Wärmebildkamera Technik: Wie funktioniert die Wärmebildkamera ?

Wärmebildkamera Technik – Eine Wärmebildkamera macht das, was das menschliche Auge nicht kann: Es empfängt Infrarot- bzw. Wärmestrahlungen und stellt diese visuell dar.
Jeder Körper dessen Temperatur über 0 Kelvin (-273.15°C) liegt, sendet Wärmestrahlungen aus, die mit der Wärmebildkamera gemessen werden können.
Im Vergleich zu sichtbarem Licht haben Infrarotstrahlungen einen größeren Wellenlängbereich, weswegen diese Strahlungen nur gespürt- aber mit dem menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden können. Die Technik in den Wärmebildkameras fängt Infrarot-Strahlungen auf und wandelt diese mittels elektrischer Impulse in ein Bild um.
Bevor wir uns nun mit der eigentlichen Technik befassen, schauen wir uns erstmal die Theorie an.

Theorie

Was sind Wärmestrahlen ?

Wärmestrahlen (auch Infrarotstrahlung genannt) sind unsichtbare, langwellige, elektromagnetische Wellen.
Generell unterscheiden wir zwischen „sichtbaren“ und „unsichtbaren“ elektromagnetischen Wellen.
Unsichtbare elektromagnetische Wellen (Infrarot, Radiowellen, Röntgen) befinden sich in einem sehr engen Wellenlängenbereich weswegen diese vom menschlichem Auge nicht wahrgenommen werden.Sichtbare elektromagnetische Wellen wie z.B. Licht können mit dem menschlichem Auge wahrgenommen werden und arbeiten in einem geringeren Wellenlängbereich.
Unsichtbare elektromagnetische Signale sind ab eines gewissen Wellenlängbereiches auch dazu in der Lage dichte Submassen wie z.B. Rauch zu durchdringen.
Der große Vorteil einer Wärmebildkamera bzw. der Wärmestrahlen besteht darin, dass sie sowohl am Tag als auch in der Nacht genutzt werden kann.
Auch in der Wohnung, wenn eine handelsübliche Stehlampe in Benutzung ist, würde das Licht das Messergebnis nicht verfälschen.

Wärmestrahlen werden von jedem Körper ausgestrahlt

Neben des Wellenlängbereiches haben Wärmestrahlungen gegenüber Licht einen weiteren Unterschied: Sie wird aktiv von jedem Körper dessen Temperatur über 0 Kelvin (-273.15°C) liegt, ausgestrahlt.
Im sichtbaren Bereich hingegen (z.B. Licht), senden die Körper selbst keine Strahlen aus, sondern reflektieren diese nur. Erst bei höheren Temperaturen ab einigen hundert Grad fangen auch diese Körper an im sichtbarem Bereich zu Strahlen.

Wärmebildkamera wandelt Strahlen um

Für uns Menschen sind Wärmestrahlungen grundsätzlich unsichtbar. Wir haben zwar nicht die Fähigkeit die Wärmestrahlungen zu sehen, allerdings können wir sie in Form von Wärme, Hitze oder Kälte spüren. Es gibt also quasi etwas „messbares„. Hier kommt die Wärmebildkamera ins Spiel: Sie stellt die Wärmestrahlung visuell dar.
Dazu werden die Infrarot-Strahlungen aufgefangen und mittels elektrischer Impulse in ein Bild umgewandelt.
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Technik

Bei dem Einsatz einer Wärmebildkamera spielen insgesamt vier Eigenschaften eine wichtige Rolle:

  • Absorption bedeutet, dass die Infrarotstrahlung vom Körper aufgenommen wird.
  • Reflexion bedeutet, dass die die Infarotstrahlung vom Körper reflektiert wird
  • Transmission bedeutet, dass die Wärme durch den Körper hindurch strahlt.
  • Emission ist die Oberflächenbeschaffenheit. Es gibt an wie der Körper die Infrarotstrahlung abstrahlt. Glatte Oberflächen wie beispielsweise Glas reflektieren Wärmestrahlung. Wasser und Beton hingegen sind undurchlässig für Wärmestrahlungen.

Der Aufbau einer Wärmebildkamera

Insgesamt besteht der Aufbau einer Wärmebildkamera aus vier wichtigen Bestandteilen:

Linse

Die Linsen einer Wärmebildkamera bestehen in der Regel aus einkristallinen Halbleitermaterialien. Es gibt allerdings auch Ausnahmen wie der Einsatz bei der Feuerwehr: Hier besteht die Linse meistens aus Germanium.
Germanium lässt im Gegensatz zu Glas die Infrarotstrahlung komplett durch (Transmission).

Detektor

Der Detektor befindet sich unmittelbar hinter der Linse. Er ist dafür zuständig die ankommenden Infrarotstrahlungen entgegenzunehmen und in elektrische Signale umzuwandeln. Die umgewandelten Signale werden dann an die Steuer-Platine weitergeleitet.

Elektronik

Mit Elektronik ist die Steuer-Platine gemeint, die die elektrischen Signale des Detektors entgegennimmt. Sie verarbeitet diese Signale um sie im Anschluss an das Display der Wärmebildkamera weiterzuleiten.

Display

Das Display ist für die Darstellung des Wärme- bzw. Infrarotbildes zuständig. Es erhält alle nötigen Informationen von der Steuer-Platine. Hier sieht der Benutzer letztlich das Infrarotbild.

Detektoren Funktionalität

Grundsätzlich unterscheiden wir zwischen gekühlten und ungekühlten Detektoren. Der unterschied dabei liegt in der Größe und Funktionsweise der Detektoren.
Während gekühlte Systeme die Leistung besitzen eine höhere Bildqualität aufzuweisen, sind sie im Gegenzug auch um einies größer als die ungekühlten Detektoren.
Ungekühlte Detektoren hingegen sind klein, handlich und günstiger als gekühlte Systeme, haben allerdings auch eine geringere Bildqualität.

Die meisten Detektoren arbeiten nach dem Prinzip der „Änderung des Widerstands„. Die „Änderung des Widerstands“ ist eine Möglichkeit die Temperatur von Infrarotstrahlungen zu messen.
Sobald Wärmestrahlungen auf den Detektor treffen, ändern sich unweigerlich Widerstand, Stromstärke und Spannung. Das macht sich der Detektor zu nutze und misst auf Basis dieser Informationen die Temperatur der eingehenden Strahlung.
Der voreingestellte Emissionsfaktor wird mit der Widerstandsänderung (Temperaturänderung am Detektor) verglichen und gibt so die Temperatur am Messpunkt aus.

Die Temperaturmessung ist nicht immer 100% genau. Das liegt daran, dass der Emissionsfaktor material abhängig zwischen 0.012 und 0.98 streut. Ein Emissionsgrad von Exakt 1 wird nur für die theoretische Betrachtung genutzt. Er ist auch als „Schwarzer Strahler“ oder „Planckscher Strahler“ bekannt. Der Grund dafür ist, dass keine Materialien mit einem Emissionsgrad von 1 bekannt sind die dazu in der Lage sind Infrarotstrahlungen zu absorbieren.

NETD-Wert

Ganz wichtig bei der Wärmebildkamera Funktionsweise  ist der NETD-Wert. Der NETD-Wert beschreibt die „Temperaturempfindlichkeit„, also die kleinste Temperaturdifferenz, die vom Detektor erfasst werden kann.
Wenn Beispielsweise die Temperaturdifferenz zweier nebeneinander liegende Objekte 10° Celsius beträgt, leitet der Detektor, je nach NETD-Wert unter Umständen die selbe Temperatur an die Steuerplatine weiter.
So kann es dann vor kommen, dass die beiden Objekte im Endeffekt auf dem Display die selbe Temperatur haben, obwohl es real gar nicht so ist.
Dementsprechend ist bei akkurater Messung wichtig, dass der NETD-Wert möglichst gering ist.