Thermografie

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Eric Rahne. Thermografie

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Thermografie. Theorie, Messtechnik, Praxis

Vorwort

1. Physikalische Grundlagen. 1.1. Wärmelehre, Thermodynamik

1.1.1. Temperatur, Atommodell von Bohr

1.1.2. Grundgesetze und Zusammenhänge der Wärmelehre. 1.1.2.1. Aggregatzustände

1.1.2.2. Spezifische Wärmekapazität

1.1.2.3. Hauptsätze der Thermodynamik

1.1.3. Wärmeübertragung - Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung

1.1.3.1. Wärmeleitung (in festen Körpern*)

1.1.3.2. Konvektion (Wärmeströmung, Wärmeübergang)

1.1.3.3. Wärmestrahlung

1.1.3.4. Wärmestrahlung - wichtige Begriffe und Definitionen

1.2. Eigenschaften des idealen Strahlers. 1.2.1. Physikalisches Modell des schwarzen Körpers

1.2.2. Plancksches Strahlungsgesetz

1.2.3. Wiensches Verschiebungsgesetz

1.2.4. Lambertsches Kosinusgesetz

1.3. Fotometrisches Grundgesetz

1.4. Tatsächliche Messbedingungen und Besonderheiten

1.4.1. Messanordnung der berührungslosen Temperaturmessung / Thermografie

1.4.2. Eigenschaften realer Messobjekte

1.4.3. Zusammenhänge zwischen Emission, Absorption, Reflexion und Transmission

1.4.4. Einfluss der Übertragungsstrecke

1.4.5. Wellenlängenbereiche der Messsysteme

1.5. Pyrometrische (thermografische) Grundgleichung

2. Messtechnische Betrachtung. 2.1. Optische Gesetze

2.1.1. Gaußsche Optik (paraxiale Optik)

2.1.2. Grundtypen und Eigenschaften optischer Linsen

2.1.2.1. Sammellinsen

2.1.2.2. Optische Abbildung bei Sammellinsen

2.1.3. Gesetzmäßigkeiten optischer Systeme. 2.1.3.1. Brennweite, Feldblende, Aperturblende

2.1.3.1. Schärfentiefe

2.1.4. Fotometrisches Grundgesetz bei Messsystemen mit Sammellinsen

2.1.5. Optische Abbildungsfehler

2.1.6. Minderung der Strahlstärke zum Linsenrand hin

2.1.7. Auflösungsgrenze durch Beugung (Diffraktion)

2. 2. Signalverarbeitung, Signaldigitalisierung

2.2.1. Erzeugung zeitdiskreter Signalfolgen aus kontinuierlichen Signalen

2.2.2. Erzeugung diskreter Pegelwerte durch Quantisierung analoger Signale

2.2.3. Zweidimensionale Rasterung - geometrische Diskretisierung

3. Aufbau und Eigenschaften von Strahlungsthermometern

3.1. Infrarot-Thermometer und Pyrometer

3.1.1. Grundlegende Arten von Strahlungsthermometern

3.1.2. Komponenten der Strahlungsthermometer. 3.1.2.1. Pyrometeroptiken - Messfläche (Messfleck) und Lasermarker

3.1.2.2. Pyrometeroptiken - infrarot-durchlässige Linsenmaterialien

3.1.2.3. Detektoren der Strahlungsthermometer

3.1.3. Besondere Strahlungsthermometer

3.2. Thermografische Systeme - bildgebende Infrarot-Thermometer

3.2.1. Wärmestrahlung detektierende Instrumente ohne Temperaturmessung

3.2.2. Kategorisierung der radiometrischen Wärmebildkameras

3.2.3. Vor-Ort-Auswertefunktionen mobiler Thermokameras

3.2.4. Grundlegender Aufbau radiometrischer bildgebender Systeme

3.2.5. Bildaufnahmeprinzipien thermografischer Systeme

3.2.6. Matrixdetektoren moderner thermografischer Systeme

3.2.6.1. Thermische Detektoren

3.2.6.2. Photonendetektoren (Quantendetektoren)

3.2.6.3. Detektoren für radiometrische Thermografiesysteme - Zusammenfassung

3.2.7. Auslesetechniken bei Infrarot-Matrixdetektoren

3.2.7.1. Zeilenweises Ausleseverfahren

3.2.7.2. „Snap-Shot“-Technologie (Moment- oder Simultanaufnahme)

3.2.7.3. „Binning“-Technologie (Zusammenschaltung benachbarter Detektorpixel)

3.2.8. Kühltechnologien für Photonendetektoren

3.2.8.1. Kühlung mit Flüssigstickstoff

3.2.8.2. Stirling-Kühlung

3.2.8.3. Peltier-Element (thermoelektrische Kühlung)

3.2.9. Objektive und Vorsatzlinsen für Thermokameras

3.2.9.1. Linsenmaterialien für thermografische Objektive

3.2.9.2. Auswirkung des Linsendurchmessers auf die Messfähigkeiten

3.2.9.3. Außergewöhnliche Infrarot-Optiken

3.2.10. Infrarotfilter für thermografische Systeme

3.2.11. Optikabhängige Messfähigkeiten thermografischer Systeme. 3.2.11.1. Sichtfeld (Bildfläche) von Wärmebildkameras

3.2.11.2. Geometrische Auflösung thermografischer Systeme

3.2.12. Bildwiederholrate (Bildfrequenz) von Thermokameras

3.2.13. Pixelauflösung bei Messsystemen mit Matrixdetektor

3.2.13.1. Pixelauflösung erhöhende Verfahren (innerhalb des Kamerabildfeldes)

3.2.13.2. Erhöhung der Pixelauflösung durch Montage von Thermogrammen

3.2.14. Optische Fokussierung und Schärfentiefebereich

3.2.14.1. Fokus und Schärfentiefe bei Thermokameras

3.2.14.2. Wärmebilddarstellung verbessernde Verfahren

3.2.14.3. Autofokus, Erweiterung des Schärfentiefebereiches

3.2.15. Thermische Auflösung radiometrischer Systeme

3.2.16. Temperaturmessbereiche

3.2.17. Kalibration thermografischer Systeme

3.3. Entwicklungsgeschichte der thermografischen Systeme

3.3.1. Geschichtlich wesentliche Thermokamerahersteller. 3.3.1.1. AGA/Agema (Schweden)

3.3.1.2. Hughes Aircraft Company (USA)

3.3.1.3. JEOL - Japan Electron Optics Laboratory Company, Limited (Japan)

3.3.1.4. Inframetrics, Inc. (USA)

3.3.1.5. English Electric Valve (Großbritannien)

3.3.1.6. I.S.I. Group, Inc. (USA)

3.3.1.7. NEC AVIO / Nippon Avionics (Japan)

3.3.1.8. Electrophysics Corporation (USA)

3.3.1.9. Amber Engineering Inc. (USA)

3.3.1.10. Robotron (PGH Elektronik Magdeburg / Fernsehelektronik Berlin) (Deutschland)

3.3.1.11. ZEISS (Carl Zeiss Jena, Zeiss Oberkochen, Jenoptik GmbH) (Deutschland)

3.3.1.12. LAND Infrared (Großbritannien)

3.3.1.13. Raytheon Company (USA)

3.3.1.14. FLIR Systems, Inc. (USA)

3.3.1.15. Mitsubishi Electric Corporation (Japan)

3.3.1.16. Cincinnati Electronics Corporation (USA)

3.3.1.17. Mikron Infrared, Inc. (USA)

3.3.1.18. Infrared Solutions Inc. (USA)

3.3.1.19. FLUKE Corporation (USA)

3.4. Aktuelle Entwicklungs- und Markttendenzen

3.4.1. Miniaturisierung, Massenproduktherstellung

3.4.2. Kostengünstige thermografische Werkzeuge für Industrieanwender

3.4.3. Hand-gehaltene High-End-Thermokameras für Forschung und Entwicklung

3.4.4. Weltspitzenreiter stationärer Thermografiesysteme für zivile Forschung

3.4.5. Aktuell bekannte Hersteller von zivilen Thermografiesystemen

3.5. Auswahl thermografischer Systeme - Schritt für Schritt

3.6. Aufgabenspezifische Auswahlaspekte für Thermografiesysteme

4. Praxis der Thermografie. 4.1. Übersicht der messtechnischen Probleme

4.2. Quantitative Bewertung der Messfehler. 4.2.1. Empfindlichkeitskurve thermografischer Messinstrumente

4.2.2. Temperaturmessfehler in Abhängigkeit vom Emissionsgradfehler

4.2.3. Temperaturmessfehler durch Falscheinstellung der Umgebungstemperatur

4.2.4. Messfehler durch inkorrekte Fokussierung oder Schärfentiefemangel

4.2.4.1. Messfehlergröße durch falsche Fokussierung

4.2.4.2. Zusammenhang zwischen Objektabstand und Schärfentiefe

4.2.4.3. Praktische Hinweise zur korrekten Fokussierung

4.2.5. Messfehler im Zusammenhang mit der geometrischen Auflösung

4.2.6. Messfehler durch falsche Auswahl des Messbereichs

4.2.7. Zusammenhang von Kalibrationsbereich und Temperaturanzeigebereich

4.2.8. Messfehler bei dynamischen Prozessen

4.2.8.1. Integrationszeit contra relative Bewegungsgeschwindigkeit

4.2.8.2. Messung dynamischer Prozesse mit kurzen Zeitkonstanten

4.2.9. Sonstige Messfehler und Möglichkeiten derer Minimalisierung

4.3. Bestimmung der strahlungsphysikalischen Faktoren

4.3.1. Methoden zur Ermittlung der Umgebungstemperatur

4.3.2. Verfahren zur Bestimmung des Emissionsgrades

4.3.2.1. Vergleich mit berührender Temperaturmessung

4.3.2.2. Vergleich zu Fläche oder Objektteil mit bekanntem Emissionsgrad

4.3.2.3. Vergleich mit (physikalisch) bekannter Objekttemperatur

4.3.2.4. Pixelweise Emissionsgradbestimmung und -korrektur

4.3.3. Bestimmung des Transmissionsgrades

4.3.4. Ermittlung des Reflexionsgrades

4.4. Farbskalen für thermografische Darstellungen

4.4.1. Fähigkeiten des menschlichen Auges

4.4.2. Die Farbpaletten RGB und CMYK

4.4.3. Thermogramm in verschiedenen Farbskalen

4.5. Wärmebildauswertung (passive Thermografie)

4.6. Kategorien der thermografischen Anwendungen

4.6.1. Messungen / Prüfungen mittels passiver Thermografie

4.6.2. Auf aktiver Thermografie basierende Prüfverfahren

4.6.3. Prozessregelung / Produktionsüberwachung mittels Thermografie

4.6.4. Sonstige Anwendungen der Wärmestrahlungsdetektion

4.7. Kategorisierung der Anwendungen nach Fachgebieten

5. Praxisanwendungen der Thermografie im Detail

5.1. Thermografie an Gebäuden und Haustechnik

5.1.1. Bauphysikalische Grundlagen

5.1.2. Besonderheiten der Bauthermografie

5.1.3. Unterschiede zwischen Untersuchungen im Innen- und Außenbereich

5.1.4. Empfohlene Mess- und Klimabedingungen für die Bauthermografie

5.1.5. Mit Bauthermografie nachweisbare Gebäudefehler

5.1.5.1. Lokalisierung von Wärmebrücken und Wärmedämmfehlern

5.1.5.2. Thermografische Untersuchung verdeckter Bauelemente

5.1.5.3. Kontrolle der Wärmedämmung von Dächern und Dachausbauten

5.1.5.4. Winddichtheitsprüfung und Luftleckageortung

Fallstudienbeispiel für die energetische Auswirkungen von Wärmedämmung und Luftwechselrate

5.1.5.5. Nachweis der Gebäudeaufheizung durch Sonneneinstrahlung

Vereinfachtes Rechenbeispiel für die energetische Auswirkung fehlender äußerer Beschattung

5.1.5.6. Aufdecken von Problemen an Türen und Fenstern

5.1.5.7. Nachweis von Wasser- und Wasserdampfschäden

5.1.5.8. Lokalisierung gebäudetechnischer Rohrleitungen und Lecks

5.1.5.9. Thermografische Kontrolle von Kühlhäusern / Kühlkammern

5.1.5.10. Thermografische Inspektion von Flachdächern

5.1.5.11. Überprüfung sonstiger Gebäudeelemente

5.1.6. Wärmebildkamera für die Bauthermografie

5.1.7. Spezialsoftware zur thermografischen Bewertung von Gebäuden

5.1.8. Bestimmung des U-Wertes durch Thermografie

5.1.8.1. Ermittelung des U-Wertes durch Wärmestrommessung

5.1.8.2. Bestimmung des U-Wertes durch wärmetechnische Berechnung

5.1.8.3. Berechnung des U-Wertes anhand Oberflächentemperaturmessung

Berechnungsbeispiel für die Bestimmung des U-Wertes anhand thermografischer Messdaten

5.2. Thermografie an elektrischen Geräten und Anlagen

5.2.1. Hintergrundinformationen zu elektrischen Anlagen

5.2.2. Wichtige grundlegende Hinweise

5.2.3. Messschwierigkeiten und Lösungsvorschläge im Detail

5.2.4. Geometrische Auflösung in der Praxis

5.2.5. Typische Temperaturgrenzwerte

5.2.6. Abschätzung der bei Nennlast zu erwartenden Erwärmung

5.2.7. Empfohlene Messbedingungen für Außenmessungen

5.2.8. Wärmebildkamera für Elektrothermografie

5.3. Unterstützung der Maschinenwartung durch Thermografie

5.3.1. Thermografisch auffindbare maschinentechnische Probleme

5.3.2. Wichtige grundlegende Hinweise

5.3.3. Messschwierigkeiten und Lösungsvorschläge im Detail

5.3.4. Empfohlene Messbedingungen für Außenmessungen

5.3.5. Typische Temperaturgrenzwerte

5.3.6. Wärmebildkamera für Maschinenwartung

5.4. Untersuchung von Industrieanlagen und Wärmedämmungen

5.4.1. Thermografisch auffindbare anlagentechnische Fehler

5.4.2. Wichtige grundlegende Hinweise

5.4.3. Messschwierigkeiten und Lösungsvorschläge im Detail

5.4.4. Empfohlene Messbedingungen für Außenmessungen

5.4.5. Weitere praktische Hinweise

5.4.6. Wärmebildkamera für Industriethermografie

5.5. Thermografie im Hüttenwesen und in der Metallverarbeitung

5.5.1. Thermografisch auffindbare Probleme in der Metallurgie

5.5.2. Wichtige grundlegende Hinweise

5.5.3. Messschwierigkeiten und Lösungsvorschläge im Detail

Zahlenbeispiel für die Bedeutung der Umgebungstemperaturangabe: Schmelztiegel mit Deckel

5.5.4. Empfohlene Messbedingungen und Geräteausstattung

5.5.5. Thermografie in der Schwerindustrie. 5.5.5.1. Gießverfahren - Öfen, Tiegel, Pfannen und Transportbehälter

5.5.5.2. Abkühlvorgang beim Stranggießen

5.5.5.3. Schmieden und Pressen

5.5.5.4. Walzen und Ziehen von Stahl

5.5.5.5. Gussüberwachung, Schlackeerkennung

5.5.5.6. Form- und Druckguss von Aluminium

5.5.6. Wärmebildkamera für Hüttenwesen/Metallurgie

5.6. Thermografische Messungen in der Kunststoffindustrie. 5.6.1. Wellenlängenbereiche für Messungen an Kunststoffen

5.6.2. Typische Anwendungen bei der Kunststoffverarbeitung

5.6.3. Wichtige grundlegende Hinweise

5.6.4. Messschwierigkeiten und Lösungsvorschläge im Detail

5.6.5. Wärmebildkamera für die Kunststoffindustrie

5.7. Thermografische Messungen an und durch Glas. 5.7.1. Typische Thermografieanwendungen in der Glasindustrie

5.7.2. Wichtige grundlegende Hinweise

5.7.3. Messschwierigkeiten und Lösungsvorschläge im Detail

5.7.4. Wellenlängenbereich für Messungen an und durch Glas

5.7.5. Messung der Glastemperatur (während der Herstellung)

5.7.6. Messung der Flammentemperatur

5.7.7. Wärmebildkamera für Flammentemperaturmessung

5.7.8. Qualitätskontrolle an Leuchtkörpern mittels Thermografie

5.7.9. Thermografische Messungen an Glasschmelzöfen

5.7.10. Schmelzen von Korund (Aluminiumoxid)

5.7.11. Wärmebildkamera für Messungen an und durch Glas

5.8. Thermografieanwendungen in der Elektronikindustrie

5.8.1. Elektronische Messungen - Allgemeinüberblick

5.8.2. Wichtige grundlegende Hinweise

5.8.3. Messschwierigkeiten und Lösungsvorschläge im Detail

5.8.4. Pixelweise Emissionsgradkorrektur (Praxisanwendung)

5.8.5. Anzeigen thermischer Änderungen mittels Differenzwärmebild

5.8.6. Messung von Erwärmung und Temperaturschwankungen

5.8.7. Beobachtung von Löt- und Schweißtechnologien

5.8.8. Messbarkeitsgrenzen aufgrund der geometrischen Auflösung

5.8.9. Wärmebildkamera für Messungen in der Elektronikindustrie

5.9. Inspektion von Solaranlagen, Photovoltaik-Kraftwerken

5.9.1. Messungen an Solarzellen - Allgemeinüberblick

5.9.2. Solarzellen, Solarmodule und Solarsysteme

5.9.2.1. Funktion der Solarzellen

5.9.2.2. Häufigste Arten der Solarzellen

5.9.2.3. Konventionelles Design von Solarmodulen (aus auf Silizium basierenden Zellen)

5.9.2.4. Weitere Elemente von Solaranlagen und -kraftwerken

5.9.3. Typische Fehler von Solaranlagen, Fehlerursachen

5.9.4. Prüfung von Solaranlagen durch Elektrolumineszenzaufnahmen

5.9.5. Prüfung von Solaranlagen anhand UV-Fluoreszenz

5.9.6. Thermografische Prüfung von Solaranlagen - wichtige Hinweise

5.9.7. Messschwierigkeiten und Lösungsvorschläge im Detail

5.9.8. Messtechnische Aspekte für fluggestützte Aufnahmen

5.9.9. Wärmebildkamera für Messungen an Solaranlagen

5.10. Zerstörungsfreie Materialprüfung mit aktiver Thermografie

5.10.1. Typische Messanordnungen der aktiven Thermografie

5.10.2. Möglichkeiten des Energieeintrages / Objektanregung

5.10.3. Theoretischer Hintergrund der aktiven Thermografie

5.10.4. Typische mathematische Auswertemethoden

5.10.5. Anwendungen der aktiven Thermografie

5.10.6. Wärmebildkamera für aktive Thermografie

5.11. Produktkontrolle, Prozessautomatisierung

5.11.1. Überprüfung von Aluminiumzylinderköpfen

5.11.2. Überwachung von Drehrohröfen

5.11.3. Qualitätskontrolle von Laserschweißnähten

5.11.4. Kontrolle der Wärmedämmung an Personenwaggons

5.11.5. Brandschutz bei Müllbunkern und Biomassetransporten

5.11.6. Überwachung von Umspann- und Verteilerstationen

5.11.7. Verpackungsindustrie - Überprüfung des Produktverschlusses

5.11.8. Verpackungsindustrie - Stückzahlkontrolle

5.11.9. Kontrolle von Sonnenkollektoren (thermischen Solarkollektoren)

5.12. Forschung und Entwicklung

5.12.1. Textilindustrielle Forschung und Entwicklung

5.12.2. Elektronische Produktentwicklung

5.12.3. Entwicklung medizinischer Spezialprodukte

5.12.4. Entwicklung von Produkten für extreme Umgebungen

5.12.5. Entwicklung und Prüfung von Bremsen und Kupplungen

5.12.6. Thermografische Prüfung von aktiven Kfz-Sicherheitssystemen

5.12.7. Überwachung / Optimierung von Sonderbearbeitungstechnologien

5.12.8. Biologische und medizinische Anwendungen der Thermografie

5.12.9. Umwelt- und Klimaforschung, Luftfahrzeug-gestützte Thermografie

5.13. Anwendung der Infrarotdetektion ohne Temperaturmessung

5.13.1. Rauchdetektion und Gasanalyse

5.13.2. Gasdetektion und Lecksuche an Industrie- und Klimaanlagen. 5.13.2.1. Leckprüfung mittels elektrochemischer oder UV/IR-Absorption messender Gasdetektoren

5.13.2.2. Gaslecksuche auf Basis von Ultraschalldetektion

5.13.2.3. Lecksuche und Gasdetektion mittels Thermografie

5.13.3. Wildzählung, Vogelbeobachtung

5.13.4. Archäologische Erschließungen

5.13.5. Schlechtwetter- und Nachtsichtsysteme für Verkehrsmittel. 5.13.5.1. Erweiterte Flugsichtsysteme (EVS, EFVS)

5.13.5.2. Schlechtwetter- und Nachtsichtsysteme für Schiffe

5.13.5.2. Schlechtwetter- und Nachtsichtsysteme für Landfahrzeuge

5.13.6. Objektschutz, Grenzschutz, Polizeianwendungen

6. Fachliche Aus- und Weiterbildung, Normen und Richtlinien. 6.1. Grundlagen, Aus- und Weiterbildung. 6.1.1. Thermografie - auch ohne Grundlagenkenntnisse nutzbar?

6.1.2. Tausende "Thermografen" ohne Ausbildung

6.1.3. Personalqualifizierung und Weiterbildung in der Thermografie

6.2. Europäische Normen, Empfehlungen und Richtlinien

6.2.1. Allgemeine - mit der Thermografie zusammenhängende - Normen

6.2.2. Normen für die Bewertung elektrotechnischer Geräte und Anlagen

6.2.3. Normen für die thermografische Bewertung von Gebäuden

6.2.4. Normen für die Thermografie in Maschinenbau und Industrieanlagen

6.2.5. Normen für die zerstörungsfreie Materialprüfung

6.2.6. Normen für die Personalqualifizierung

Anhang. Emissionsgrade

Literaturverzeichnis. Wissenschaftliche und theoretische Werke (in alphabetischer Reihenfolge)

Prospekte, Produktblätter, Handbücher, Marketingmaterialien (in alphabetischer Reihenfolge)

Eigene Publikationen und Vorlesungsmaterialien (in zeitlicher Abfolge)

Internetquellen mit Links zu genutzten spezifischen Informationen

Weitere (informative) Internetquellen

Verzeichnis der Abbildungen

Quellen der Abbildungen. Quellen der Abbildungen

Verzeichnis der Tabellen

Verzeichnis der in den Gleichungen verwendeten Symbole

Sachwortverzeichnis

WILEY ENDBENUTZER-LIZENZVEREINBARUNG

Отрывок из книги

Eric Rahne

Der berührungslosen Temperaturmessung begegnet man heutzutage auf allen Gebieten des täglichen Lebens - von industriellen und medizinischen Anwendungen über Forschung und Entwicklung bis hin zu militärischen und behördlichen Überwachungsaufgaben. Für die weite Verbreitung der bildgebenden berührungslosen Temperaturmessung - der Thermografie - können unzählige Beispiele erwähnt werden. Am bekanntesten sind die Bewertung der Wärmeisolation von Gebäuden, Heizwasser- und Dampfleitungen sowie Kühlhäusern, die Kontrolle von elektrischen Anlagenkomponenten, Leitungen und Kontakten. Verbreitet hat sich auch die wartungsunterstützende Zustandsbewertung von Maschinen und Industrieanlagen, die Überwachung von Produktionsabläufen und Technologien oder von Kühl- und Heizvorgängen, sowie die in die Herstellung eingebundene Qualitätskontrolle (beispielsweise von Glühlampen und Solarzellen). Die Thermografie findet auch vielseitige Verwendung für Aufgaben der Forschung und Entwicklung, beispielsweise in der Leistungselektronik, für biologische und chemische Experimente, sowie für medizinische Untersuchungen. Es ist offensichtlich, dass es nur wenige messtechnische Verfahren gibt, die so vielseitig sind, wie die Thermografie.

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Abb. 21: Lambertscher Strahler

Abb. 22: Johann Heinrich Lambert, schweizer Mathematiker, Philosoph und Schriftsteller (1728 - 1777) (Wikipedia, gemeinfrei [A11])

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