Thermografiekameras-Aufbau


eMail senden

Anschrift:

Harald Schweiger
Schmiedestraße 1
D-99707 Kyffhäuserland

Tel.: 03632-700194
Fax: 03632-544902
Funk: 0172- 7145760

Mail
thermo@online.de

Link zum Verkauf von FLIR Wärmebildkameras und Zubehör
Link zum Vergleich unterschiedlich auflösender Systeme

Frühe Modelle und aktuelle High End Kameras arbeiten mit (tief-)gekühltem Sensor. Dies reduziert das Bildrauschen bzw. sensibilisiert den Detektor im IR. Verwendet wird Flüssigstickstoff (-196°C), Peltierelemente (bis -100°C) und Stirlingkühler (-196°C). Gekühlte Quanten-Detektoren haben gegenüber Bolometern (therm. Wiederstandsarrays) Vorteile bezüglich Empfindlichkeit (0,013 K, Bolometer 0,05 K) und Geschwindigkeit (bis >10.000 Bilder/Sek., Bolometer <60 Bilder/Sek.). Die Flüssigstickstoffkühlung ist nicht mehr zeitgemäß, weil umständlich. Der Kamerawinkel ist stark eingeschränkt und nach 2...3 Std. muß Stickstoff nachgefüllt werden. Scanner sind im Baubereich mit guten Ergebnissen verwendbar, haben aber eigentlich ausgedient, weil sehr langsam (~ 1 Bild/Sek.)

Kühler von IR-Kameras
Aufbau eines Stirlingkühlers (FLIR)
Prinzip des Stirlingkühlers

Scannende Systeme

Scannende Systeme (Prinizp)

FPA-Bolometerkameras (Focal Plane Array)
Der Detektor besteht aus einer wärmeempfindlichen Widerstandsmatrix mit 18.000...78.000 Einzelsensoren (Mai 2006), die gleichzeitig "belichtet" werden. Da die Erwärmung erst wieder abklingen muß, sind Bildfrequenzen bis 60 Hz möglich. Es gibt thermische Beeinflussung der einzelnen Pixel untereinander die dazu führt, daß an den Rändern der Matrix andere Meßgenauigkeit herrscht. Hieraus leitet sich auch die im Vergleich zur Digitalfotografie geringe Pixelzahl ab. Die Bolometer sind Stand der Technik (2006) und aufgrund des robusten Aufbaus, ohne mech. Verschleißteile und guten Handlings weltweit am häufigsten eingesetzt. Die Meßgenauigkeit liegt bei +/-2 K bzw. +/- 2% vom Meßwert. Die thermische Auflösung bewegt sich zw. 0,05 K und 0,2 K. Jedes Bolometer hat eine systembedingte Temperaturdrift, die in kurzen Zeitabständen regelmäßig kompensiert werden muß (wenige Minuten). In diesem wichtigen Kriterium unterscheiden sich die angebotenen Geräte teilweise dramatisch. Insbesondere die in China dreist kopierten aktuellen IR-Kameras weisen Schwächen auf. Es ist noch unmöglich Detektoren ohne "tote Pixel" herzustellen. Treten sie vereinzelt auf, werden Nachbarpixel zur Interpolation benutzt. Sind ganze Cluster betroffen (mehrere benachbarte Pixel), ist dies im IR-Bild als heller, oder dunkler Bereich sichtbar. Da jedes Pixel eine individuelle, nichtlineare Kennlinie aufweist, ist die Korrektur der Rohdaten für jeden Detektorpixel erforderlich. Die Stabilität der Bolometerkennlinie ist nach meiner Erfahrung mit einer FLIR Kamera sehr gut (mehrere Jahre nahezu unverändert ).
Prinzip der FPA-Kameras
Mikrobolometer einer FLIR Kamera
Gekühlte FPA-Kameras
Sämtliche IR-Kameras mit kurzwelligem Detektor (2...5 µm), aber auch langwellige High End Kameras mit Quanten- Detektor sind tiefgekühlt. Für Forschung und millitärsiche Zwecke werden derzeit Pixelzahlen bis ~400.000 realisiert (800 x 512). Hochgeschwindigkeitskameras sind insbesondere in der zerstörungsfreien Materialprüfung (zfP) im Einsatz. Hier wird "aktive Thermografie" betrieben, indem eine Oberfläche mit Wärme (Halogenlampe, Blitz, Laser, induktiv oder mit Ultraschall) beaufschlagt wird. Die Wärme dringt ein und das "Echo" registriert die Kamera. Unregelmäßigkeiten im Schichtaufbau, Delaminationen, Haarrisse, Wassereinschlüsse u.v.m. lassen sich so ohne Beschädigung des Materials prüfen. Hierbei kommen mathematische Methoden zum Einsatz, um Amplituden- und Phasenbild zu trennen. Nähere Informationen hierzu sind unter www.vision.fraunhofer.de zu bekommen (Leitfaden zur Wärmefluss-Thermographie). Praktische Messungen führt die Automation Technology GmbH Trittau durch. Ich befasse mich immer öfter auch damit, nutze hierfür Hard- und Software von Automation Technology.
Unterschiedliche Wellenlängen
Physikalisch bedingt eignen sich nur einige Spektralbereiche für IR-Messungen, sog. spektrale Fenster. Dazwischen dämpft Kohlendioxid und Wasserdampf das Signal sehr stark. Von den Thermografiekameras werden drei Bereiche abgedeckt:
  • NIR - Nahes Infrarot 0,5...2 µm
  • MWIR - Kurzwelliges Infrarot 3...5,5 µm (auch SW - short wave)
  • LWIR - Langwelliges Infrarot 7....14µm (auch LW - long wave)
Jeder Spektraklbereich eignet sich für unterschiedliche Anwendungen. So ist im kurzwelligen IR hervorragende Bildqualität möglich und es können mit Hilfe spezieller Filter heiße Gase, aber auch Temperaturen von Folien gemessen werden. Hier "sieht" eine Langwellenkamer glatt hindurch. Nachteil: je näher man ans sichtbare Licht kommt, um so mehr wirken sich Reflexionen kurzwelliger Strahler aus (Sonne).
Die Zukunft wird wahrscheinlich mehr KW-Geräte bringen (High End Segment, hoffentlich bald preiswerter). Problematisch in Bezug auf Störanfälligkeit und Stromverbrauch ist die erforderliche Tiefkühlung. Hinweis : Laser strahlen extrem energiereich in einer festen Wellenlänge, je nach Typ im NIR (YAK bei 1,2 µm) oder im LWIR (CO2 bei 10,6 µm). So ist es wirklich nicht zu empfehlen, mit einer LW-Kamera CO2 Laser zu messen. Die Folgen des Auftreffens von Steustrahlung sind fatal. Der Sensor wird förmlich "zerschnitten". Arbeitet man in der gleichen Aplikation mit einer KW-Kamera ist die Gefahr sehr viel geringer, da sie den Laser nicht "sieht". Die auftreffende Energie kann dem Sensor trotzdem schaden. Also Filter verwenden !


Vergleich Kurzwelle/Langwelle bei Sonnenstrahlung


Firmenprofil | SiteMap | Impressum | Kontakt | ©2015 Industriethermografie Schweiger