass sie Messungen stören können, weil sie selbst Infrarotstrahlung emittieren, die auch von der Wärmebildkamera wahrgenommen wird. Außerdem kann die Infrarotstrahlung des Messobjekts nur teilweise in die Wärmebildkamera eindringen, da sie von der Schwebstoffe dispergiert und absorbiert wird.

5. Licht

Licht oder Beleuchtung spielen beim Messen mit einer Wärmebildkamera keine wesentliche Rolle. Messungen können auch im Dunkeln durchgeführt werden, da Wärmebildkameras langwellige Infrarotstrahlung messen. Einige Lichtquellen selbst emittieren jedoch Infrarot-Wärmestrahlung und können daher die Temperatur von Objekten in ihrer Umgebung beeinflussen.

Nehmen Sie daher keine Messungen in direktem Sonnenlicht oder in der Nähe einer Glühbirne vor.

Kalte Lichtquellen wie LEDs oder Neonröhren sind nicht kritisch: Sie wandeln den größten Teil der verbrauchten Energie in sichtbares Licht und nicht in Infrarotstrahlung um.

Besonderheiten bei thermografischen Messungen im Freien

Infrarotstrahlung von einem klaren Himmel wird üblicherweise als "Strahlung des kalten Himmels" bezeichnet. Wenn der Himmel klar ist, werden die Strahlung des kalten Himmels (~ -50… -60 ° C) und die heiße Sonnenstrahlung (~ 5500 ° C) den ganzen Tag über reflektiert. Die Oberfläche des Himmels ist größer als die der Sonne; Die reflektierte Temperatur liegt daher bei thermografischen Messungen im Freien häufig unter 0 ° C, selbst wenn die Sonne scheint. In der Sonne erwärmen sich Objekte aufgrund der Absorption von Sonnenstrahlung. Dies beeinflusst eindeutig die Oberflächentemperatur - bis zu mehreren Stunden nach Sonneneinstrahlung.

Tipps und Tricks für thermografische Messungen im Freien

• Nehmen Sie früh morgens und / oder bei stark bewölktem Himmel Messungen vor. Vermeiden Sie jedoch Regen oder Schnee. Nebel oder starker Wind sind ebenfalls ungünstig.
• Ändern Sie Ihre Position während der Messung, um Reflexionen zu erkennen. Die Reflexionen bewegen sich, die thermischen Besonderheiten des Messobjekts bleiben an derselben Stelle - auch wenn sich der Betrachtungswinkel ändert.
• Vermeiden Sie Messungen in der Nähe von sehr heißen oder sehr kalten Objekten oder isolieren Sie diese.
• Vermeiden Sie direktes Sonnenlicht, auch einige Stunden vor der Messung. Beobachten Sie auch die Wolkendecke einige Stunden vor der Messung.
• Nehmen Sie keine Messungen vor, wenn Luftfeuchtigkeit auf der Wärmebildkamera kondensiert.
• Führen Sie keine Messungen durch, wenn die Luft stark verschmutzt ist (z. B. wenn gerade Staub aufgewirbelt wurde).

Theoretische Grundlagen der Thermografie

Erfahren Sie mehr über die physikalischen Grundlagen der Thermografie in unserem kompakten Tutorial. Dieses Wissen verschafft Ihnen einen Vorsprung, z. B. bei der korrekten Einstellung des Emissionsvermögens für jede Oberfläche.

Jedes Objekt, dessen Temperatur den absoluten Nullpunkt überschreitet (0 Kelvin = -273,15 ° C), sendet Infrarotstrahlung (IR-Strahlen) aus. Das menschliche Auge kann es jedoch nicht sehen, da es in diesem Wellenlängenbereich fast blind ist. Dies ist bei einer Wärmebildkamera nicht der Fall. Sein Herz, der Infrarotdetektor, ist empfindlich gegenüber IR-Strahlen. Abhängig von der Intensität der IR-Strahlen bestimmt es die Temperatur an der Oberfläche des Objekts und macht es dank eines Wärmebildes für das menschliche Auge sichtbar. Dieser Vorgang wird als Thermografie bezeichnet.

Um die IR-Strahlen sichtbar zu machen, zeichnet der Detektor sie auf, wandelt sie in elektrische Signale um, weist jedem Signal eine definierte Farbe zu und zeigt sie auf dem Bildschirm der Wärmebildkamera an. Grundsätzlich übersetzen Wärmekameras die Wellenlängen des Infrarotspektrums in Wellenlängen, die für das menschliche Auge wahrnehmbar sind (Farben).

Im Gegensatz zu einem relativ weit verbreiteten Missverständnis erlauben Wärmebildkameras nicht, in Objekte zu sehen, sondern nur deren Oberflächentemperatur zu identifizieren.

Emissionsvermögen, Reflexivität, Durchlässigkeit

Es ist hilfreich, diese Begriffe zu kennen, damit Sie eine Wärmebildkamera als effektives Werkzeug verwenden können.

Die von einer Wärmebildkamera aufgenommene Strahlung besteht aus der Emission, Transmission und Reflexion von Infrarotstrahlung, die von Objekten im Gesichtsfeld der Wärmebildkamera emittiert wird.

Durchlässigkeit (t)

Die Durchlässigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, IR-Strahlen durchzulassen (durchzulassen). Beispielsweise hat eine dünne Kunststofffolie eine sehr hohe Durchlässigkeit. Wenn wir daher die Temperatur eines dünnen Kunststofffilms messen möchten, der mit einer Wärmebildkamera vor einer Wand hängt, messen wir nicht die Temperatur des Films, sondern die der Wand. Die meisten Materialien lassen keine IR-Strahlen durch, so dass die Durchlässigkeit eines Materials normalerweise fast 0 beträgt und daher vernachlässigt werden kann.

Emissionsgrad (ε)

Emission ist die Fähigkeit eines Materials, IR-Strahlen zu emittieren. Diese Kapazität wird durch das Emissionsvermögen angezeigt. Dies hängt unter anderem vom Material selbst und den Eigenschaften seiner Oberfläche ab. Die Sonne hat zum Beispiel einen Emissionsgrad von 100 %. Dieser Wert wird jedoch nie täglich gefunden. Beton hat immer noch einen Emissionsgrad von 93 %. Dies bedeutet, dass 93% der IR-Strahlung wird vom Beton selbst emittiert.

Reflexivität (ρ)

Die 7 % die fehlen, sind Reflexionen von der Umgebung des zu messenden Materials / Objekts, d. h. der auf dem Objekt reflektierten Temperatur. Sowohl der Emissionsgrad als auch die reflektierte Temperatur können in Wärmebildkameras eingestellt werden, um ein möglichst genaues Wärmebild zu erzielen.

Die Beziehung zwischen Emission und Reflexion

• Messobjekte mit hohem Emissionsgrad (ε ≥ 0,8):

haben ein geringes Reflexionsvermögen (ρ): ρ = 1 - ε

ermöglichen sehr zuverlässige Messungen ihrer Temperatur mittels einer Wärmebildkamera

• Messobjekte mit einem durchschnittlichen Emissionsgrad (0,6

haben ein durchschnittliches Reflexionsvermögen (ρ): ρ = 1 - ε

ermöglichen zuverlässige Messungen ihrer Temperatur mittels einer Wärmebildkamera

• Messobjekte mit niedrigem Emissionsvermögen (ε ≤ 0,6):

haben ein hohes Reflexionsvermögen (ρ): ρ = 1 - ε

erlauben Temperaturmessungen mit einer Wärmebildkamera, aber ihre Ergebnisse müssen kritisch analysiert werden

erfordern eine korrekte Einstellung der reflektierten Temperaturkompensation, da dies in hohem Maße zur Temperaturberechnung beiträgt

Einstellung des Emissionsvermögens

Jedes Material hat ein anderes Emissionsvermögen. Um optimale Wärmebilder zu erhalten, muss der Emissionsgrad an der Kamera eingestellt werden.

Die korrekte Einstellung des Emissionsvermögens ist besonders wichtig, wenn die Temperaturunterschiede zwischen dem gemessenen Objekt und der Messumgebung groß sind.

• Wenn das zu messende Objekt eine höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur hat:

Ein zu hoher Emissionsgrad führt dazu, dass im Wärmebild zu niedrige Temperaturen angezeigt werden.

Ein zu niedriger Emissionsgrad führt dazu, dass im Wärmebild zu hohe Temperaturen angezeigt werden.

• Wenn das zu messende Objekt eine Temperatur unter der Umgebungstemperatur hat:

Ein zu hoher Emissionsgrad führt dazu, dass im Wärmebild zu hohe Temperaturen angezeigt werden.

Ein zu niedriger Emissionsgrad führt dazu, dass im Wärmebild zu niedrige Temperaturen angezeigt werden.

Beratung zum Emissionsgrad

• Je größer der Unterschied zwischen der Temperatur des Messobjekts und der Umgebungstemperatur ist und je niedriger der Emissionsgrad ist, desto größer sind die Messfehler. Diese Fehler werden verstärkt, wenn der Emissionsgrad schlecht eingestellt ist.
• Viele für das menschliche Auge transparente Materialien wie Glas sind für langwellige Infrarotstrahlen nicht durchlässig.
• Materialien mit geringer Durchlässigkeit umfassen beispielsweise dünne Kunststofffolien und Germanium, das Material, aus dem die Linsen und das Schutzglas von Testo-Wärmebildkameras hergestellt werden.
• Entfernen Sie gegebenenfalls alle Abdeckungen vom Messobjekt. Andernfalls misst die Wärmebildkamera nur die Temperatur an der Oberfläche der Abdeckung.
• Beachten Sie immer die Gebrauchsanweisung des Messobjekts.
• Wenn Elemente unter der Oberfläche durch Wärmeleitung die Temperaturverteilung an der Oberfläche des Messobjekts beeinflussen, ist es häufig möglich, die inneren Strukturen des Messobjekts auf dem Wärmebild zu identifizieren. Die Wärmebildkamera misst jedoch nur die Oberflächentemperatur. Es ist daher nicht möglich, genaue Rückschlüsse auf die Temperaturwerte der Elemente innerhalb des Messobjekts zu ziehen.

Gesichtsfeld und Messpunkt

Grundlegende Informationen, um die technischen Eigenschaften einer Wärmebildkamera bewerten zu können.

Das Gesichtsfeld (FOV)

Das Gesichtsfeld (auch als "Sichtfeld" oder "FOV" bezeichnet) beschreibt die mit einer Wärmebildkamera sichtbare Oberfläche. Dies hängt vom verwendeten Objektiv ab. Ein Weitwinkelobjektiv bietet ein großes Sichtfeld, ein Teleobjektiv bietet eine gute räumliche Auflösung. Je größer das Gesichtsfeld ist, desto größer ist der Bereich, den Sie sehen können. Ein weites Sichtfeld (> 30 °) ist besonders interessant, wenn Sie Ihre Wärmebildkamera in Innenräumen verwenden. Dies liegt daran, dass Sie sich an Wänden oft nicht weit genug vom Messobjekt entfernen können, um mehr zu sehen.

Das kleinste messbare Objekt / Der Messpunkt (IFOVmeas)

Das kleinste messbare Objekt beschreibt das kleinste Objekt, das nicht nur erfasst wird, sondern dessen Temperatur zuverlässig gemessen werden kann. Wenn die räumliche Auflösung des Objektivs 3,5 mrad und der Messabstand 1 m beträgt, hat das kleinste erkennbare Objekt 3,5 mm Seiten und wird unten als Pixel angezeigt. 'Bildschirm. Um genaue Messungen zu erhalten, sollte das zu messende Objekt 2-3 mal größer sein als das kleinste nachweisbare Objekt. Die folgende Regel gilt daher für das kleinste messbare Objekt (IFOVmeas): IFOVmeas ≈ 3 x IFOVgeo

Kleinstes nachweisbares Objekt (IFOVgeo)

Das kleinste erkennbare Objekt ist die kleinste Dimension, die durch ein Pixel identifiziert werden kann. Ein Pixel ist ein Element auf dem Detektor der Wärmebildkamera, das IR-Strahlen aufzeichnet und in elektrische Signale umwandelt. Jedes Pixel entspricht einem Messwert.

Die Emissionsgrade der gängigsten Materialien

Die folgende Tabelle dient als Referenz zum Einstellen des Emissionsvermögens in der Thermografie. Es gibt das Emissionsvermögen & epsi; für einige übliche Materialien an. Da das Emissionsvermögen je nach Temperatur und Eigenschaften der Oberflächen variiert, können die hier angegebenen Werte nur als Referenzwerte betrachtet werden. Um den absoluten Temperaturwert zu messen, muss der Emissionsgrad des Materials genau bestimmt werden.

Material und Materialtemperatur Emissionsgrad

Aluminium, laminiert (170 ° C) 0,04

Aluminium, nicht oxidiert (25 ° C) 0,02

Aluminium, nicht oxidiert (100 ° C) 0,03

Aluminium, stark oxidiert (93 ° C) 0,2

Aluminium, extrem poliert (100 ° C) 0,09

Baumwolle (20 ° C) 0,77

Beton (25 ° C) 0,93

Blei (40 ° C) 0,43

Blei, oxidiert (40 ° C) 0,43

Blei, grau oxidiert (40 ° C) 0,28

Chrom (40 ° C) 0,08

Chrom, poliert (150 ° C) 0,06

Eis, glatt (0 ° C) 0,97

Eisen, Schmirgel poliert (20 ° C) 0,24

Bügeleisen mit Gussschale (100 ° C) 0,8

Eisen mit rollender Kruste (20 ° C) 0,77

Glas (90 ° C) 0,9

Gips (20 ° C) 0,94

Granit (20 ° C) 0,45

Gummi, hart (23 ° C) 0,94

Gummi, flexibel, grau (23 ° C) 0,89

Gusseisen, oxidiert (200 ° C) 0,64

Holz (70 ° C) 0,94

Kork (20 ° C) 0,7

Kühlkörper, schwarz verzinkt (50 ° C) 0,98

Kupfer leicht angelaufen (20 ° C) 0,04

Kupfer, oxidiert (130 ° C) 0,76

Kupfer, poliert (40 ° C) 0,03

Kupfer, laminiert (40 ° C) 0,64

Kunststoffe: PE, PP, PVC (20 ° C) 0,94

Lack, blau, auf Aluminiumfolie (40 ° C) 0,78

Lack, schwarz, matt (80 ° C) 0,97

Lack, gelb, 2 Schichten, auf Aluminiumfolie (40 ° C) 0,79

Lack, weiß (90 ° C) 0,95

Marmor, weiß (40 ° C) 0,95

Mauerwerk (40 ° C) 0,93

Messing, oxidiert (200 ° C) 0,61

Ölfarben (alle Farben) (90 ° C) 0,92-0,96

Papier (20 ° C) 0,97

Porzellan (20 ° C) 0,92

Steinzeug (40 ° C) 0,67

Stahl, heißbehandelte Oberfläche (200 ° C) 0,52

Stahl, oxidiert (200 ° C) 0,79

Stahl, kaltgewalzt (93 ° C) 0,75-0,85

Ton, gebrannt (70 ° C) 0,91

Transformatorlack (70 ° C) 0,94

Ziegel, Mörtel, Gips (20 ° C) 0,93

Zink, oxidiert 0,1