18  Thermografische Messtechniken

18.1  Einleitung

Eine Infrarotkamera misst die von einem Objekt abgegebene Infrarotstrahlung und bildet sie ab. Da die Infrarotstrahlung eine Funktion der Oberflächentemperatur eines Objekts ist, kann die Kamera diese Temperatur berechnen und darstellen.
Die von der Kamera gemessene Strahlung hängt jedoch nicht nur von der Temperatur des Objekts, sondern auch vom Emissionsgrad ab. Auch aus der Umgebung des Objekts stammt Strahlung, die im Objekt reflektiert wird. Die Strahlung des Objekts und die reflektierte Strahlung werden auch von der Absorption der Atmosphäre beeinflusst.
Um Temperaturen messen zu können, müssen die Auswirkungen verschiedener Strahlungsquellen kompensiert werden. Dies wird von der Kamera automatisch durchgeführt. Der Kamera müssen jedoch die folgenden Objektparameter übermittelt werden:
  • Der Emissionsgrad des Objekts
  • Die reflektierte scheinbare Temperatur
  • Der Abstand zwischen Objekt und Kamera
  • Die relative Luftfeuchtigkeit
  • Die Atmosphärentemperatur

18.2  Emissionsgrad

Der Objektparameter, bei dem eine richtige Einstellung am wichtigsten ist, ist der Emissionsgrad. Dieser Wert gibt an, wie viel Strahlung das Objekt im Vergleich zu einem völlig schwarzen Objekt abgibt.
In der Regel gelten für Objektwerkstoffe und Oberflächenbeschichtungen Emissionsgrade von etwa 0,1 bis 0,95. Der Emissionsgrad einer hochpolierten Oberfläche (Spiegel) liegt unter 0,1, während eine oxidierte oder gestrichene Oberfläche einen höheren Emissionsgrad aufweist. Ölfarbe hat unabhängig von der Farbe im sichtbaren Spektrum im Infrarotbereich einen Emissionsgrad von über 0,9. Der Emissionsgrad der menschlichen Haut liegt zwischen 0,97 und 0,98.
Nicht oxidierte Metalle stellen einen Extremfall für perfekte Opazität und hohe Reflexivität dar, die sich mit der Wellenlänge kaum verändert. Daher ist der Emissionsgrad von Metallen niedrig und steigt lediglich mit der Temperatur an. Bei Nichtmetallen ist der Emissionsgrad im Allgemeinen höher und nimmt mit sinkender Temperatur ab.

18.2.1  Ermitteln des Emissionsgrades eines Objekts

18.2.1.1  Schritt 1: Bestimmen der reflektierten Strahlungstemperatur

Die reflektierte scheinbare Temperatur können Sie mit einer der folgenden Methoden bestimmen:
18.2.1.1.1  Methode 1: Direkte Methode
    Gehen Sie folgendermaßen vor:
  1. Suchen Sie nach möglichen Reflektionsquellen und beachten Sie hierbei Folgendes: Einfallswinkel = Reflektionswinkel (a = b).
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    Abbildung 18.1  1 = Reflektionsquelle

  2. Wenn es sich bei der Reflektionsquelle um einen Punkt handelt, verdecken Sie sie mit einem Stück Karton.
    Graphic

    Abbildung 18.2  1 = Reflektionsquelle

  3. Messen Sie die Intensität der von der Reflektionsquelle ausgehenden Strahlung (= scheinbare Temperatur) unter Verwendung der folgenden Einstellungen:
    • Emissionsgrad: 1,0
    • Dobj : 0
    Sie können die Intensität der Strahlung mit einer der folgenden beiden Methoden ermitteln:
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    Abbildung 18.3  1 = Reflexionsquelle

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    Abbildung 18.4  1 = Reflexionsquelle

Die reflektierte scheinbare Temperatur kann nicht mit einem Thermoelement gemessen werden, da ein Thermoelement die Temperatur misst, die scheinbare Temperatur jedoch eine Strahlungsintensität ist.
18.2.1.1.2  Methode 2: Reflektormethode
    Gehen Sie folgendermaßen vor:
  1. Knüllen Sie ein großes Stück Aluminiumfolie zusammen.
  2. Streichen Sie die Aluminiumfolie wieder glatt und befestigen Sie sie an einem Stück Karton mit derselben Größe.
  3. Platzieren Sie den Karton vor dem Objekt, an dem Sie die Messung durchführen möchten. Die Seite, an der die Aluminiumfolie befestigt ist, muss zur Kamera zeigen.
  4. Stellen Sie als Emissionsgrad 1,0 ein.
  5. Messen Sie die scheinbare Temperatur der Aluminiumfolie und notieren Sie sie. Die Folie ist ein perfekter Reflektor, ihre scheinbare Temperatur entspricht der reflektierten scheinbaren Temperatur der Umgebung.
    Graphic

    Abbildung 18.5  Messen der scheinbaren Temperatur der Aluminiumfolie.

18.2.1.2  Schritt 2: Ermitteln des Emissionsgrades

    Gehen Sie folgendermaßen vor:
  1. Wählen Sie die Stelle aus, an der das Messobjekt platziert werden soll.
  2. Ermitteln Sie die reflektierte Strahlungstemperatur und stellen Sie sie ein. Gehen Sie hierbei wie oben angegeben vor.
  3. Kleben Sie ein Stück Isolierband mit bekanntem, hohem Emissionsgrad auf das Objekt.
  4. Erwärmen Sie das Objekt auf mindestens 20 K über Raumtemperatur. Die Erwärmung muss gleichmäßig erfolgen.
  5. Stellen Sie den Fokus ein, verwenden Sie die automatische Abgleichfunktion der Kamera und erzeugen Sie ein Standbild.
  6. Stellen Sie Level und Span ein, um optimale Bildhelligkeit und optimalen Kontrast zu erzielen.
  7. Stellen Sie den Emissionsgrad des Isolierbandes ein (in der Regel 0,97).
  8. Messen Sie die Temperatur des Bandes mit Hilfe einer der folgenden Messfunktionen:
    • Isotherme (Hiermit können Sie feststellen, wie hoch die Temperatur ist und wie gleichmäßig das Messobjekt erwärmt wurde)
    • Punkt (einfach)
    • Rechteck Durchschn. (besonders geeignet für Oberflächen mit variierendem Emissionsgrad).
  9. Notieren Sie die Temperatur.
  10. Verschieben Sie Ihre Messfunktion zur Objektoberfläche.
  11. Ändern Sie die Emissionsgradeinstellung, bis Sie dieselbe Temperatur wie bei Ihrer letzten Messung ablesen.
  12. Notieren Sie den Emissionsgrad.

18.3  Reflektierte scheinbare Temperatur

Dieser Parameter dient als Ausgleich für die Strahlung, die im Objekt reflektiert wird. Wenn der Emissionsgrad niedrig ist und die Objekttemperatur sich relativ stark von der reflektierten Temperatur unterscheidet, muss die reflektierte scheinbare Temperatur unbedingt korrekt eingestellt und kompensiert werden.

18.4  Abstand

Der Abstand ist die Entfernung zwischen dem Objekt und der Vorderseite des Kameraobjektivs. Dieser Parameter dient zur Kompensation folgender Gegebenheiten:
  • Die vom Messobjekt abgegebene Strahlung wird von der Atmosphäre zwischen Objekt und Kamera absorbiert.
  • Die Atmosphärenstrahlung an sich wird von der Kamera erkannt.

18.5  Relative Luftfeuchtigkeit

Die Kamera kann auch die Tatsache kompensieren, dass die Übertragung zudem von der relativen Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre abhängt. Dazu stellen Sie die relative Luftfeuchtigkeit auf den richtigen Wert ein. Für kurze Abstände und normale Luftfeuchtigkeit können Sie für die relative Luftfeuchtigkeit normalerweise den Standardwert von 50 % beibehalten.

18.6  Weitere Parameter

Darüber hinaus können Sie mit einigen Kameras und Analyseprogrammen von FLIR Systems folgende Parameter kompensieren:
  • Atmosphärentemperatur, d. h. die Temperatur der Atmosphäre zwischen Kamera und Messobjekt.
  • Temperatur externe Optik, d. h. die Temperatur der vor der Kamera verwendeten externen Objektive und Fenster.
  • Transmissionsgrad der externen Optik – d. h.die Durchlässigkeit von externen Objektiven oder Fenstern, die vor der Kamera verwendet werden.