Vorteile und Probleme der Infrarottechnik

Im allgemeinen treten die Hersteller von Wärmebildkameras mit dem Anspruch auf, Temperaturfelder mit verblüffend geringen Fehlern zu messen. Sämtliche Probleme und Fehlerquellen, die für Pyrometer angesprochen wurden, gelten auch für Wärmebildkameras. Die thermische Auflösung einer IR-Kamera (< 0.08 K) ist in der Bestimmung von Absoluttemperaturen nicht besser als bei vergleichbaren Pyrometern ! In der Praxis steht diese Frage oft nicht im Vordergrund. Wichtiger sind relative Unterschiede. Zum Beispiel erkennt man zweifelsfrei die schlechte Durchblutung bei einem Patienten mit Raucherbein. Die tatsächliche Hautoberflächentemperatur spielt eine untergeordnete Rolle u. bestimmt sich im speziellen Fall natürlich auch aus den Strahlungsverhältnissen im Raum (sowie vielen anderen Faktoren). Der Vergleich mit dem ″gesunden″ Bein ist viel aussagekräftiger. Der Vorteil der Thermografie liegt in der bildhaften Darstellung beim Aufspüren von ″Schwachstellen″, ob dies nun Hot-Spots in Mikrochips, Problemstellen an Druckgußformen, schadhafte Isolatoren an Hochspannungsleitungen, Isolationsschäden an einem Gebäude, bzw. einer Anlage sind, oder ob durch starke Rauchschwaden hindurch, der eigentliche Brandherd von der Feuerwehr erkannt werden muß. Auch zahlreiche Anwendungen aus dem Bereich der Materialuntersuchung fordern meist keine absoluten Temperaturinformationen.

Fehlerquellen in der Infrarotmessung

Die Qualität einer Messung wird neben der gerätetechnischen Ausstattung immer auch von der verwendeten Sorgfalt und dem Meßproblem abhängen. Der physikalische Sachzusammenhang bei der Messung sollte hinreichend bekannt sein. Weiter sollte bei Herstellerangaben kritisch geprüft werden, ob die angegebene Auflösung unter Umständen nur bei ″idealen″ Bedingungen erreichbar ist. Zur absoluten Temperaturgenauigkeit wird weiter unten einiges gesagt . Dies klingt alles etwas pessimistisch, so ist es aber nicht gemeint. Die Vorteile der berührungslosen Temperaturmessung liegen auf der Hand. Pyrometrische Meßverfahren haben sich über Jahrzehnte bewährt. Ein weiterer Punkt, der oft übersehen wird, soll ebenfalls angesprochen werden. Die absolute Temperatur einer Oberfläche ist sehr oft weitgehend unwichtig bzw. von nachrangigem Interesse. Im betrieblichen Meßalltag will man häufig Schwachstellen auffinden z.B. durch Detektion von zu hohen oder untypisch niedrigen Temperaturen. Damit erhält der meßtechnische Vergleich zwischen ähnlichen aber vergleichbaren Anlagenteilen oft mehr Aussagekraft als der reine Temperaturwert einer einzelnen Messung. Damit macht die meist sehr gute Temperaturauflösung, die die Hersteller angeben, wieder einen Sinn. Sehen Sie also die angegebenen Auflösungen durchaus als ein wichtiges Qualitätskriterium an. Bleiben Sie aber bei den Angaben von absoluten Temperaturen kritisch.

Stichpunktartig hier einige Fehlerquellen die aus der Messung resultieren:

• Emissionsgrad ungenügend bekannt
• Durch Auftrag von Deckschichten wird der Emissionsgrad zwar stark angehoben, allerdings wird die Messstelle zusätzlich thermisch isoliert und damit eine falsche Temperatur gemessen.
• Messfeld ist nicht homogen temperiert
• Empfänger (nur Pyrometer) ″integriert″ über einen Bereich der nicht der Meßaufgabe entspricht (z.B. kalte oder heiße Nachbarbereiche Schlackenteile auf einer Schmelze).
• Der eigentlichen Temperaturstrahlung ist eine vom Meßobjekt reflektierte Hintergrund- bzw. Störstrahlung überlagert, die nicht korrigiert werden kann.
• Die zwischen Meßobjekt und Pyrometer liegende Übertragungsstrecke wird vom spektralen Einfluß her unterschätzt.
• An blanken Metalloberflächen kommt zu den vorgenannten Schwierigkeiten noch das Problem der starken Winkelabhängigkeit des Emissionsgrades dazu. Im Winkelbereich 70°...80° zur Flächennormalen tritt hier das Maximum auf. Dies ist bspw. bei Messungen im Druckguß wichtig, wo i.d.R. immer schräg zur Form gemessen werden muß. Je blanker (spiegelnder) die Oberflächenqualität eines metallischen Werkstoffes ist, um so ausgeprägter ist im allg. diese ″Anomalie″.

Dieses und die vorgenannten Probleme lassen verstehen, warum die blanken Metalle der Messung durch Pyrometer oder Thermografiesysteme schlecht zugänglich sind. In der Meßpraxis sollte man Meßprobleme, die auf eine Bewertung der Oberflächentemperatur an blanken Metallen hinauslaufen, möglichst vermeiden. In vielen Fällen kann man sich durch den Auftrag dünner dielektrischer Schichten etwas behelfen (Lack, Sprühlack, Abziehlack...). Hierbei ist natürlich zu prüfen, ob die Veränderung des Emissionsgrades die zu prüfende Fläche in ihrer Temperatur nicht so stark verändert, daß die Messung sinnlos wird. Der Auftrag von Farbspray kühlt die Oberfläche (bes. bei wasserverdünnbaren Lacken). Hier ist gutes physikalisches Allgemeinverständnis sehr hilfreich und erleichtert die Bewertung des Einzelproblems. Ein Negativbeispiel soll dies drastisch verdeutlichen: Die Temperatur einer sich langsam drehenden blanken Metallwalze wird durch den Strahlungsaustausch einer naheliegenden Ofenwand bestimmt. Soll nun aus den oben genannten Gründen ein schmaler Walzenbereich durch Lackauftrag der Temperaturmessung zugänglicher gemacht werden. Wegen des höheren Emissionsgrades des Lackes wird hier mehr Strahlung vom Ofen absorbiert und die gemessene Temperatur ist nicht mehr repräsentativ.

Es handelt sich hier um eine Prägevorrichtung für Zellstoffe. Die Walzen sind homogen temperiert. Teile der Oberfläche sind schwarz lackiert, damit die IR-Messung überhaupt möglich wird. Diese Zonen sind deutlich wärmer, erkennbar an den roten bzw. weissen Flächen.