Infrarot-Thermografie

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1 Dietrich Schneider Einführung in die praktische Infrarot-Thermografie 2011

2 Inhalt 1 Einführung 2 IR-Grundlagen 3 Wärme und Temperatur 4 Gerätetechnik 5 Meßtechnik 6 Geräteparameter 7 Praxisanwendungen in der Bau-, Elektro- und Industriethermografie 8 Dokumentation 9 praktische Übungen mit IR-Wärmebildkameras 10 Verzeichnis der Tabellen und Abbildungen 11 Literaturempfehlungen Dietrich Schneider Seite 2

3 2. IR-Grundlagen Infrarot-Thermografie was ist das? Infrarot-Thermografie/Pyrometrie Infrarot-Temperaturmeßverfahren, bei dem berührungslos die Intensität der elektromagnetischen Strahlung eines Körpers gemessen wird. Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes von 0 K (-273,15 C) sendet elektromagnetische Strahlung aus. Für die Infrarottechnik ist der Wellenlängenbereich oberhalb des sichtbaren Spektrums (0,38 0,76 µm) interessant. Die technische Temperaturmessung nutzt den als thermisches Infrarot bezeichneten Wellenlängenbereich von 0,8 14 µm. Hier wird der größte Teil der gesamten Wärmestrahlung emittiert. Abb. 2: Thermogramm Hubschrauber 2012 Seite 3

4 2. IR-Grundlagen Beispiele 1 Sonne Flamme Mensch Eis LN ~5525 ~ ~5780 ~ ~ 0,5 2,4 9,3 10,6 37,6 T T C K m 0,4 0, m Arbeitsbereich von MW- bzw. LW-Thermokameras Abb. 8: Typische Temperatur- und Wellenlängenbereiche 2012 Seite 4

5 3.2 Wärmeübertragung Mechanismus der Wärmeübertragung Wärmestrahlung in den umgebenden Raum Wärmeleitung (Konduktion) in die benachbarten Bauteile Wärmeströmung (Konvektion) in das umgebende Fluid Beispiel: CPU-Kühlung Abb. 18: Wärmeübertragung 2012 Seite 5

6 4. Gerätetechnik Klassifizierung Arbeitsweise Je nach Auslegung des Strahlengangs der Geräte unterscheidet man 0-, 1- oder 2-dimensionale Strahlungsmeßgeräte: IR-Kamera Pyrometer Abb. 36: Arbeitsweise von Strahlungsmeßgeräten 2012 Seite 6 Scanner (Zeilenkamera)

7 Schwarzkörper-Temperaturmeßbereich 14 bit = 2 14 = Temperaturstufen Span 8 bit = 2 8 = 256 Grau-/Farbwerte 4. Gerätetechnik Bilddarstellung Funktion von LEVEL und SPAN Die Signalverarbeitung der IR-Kamera erfolgt mit 14/16 Bit Auflösung über den gesamten Temperaturmeßbereich. A/D-Wandlung IR-Bilddarstellung Die Darstellung im Display kann durch Level und Span beeinflußt werden und erreicht 8 Bit Auflösung. Somit können 256 Stufen farblich codiert dargestellt werden. Span Kontrast Level Level Helligkeit Abb. 48: Level und Span 2012 Seite 7

8 5. Meßtechnik Emissionsgrad Abhängigkeit vom Blickwinkel β Ein Kamerablickwinkel auf das Meßobjekt sollte zwischen 90 (senkrecht) und ca. 60 (Nichtleiter) bzw. ca. 45 (elektr. Leiter) liegen tendenzieller Einfluß des Emissionsgrades! Schwarzer Strahler β = 90 elektrische Leiter β = 45 β = 45 ε β 1 Schwarzer Strahler Nichtleiter β = 0 1,0 0,5 0 0,5 1,0 elektrische Nichtleiter β = 0 Leiter β [ ] ε β Abb. 62: Emissionsgrad in Abhängigkeit vom Blickwinkel (schematisch) 2012 Seite 8

9 5. Meßtechnik Meßparameter Übersicht Ein korrektes Thermogramm erfordert die Eingabe folgender Kamera-Parameter: Temperatur Umgebung T Umg Temperatur Atmosphäre T Atm relative Luftfeuchte rf Emissionsgrad ε Abstand d Abb. 68: Thermogramm Flüssigaluminium-Transport 2012 Seite 9

10 5. Meßtechnik Meßpraxis Praxisbeispiel Außenthermografie Wintertag Anfang März, ca. 11:00 Uhr, klar, sonnig, Außentemperatur -2 C, windstill, Abgasanlage außer Betrieb -20 C 0 C Beachte: Darstellung der Umgebungstemperatur an der diffus reflektierenden Oberfläche des Abgasrohres in Abhängigkeit des Blickwinkels! L1 Abb. 95: Reflexion bei Außenthermografie 2012 Seite 10

11 6. Geräteparameter Geometrische Auflösung reale Meßfleckgröße Praxisbeispiel: - IFOV = 1,2 mrad - Objektabstand d = 0,5 m - Kabeldurchmesser 2 mm - ges.: x real [mm] (realer Meßfleck) x real = IFOV d f Optik = 1,2 mrad 0,5 m 3 = 1,8 mm 2012 Seite 11 Abb. 110: Kabelklemme

12 7. Praxisanwendungen Anwendungsgebiete Übersicht Instandhaltung Bauthermografie Prozeßoptimierung Leistungs- und Fehleranalyse Forschung und Entwicklung Medizin 2012 Seite 12

13 8. Dokumentation IR-Report Grundstruktur Ein IR-Report besteht typischerweise aus folgenden Kapiteln: Deckblatt Beschreibung Thermogramme und Fotos Fazit 2012 Seite 13

14 9. Praktische Übungen Praktische Thermografie mit eigener oder Leihkamera Grau, teurer Freund, ist alle Theorie. Und grün des Lebens goldner Baum. (Goethe, Faust I) Kontakt: Internet Abb. 123: Thermogramm Dietrich Schneider 2012 Seite 14

15 11. Literaturempfehlungen Literatur Autorenkollektiv (Herrmann, K. & Walther, L.) (1990). Wissensspeicher Infrarottechnik. Leipzig: Fachbuchverlag Riedl, M. J. (2002). Optische Grundlagen für Infrarot-Systeme. Bellingham/Washington: SPIE - The International Society for Optical Engineering Schuster, N. & Kolobrodov, V. G. (2004). Infrarotthermografie. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Bernhard, F. (2004). Technische Temperaturmessung. Berlin: Springer Verlag 2012 Seite 15

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