Infrarot-Thermografie

Thermografie ist ein Infrarot-Temperaturmessverfahren, bei dem berührungslos die Intensität der elektromagnetischen Strahlung eines Körpers gemessen wird. Messtechnisch realisiert wird dies durch Pyrometer (Strahlungsthermometer) oder Wärmebildkameras. Dabei wird ausgenutzt, dass jeder Körper oberhalb der absoluten Nullpunkttemperatur (-273,15 °C) elektromagnetische Strahlung aussendet. Für die menschlichen Sinne bleibt die Welt der Wärmestrahlung größtenteils verborgen. Während der für unsere Augen sichtbare Spektralbereich bei Wellenlängen zwischen 0,38 μm (Blau) und 0,78 μm (Rot) liegt, spricht man im Bereich zwischen 1 und 14 μm vom thermischen Infrarot. Die heutige moderne Technik kann mit Mikrobolometer-Kameras Teile dieser Wellenlängenbereiche sowohl geometrisch als auch thermisch hochauflösend darstellen. Sie macht es dem Menschen möglich, das eigentlich Unsichtbare sichtbar zu machen. Die IR-Sensortechnik wurde beginnend mit den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts aus Elementen der Fernsehtechnik entwickelt. Einen großen Entwicklungsschub gab es dann in den 1950 und 1960er Jahren zunächst durch militärische Anwendungen, z.B. Infrarot-Zielsuchköpfe für Raketen. Praxistaugliche Geräte in handhabbarer Form gibt es zu bezahlbaren Preisen erst seit etwa 15 bis 20 Jahren.

Der Klassiker in der Anwendung ist seit vielen Jahren die Gebäudethermografie. Energieeinsparung und Wärmeschutz sind in Zeiten steigender Energiepreise eine zwingende und auch lohnende Aufgabe. Auf der Suche nach „Wärmebrücken“ (Pfeile in Bild 1) leistet eine Wärmebildkamera dabei unschätzbare Dienste.

Ob auf Dächern installiert oder als Freiflächenanlage, die Photovoltaik ist in den letzten Jahren zu einem interessanten Aufgabengebiet für den Thermografen geworden. Statt der mühsamen elektrischen Einzelprüfung der Photovoltaikmodule kann mit einer Thermokamera sehr schnell ein Überblick über die gesamte Anlage und damit mögliche Fehler und Defekte gewonnen werden. Die beiden markierten Messpunkte (Bild 2) zeigen den Wärmeunterschied von Solarmodulen und weisen auf einen Fehler hin. Die Ursache war im konkreten Fall eine falsche Verschaltung der Felder mit den Wechselrichtern.

Ein weiteres großes Einsatzfeld erschließt sich für die Wärmebildtechnik im Rahmen der technischen Fehlererkennung und Instandhaltung. Im handwerklichen und industriellen Umfeld liegt der besondere Vorteil darin, dass dies bei laufendem Betrieb einer Anlage passieren kann. Die Infrarot-Thermografie ist eine effektive Methode für die vorbeugende Instandhaltung von Anlagen und Betriebsmitteln. Anhand thermografischer Analysen können, ohne Abschaltung der Anlage, Schäden und Schwachstellen transparent gemacht und frühzeitig erkannt werden. Anlagenausfälle können hierdurch vermieden und Instandhaltungsmaßnahmen rechtzeitig geplant werden (Bild 4).

Neben dem mobilen Einsatz von Wärmebildkameras gewinnt aber auch die stationäre Prozessüberwachung zunehmend an Bedeutung. Ob zur Temperaturüberwachung eines Schmelzofens oder zur vorbeugenden Brandkontrolle einer Mülldeponie, hier überall kann die Infrarot-Messtechnik ihre besonderen Vorteile ausspielen, völlig unabhängig von Tages- und Nachtzeit oder Wetter und auch vollautomatisch arbeitend. Ein entscheidender Vorteil beim Einsatz einer Wärmebildkamera liegt auch darin, dass man ein Messobjekt über große Entfernungen (mehrere hundert Meter) anzeigen kann. Gefährliche Objekte, z.B. rotierende Anlagenteile oder Anlagen unter Hochspannung, können aus sicherer Entfernung gefahrlos vom Thermografen begutachtet werden (Bild 3). 

Hohe Temperaturen z.B. einer Metallschmelze sind mit einer geeigneten Kamera genauso wenig ein Problem, wie die Suche nach Gaslecks in einer Biogasanlage. Da berührungslos gemessen wird, ist die Kontaminierung von Lebensmitteln (z.B. Gefriergut) ausgeschlossen. Empfindliche Oberflächen werden nicht beschädigt, wie dies beim Einsatz eines Kontaktthermometers unvermeidlich wäre. Die IR-Thermografie ist somit eine unverzichtbare Inspektionshilfe und leistet einen wichtigen Beitrag zur Früherkennung von Schäden.

Voraussetzung für eine fachgerechte Thermografie ist eine professionelle Beherrschung der Technik. Ohne einige Grundkenntnisse physikalischer Zusammenhänge erschließt sich die Welt der „bunten Bilder“ nicht wirklich. Die physikalischen Grundlagen stammen dabei von so berühmten Namen wie den Physikern Herschel, Planck, Stefan, Boltzmann und Wien. Ihre Entdeckungen, Forschungen und daraus formulierten Gesetze ermöglichen es, die thermischen Eigenschaften eines Körpers sichtbar zu machen. Und damit zum Anwender der Thermografie, den Thermografen. Leider ist diese Berufsbezeichnung in Deutschland nicht geschützt. Wer glaubt, mit den am Markt angebotenen Geräten nach dem Lesen der Gebrauchsanweisung verlässliche und fundierte Aussagen treffen zu können, der irrt. Ob günstiges Einsteigergerät oder teure Highendkamera, das nötige Fachwissen erst erlaubt eine exakte Kamerabedienung und mehr noch, die fachgerechte Auswertung der thermografischen Bilder.

Wie funktioniert der Mechanismus der Wärmeübertragung in meinem Prüfobjekt? Wieso erkenne ich die Lage des Fachwerks in der eigentlich verputzten Wand? Wie ist meine Maschine oder meine Anlage konstruiert. Sehe ich einen wirklichen „hotspot“ (beispielsweise eine Wärmebrücke) oder die reflektierte Temperatur eines anderen Körpers? Nur mit entsprechenden Fachkenntnissen kann man die in einem Thermogramm erkennbaren thermischen Signaturen korrekt interpretieren (Bilder 5 und 6).

Um die Funktionsweise einer Thermokamera zu verstehen, ist aber ebenso ein Ausflug in die Optik nötig. Wie in jeder (optischen) Digitalkamera sind in einem Strahlungsmessgerät auch Linsensysteme verbaut, nur eben für andere Wellenlängenbereiche, nämlich infrarote Strahlung. Dies erklärt auch die eigenartige kupferfarbene Optik von Wärmebildkameras, die i.d.R. aus speziell vergüteten Germaniumlinsen besteht.

Um gerade im TGA-Bereich eine konkrete Messaufgabe lösen zu können, muss die minimale geometrische Auflösung der Kamera beachtet werden. Die exakte Temperaturmessung an einem Rohr (Bild 7) oder gar an einem Elektrokabel setzt natürlich die Kenntnis dieser Kameraeigenschaften und Einhaltung des korrekten Abstands voraus. Einige Grundkenntnisse über optische Gesetze und die Anwendung des Dreisatzes können also nicht verkehrt sein. So sind in der Praxis immer wieder fehlerhafte Messungen beispielsweise mit Infrarotthermometern zu beobachten. Da die Messfleckgröße eines Infrarotthermometers deutlich größer als der Kabeldurchmesser ist, kann die Temperaturaussage in diesem Fall nur als fahrlässig bezeichnet werden. Die sich ergebende Mischtemperatur aus Kabeltemperatur und Hintergrundtemperatur liefert einen völlig falschen Wert. Dass möglicherweise schon Brandgefahr besteht, kann auf diese Art und Weise der Messung nicht erkannt werden. Durch die Verwendung einer guten Wärmebildkamera mit tausenden von Messpunkten kann dieses Problem in der Praxis gelöst werden. Aber analog gelten diese Aussagen selbstverständlich auch für die Anwendung mit einer Wärmebildkamera.