Читать книгу Thermografie - Eric Rahne - Страница 47

In der technischen Spezifikation eines jeden ernsthaften digitalen Instruments ist sicher eine Angabe zur digitalen Auflösung zu finden, da diese die Qualität (Rauschpegel) und den möglichen Dynamikbereich der Digitalisierung beeinflusst. Üblicherweise wird diese als Auflösung in Bit, also basierend auf dem binären Zahlensystem angegeben. 8 Bit bedeuten, dass das analoge Eingangssignal in 2⁸ Schritten quantifiziert wird, so dass der Signalbereich also in 2⁸ = 256 Stufen unterteilt ist. Bei einem 10 V Spannungseingang bedeutet dies, dass dieser mit 10 V / 256 = 0,0391 V Schritten digitalisiert wird, was gleichzeitig auch die kleinste quantifizierbare Signaländerung definiert.

Vorausgesetzt, dass unser analoges Signal an einer Grenze zwischen zwei Schritten „schwebt”, ist unser numerisches Ergebnis entweder ein um 0,0391 V niedrigerer oder höherer Wert. Diese „Unsicherheit” wird auch als Quantisierungsrauschen oder digitales Rauschen bezeichnet.

Um eine akzeptable Qualität bei der Digitalisierung gemäß unserem Messziel zu erreichen, wird die digitale Auflösung unter Berücksichtigung des Dynamikbereichs (ohne Änderung des Eingangsbereich erfassbarer Signalbereich) und der erforderlichen Abtastfrequenz ausgewählt. Digitalisieren mit höherer Auflösung kostet typischerweise mehr Zeit (und benötigt mehr Hardware). In den letzten Jahren haben sich die Digitalisierungstechniken (sowohl mathematisch als auch elektronisch) enorm weiterentwickelt, so dass nun Auflösungen von 24 Bit (= 16.777.216 Quantisierungsstufen) selbst bei einigen Hundert kHz zur Verfügung stehen.

Abb. 79: Entstehung des digitalen Rauschens

Bei Thermokameras sind aufgrund des relativ begrenzten dynamischen Bereichs der Sensoren und der enormen Datenmenge, die ohnehin schon durch die (im nächsten Abschnitt näher behandelte) zweidimensionale Rasterung erzeugt wird, Auflösungen von 12 Bit, 14 Bit bzw. max. 16 Bit üblich. Das bei diesen Auflösungen zu erwartende Quantisierungsrauschen ist (als Temperaturrauschen) in der folgenden Tabelle aufgeführt. Es ist ersichtlich, dass der aus der Digitalisierung resultierende Rauschpegel schon bei 12 Bit Auflösung relativ zu den - für thermografische Messanordnungen typischen - Messfehlern (z.B. aufgrund einer Ungenauigkeit bezüglich der Angabe des Objektemissionswertes) praktisch vernachlässigbar ist. Das digitale Rauschen kann jedoch (insbesondere bei Messung niedriger Temperaturen und engen Anzeigebereichen) die visuelle Erkennbarkeit der Temperaturzusammenhänge nachteilig beeinträchtigen.

Tabelle 10: digitales Rauschen in einigen typischen Messbereichen

Messbereich	12 Bit	14 Bit	16 Bit
-40 °C ... 120 °C	+/- 0,04 °C	+/- 0,01 °C	+/- 0,002 °C
0 °C ... 300 °C	+/- 0,07 °C	+/- 0,02 °C	+/- 0,004 °C
100 °C ... 600 °C	+/- 0,12 °C	+/- 0,03 °C	+/- 0,007 °C
500 °C ... 1200 °C	+/- 0,17 °C	+/- 0,04 °C	+/- 0,01 °C