Thermografie und radiometrische Eigenschaften

Entdecken Sie die Grundlagen der Thermografie und die radiometrischen Eigenschaften, die für genaue Temperaturmessungen mit Infrarotkameras unerlässlich sind. Erfahren Sie mehr über die Faktoren, die das Sichtfeld und den Emissionsgrad beeinflussen, sowie darüber, wie sich Umgebungsbedingungen auf die Genauigkeit Ihrer Infrarotmessungen auswirken.

Auf dieser Seite

Ansehen

Details

Sichtfeld und Temperaturmessung

Die folgende Abbildung zeigt das horizontale (HFOV) und vertikale (VFOV) Sichtfeld. Je nach Entfernung der Kamera zur beobachteten Szene nimmt die maximale Szenenbreite zu. Mit zunehmender Entfernung ändert sich die Auflösung des zu messenden Objekts.

Da bei realen optischen Systemen eine gewisse Unschärfe unvermeidbar ist, sollte das zu messende Objekt mindestens 3 Pixel groß sein, um ein genaues Messergebnis zu erhalten.

Thermografische Grundlagen der radiometrischen Temperaturmessung

Dieses Kapitel soll einen kurzen Überblick über die radiometrische Temperaturmessung mit Infrarotkameras geben. Voraussetzung für eine Temperaturmessung mit der IRSX ist, dass die Kamera kalibriert ist. Dies lässt sich anhand des GenICam-Knotens „Radiometric Control“ in den Kameraeigenschaften erkennen.

Die Kameraserie IRSX ist ausschließlich mit Wärmesensoren ausgestattet. Ein wesentliches Merkmal dieser Sensoren ist die direkt proportionale Beziehung zwischen der von einem Objekt auf den Detektor einfallenden Strahlungsenergie und dem Messwert. Die Strahlungsenergie hängt nichtlinear von der Objekttemperatur ab und wird sowohl von den Umgebungsbedingungen als auch von den Objektparametern beeinflusst.

Um die Temperatur eines Objekts anhand seiner Infrarotstrahlung messen zu können, ist es unerlässlich, einige Parameter der Messsituation zu kennen. Die wichtigsten Parameter sind in der folgenden Skizze dargestellt.

Emissionsgrad

Der Emissionsgrad hängt von verschiedenen Objekteigenschaften wie Material, Oberflächenbeschaffenheit und Betrachtungswinkel sowie von der Objekttemperatur selbst ab. Daher ist dieser Parameter einer der grundlegendsten bei der thermografischen Temperaturmessung. In der Praxis sind Werte zwischen 0,1 (z. B. polierte Metalloberflächen) und 0,98 (z. B. menschliche Haut) üblich.

Die funktionale Beziehung zwischen der Objekttemperatur und dem Signal _SDet der Kamera unter Berücksichtigung der Betrachtungsszene wird durch die folgende Formel beschrieben:

Um die Objekttemperatur_TObj zu berechnen, muss das Kamerasignal_SDet um Umgebungsbeeinflussungen korrigiert werden.

Bestimmung des Emissionsgrades des Objekts

Der Emissionsgrad eines Objekts lässt sich vorläufig beispielsweise mit den nachfolgend beschriebenen Methoden bestimmen. Das Objekt muss eine Temperatur aufweisen, die sich deutlich von der Umgebungstemperatur unterscheidet. Zur Orientierung finden Sie im Anhang eine Tabelle mit typischen Werten für den Emissionsgrad verschiedener Materialien (siehe Abschnitt „Emissionsgrad-Tabelle“).

Messung der Objekttemperatur mit einem Thermoelement

Eine einfache Methode zur vorläufigen Bestimmung des Emissionsgrades besteht darin, die Objekttemperatur an einer Stelle mit einem Thermoelement zu messen. Richten Sie nun die Infrarotkamera auf dieselbe Stelle am Objekt aus und passen Sie den Emissionsgrad so lange an, bis die von der Kamera angezeigte Temperatur mit dem mit dem Thermoelement gemessenen Wert übereinstimmt. Der eingestellte Wert ist dann der Emissionsgrad des Objekts. Bei diesem Verfahren sollte jedoch sichergestellt werden, dass sich die Temperatur des Messobjekts deutlich von der Umgebungstemperatur unterscheidet.

Verwendung eines Referenzmaterials

Bei dieser Methode wird ein Referenzmaterial mit bekanntem Emissionsgrad auf das Messobjekt aufgebracht. Dies kann beispielsweise Farbe oder ein Stück Klebeband sein. Durch Einstellen des Emissionsgrads des Referenzmaterials an der Kamera und Messen der Temperatur der Farbe bzw. des Klebebands wird zunächst die Objekttemperatur ermittelt. Der Emissionsgrad des Messobjekts wird ermittelt, indem man das Objekt selbst mit der Kamera betrachtet und den Emissionsgrad so lange anpasst, bis man denselben Temperaturwert wie beim Referenzmaterial erhält. Auch bei dieser Methode sollte sich die Objekttemperatur deutlich von der Umgebungstemperatur unterscheiden.

Temperaturberechnung aus dem Kamerasignal (Flux Linear)

Die nichtlineare Beziehung zwischen dem Kamerasignal und der Objekttemperatur wird durch die folgende Formel beschrieben:

Die Koeffizienten R, B und F basieren auf der physikalischen Planck-Funktion. Der Koeffizient O beschreibt den Signalversatz (eine Eigenschaft des Detektors). Die Bestimmung dieser Koeffizienten ist Teil der Werkskalibrierung. Die Koeffizienten finden sich in den GenICam-Knoten unter der Gruppe „Radiometric Control“ in den Kameraeigenschaften.

Tipp

Der Austausch der Linse wirkt sich auf diese Koeffizienten aus. Muss die Linse ausgetauscht werden, wird eine Neukalibrierung empfohlen.

Die meisten IRSX-Modelle können zwei Kalibrierungssätze speichern. Dies ermöglicht einen Objektivwechsel ohne Neukalibrierung. Die zu den Objektiven gehörenden Kalibrierungssätze können in den GenICam-Knoten unter der Kameraeigenschaft„Lens Selector“inder Gruppe„Lens Control“ ausgewählt werden. Bei Lieferung ohne Ersatzobjektiv ist der entsprechende Kalibrierungssatz standardmäßig unter „Lens1“ gespeichert. Für jeden Kalibrierungssatz können Sie mithilfe derEigenschaft„Temperature Range Selector“ zwischen dem hohen und dem niedrigen Temperaturmessbereich wechseln.

Bei der Temperaturberechnung müssen äußere Umwelteinflüsse wie die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden. Die Objekttemperatur lässt sich nach folgender Formel berechnen:

Um aus dem Kamerasignal einen Temperaturwert zu berechnen, werden die Parameter R, B, F und O benötigt. Diese können aus der Kamera ausgelesen werden. Außerdem müssen die Umgebungsparameter bekannt sein.

Tabelle: Parameter

Zur Berücksichtigung der atmosphärischen Transmission kann für kurze Entfernungen_𝜏Atm = 1 angenommen werden. Ist kein Schutzglas vorhanden, kann_𝜏Lens = 1 verwendet werden. Um die Temperatur aus dem Signalwert zu berechnen, müssen zunächst die folgenden Parameter ermittelt werden.

Berechnung der Emissionsgrade:

Berechnung der Strahlung der Umgebung (_Iamb), der Atmosphäre (_IAtm) und des Schutzfensters (_SAtm):

Berechnung der Strahlungskomponenten (_K1,_K2):

Berechnung des Objektsignals (_SObj):

Anhand des Signals_SObj und der Parameter R, B und F lässt sich die Objekttemperatur in Kelvin berechnen.

Temperaturberechnung mit Kameratemperaturlinearisierung (TLinear)

Die IRSX-Serie ermöglicht die Berechnung eines output , das direkt proportional zur Objekttemperatur ist. Es stehen zwei Genauigkeitsstufen zur Verfügung, die sich in ihrer Dynamik unterscheiden. Die Funktion kann in den GenICam-Knoten unter„Radiometric Pixel Format“inder Gruppe„Radiometric Control“ ausgewählt werden.

Die folgende Abbildung zeigt die Auswahl der Temperaturlinearisierung mit dem Faktor 0,04:

Angenommen, der Signalwert eines Pixels beträgt 7600, so wird die Temperatur wie folgt berechnet:

Temperatur in Kelvin

Temperatur in Grad Celsius

Um Temperaturen mit dieser Methode zu messen, müssen Umgebungsparameter wie Emissionsgrad, Transmission und Temperaturen in der Kamera eingestellt werden. Diese Einstellungen finden Sie in den GenICam-Knoten unter „Radiometrische Steuerung“.

Tabelle der Emissionsgrade

Material	Oberfläche	Temperatur [°C]	Emissionsgrad
Aluminium	poliert	20	0.04
	oxidiert, stark	20	0,83–0,94
Kupfer	poliert	100	0.05
	oxidiert, stark	20	0.78
Eisen	Guss, oxidiert	100	0.64
	Blech, stark verrostet	20	0,69–0,96
Nickel	poliert	20	0.05
Edelstahl (18-8)	poliert	20	0.16
	oxidiert	60	0.85
Stahl	poliert	100	0.07
	oxidiert	200	0.79
Ziegelstein	rot	20	0.93
Karbon		20	0.93
Beton	trocken	35	0.95
Glas		35	0.97
Öl, Schmiermittel		17	0.87
	0,03 mm Folie	20	0.27
	0,13 mm Folie	20	0.72
	Dicke Beschichtung	20	0.82
Ölfarbe	Auswahl aus 16 Farben	20	0.94
Papier	weiß	20	0,07–0,90
Gips		20	0,86–0,90
Gummi	schwarz	20	0.95
Menschliche Haut		32	0.98
Boden	trocken	20	0.92
	mit Wasser gesättigt	20	0.95
Wasser	destilliert	20	0.96
	Frostkristalle	-10	0.98
	Schnee	-10	0.85

Zerstörungsfreie Prüfung (ZFP)

Die aktive Thermografie ermöglicht als zerstörungsfreie Prüfmethode die schnelle und zuverlässige Erkennung versteckter Fehler wie Risse oder Delaminationen. Zu diesem Zweck wird das Bauteil durch eine externe Energiequelle angeregt und erwärmt. Eine Infrarotkamera erfasst anschließend die Temperaturverteilung an der Oberfläche, die durch Unregelmäßigkeiten im Material beeinflusst wird. Das Ergebnis sind kontrastreiche Bilder, die eine präzise Qualitätskontrolle ermöglichen – berührungslos, effizient und ohne das Bauteil zu beschädigen.