Konkurrenz für das menschliche Auge ?? - technische Daten

 

gegen

 

Das menschliche Auge ist in seiner Funktionalität bestimmt kaum zu übertreffen. Es gibt jedoch viele Situationen, in denen wir technische Hilfsmittel, um mehr "sehen" zu können, gerne einsetzen. So z.B. bei sehr schnellen Bewegungsabläufen, die mit Hochgeschwindigkeitskameras aufgenommen werden oder bei Wärmeverteilungen, die der Mensch nur fühlen und nicht sehen kann. Selbst wenn man die Wärmeverteilung fühlt, eine genauere Bestimmung der Temperatur unter 2°C Genauigkeit ist nicht mehr möglich. Hochleistungsthermografiesysteme besitzen Temperaturdifferenzen von 0,03°C Auflösung. Aufgrund dieser Möglichkeiten ist die gesamte Infrarot- Technik, in unserer hoch technisierten Welt nicht mehr wegzudenken. Die Infrarotstrahlung wurde vor über 200 Jahren von dem deutschen Wilhelm Herschel, welcher in England lebte, erstmals entdeckt und im Laufe der Jahre, nicht zuletzt unter Einfluss der Militärs, zu perfekt "sehenden" Augen im infraroten Wellenlängenbereich entwickelt. Grundlage der Infrarotmessung ist das physikalische Gesetz, dass jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes von -273,15°C eine elektromagnetische Strahlung aussendet. Diese beinhaltet auch einen infraroten Anteil, der bei einer Wellenlänge von 0,78 µm beginnt und bis zu 1 mm reicht. Das Strahlungsmaximum für Objekte mit Raumtemperatur liegt bei einer Wellenlänge von ungefähr 10 µm. Während das menschliche Auge nur Wellenlängenbereiche im sichtbaren Spektrum der Sonne von 390 - 780 nm (0,39 - 0,78 µm) erfassen und Infrarot- (Wärme) Strahlung nicht wahrnehmen kann, vermögen Infrarotkameras in den Wellenlängenbereichen von 2 - 13 µm zu arbeiten. Erst Körper mit Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius senden zusätzlich auch Anteile im sichtbaren Spektrum aus wie zum Beispiel rot glühendes Eisen. Will man also die Wärmeabstrahlung eines Gegenstandes erkennen, dessen Temperatur oft deutlich unter diesem Wert liegt, muss sich der Mensch technischer Hilfsmittel wie der Infrarotkamera bedienen. Je nach Anwendungsgebiet setzt man kurzwellige (2 µm - 5 µm) oder langwellige (7 µm - 12 µm) Infarotkameras ein.

Strahlungsübersicht:

 

Zum Einsatz kommen in unserem Büro nur hochwertige und leistungsfähige Infrarotsysteme mit hohen Auflösungen und hohen thermischen Empfindlichkeiten sowie verschiedenen Wechselobjektiven und Filter. Je nach Messaufgaben wird die optimale Kamaratechnik mit den entsprechenden Wechselobjektiven und Filtern ausgewählt. So sind besonders bei Messungen an und in Gebäuden Infrarotkameras mit geringen thermischen Empfindlichkeiten und Weitwinkelobjektiven notwendig. Bei den Messungen von hohen Temperaturen ist die thermische Empfindlichkeit nicht so ausschlaggebend, wie bei Messungen von sehr kleinen Temperaturunterschieden, wie es gerade im Gebäudebereich der Fall ist. Industrieanlagen oder Messungen an Hochspannungsanlagen sind nur durchführbar, wenn für bestimmte Messaufgaben Teleobjektive eingesetzt werden können. Besonders bei den Messungen an Hochspannungsanlagen sind ohne den Einsatz von Teleobjektiven Messfehler nicht zu umgehen (s. hierzu auch die Seite Messungen an Elektroanlagen und die Zeitungsartikel im pdf- Format "Nieder- und Mittelspannungsanlagen durch Infrarot- Thermografie richtig untersuchen" (481KB) und "Hochspannungsanlagen durch Infrarot- Thermografie optimal untersuchen" (430KB)). Die momentan auf dem Markt angebotenen billigen Infrarotkameras werden von uns nicht eingesetzt, da diese nicht die notwendigen Messqualitäten erbringen und zum Teil nur eingeschränkt nutzbar sind. Die billigen Infrarotkameras besitzen in ihrem Durchmesser nur sehr kleine Objektive und haben in der Regel nicht die Möglichkeit, verschiedene Objektive oder gar Filter nutzen zu können. Um so größer die Durchmesser der speziellen Infrarot- Optiken sind, um so mehr Energie gelangt durch die Optik auf den Dedektor und um so empfindlicher sind logischerweise diese hochwertigen Kameras. Da die Optiken nicht aus Glas bestehen (Glas lässt im kurzwelligen Infrarot- Bereich nur einen Teil und im langwelligen Infrarot- Bereich gar keine Infrarot- Strahlung hindurch), müssen diese Objektive aus gezüchtete Kristalle hergestellt werden. Bei langwelligen Infrarotsystemen ist dies meist Germanium [Ge], Zinksulfit [ZnS] oder Zinkselenit [ZnSe]. Die Optiken von kurzwelligen Infrarotkameras bestehen z.B. aus Silizium [Si], Saphir [Al2O3] oder Bariumflourid [BaF2]. Daher machen die Optiken einen nicht unerheblichen Anteil im Kostenspektrum der Infrarotkameras aus. Es ist daher nachvollziehbar, warum billige Infrarotkameras mit kleinen Objektiven ausgestattet sind. Auch seriöse Messungen in der Industrie können nur mit hochwertigen Systemen durchgeführt werden. Bei vielen Aufgabenstellungen ist es notwendig, Bewegungsabläufe oder Temperaturveränderungen in Sequenzen zu speichern. Man bekommt somit einen temperaturkalibrierten Film und kann gut Temperaturänderungen und - wanderungen in Bauteilen oder Produkten erkennen und messen. Auch hierzu sind billige IR- Kameras nicht in der Lage (s. hierzu auch den Zeitungsartikel IR-Messungen in der Industrie (666KB) als pdf- Datei). Eine oft sehr geringe Anzahl von messenden Bildpunkten und geringe Bildwiederholfrequenzen charakterisieren weiterhin die geringpreisige Kameras. Die Kameras des unteren Preissegmentes werden auch meist nur von Billiganbietern verwendet, welche auf Qualität und Messgenauigkeit wenig Wert legen oder für untergeordnete Messaufgaben! Für ein leistungsfähiges Infrarotsystem mit verschiedenen Infrarot Optiken liegen die Kosten bei 50.000,- EUR aufwärts.

 

 

Messparameter unserer Infrarot- Kamerasysteme:

 

langwellen IR- Kamera (ungekühlt)

ThermaCAM PM 695
von FLIR SYSTEMS

langwellen IR- Kamera (ungekühlt)

ThermaCAM P65 HS
von FLIR SYSTEMS

langwellen IR- Kamera (ungekühlt)

ThermaCAM P660
von FLIR SYSTEMS

Analog- Digital- Wandler

14- Bit System
(16.384 Stufen)

14- Bit System
(16.384 Stufen)

14- Bit System
(16.384 Stufen)

Temperaturmessbereich

-40°C bis +2.000°C

-40°C bis +500°C

-40°C bis +2.000°C

Arbeitstemperaturbereich

-15°C bis +50°C (Schutzgrad IP 54 IEC 529)

erreichbare Auflösung

0,1°C (thermische Empfindlichkeit 0,08°C bei 30°C)

0,05°C bei 30°C
(Indigo Detektor)

0,03°C bei 30°C

spektraler Messbereich

7,5 µm bis 13 µm

7,5 µm bis 13 µm

7,5 µm bis 13 µm

IR- Dedektor

Focal Plane Array (FPA)

327x245= 80.115
Bildpunkte

Focal Plane Array (FPA)

327x245= 80.115
Bildpunkte

Focal Plane Array (FPA)

640x480= 307.200
Bildpunkte

Bild- Darstellung

5, 10 oder 256 Grau- bzw. Farbstufen, Falschfarbendarstellung

Infrarot Bildfrequenz

50 Hz

30 Hz

30 Hz

Optiken

7°, 24°, 45°

5,6°, 19,1°, 37,3°

7°, 12°,  24°,  45°

geometrische Auflösung (IFOV)

0,4 mRad - 7°
1,3 mRad - 24°
2,6 mRad - 45°

0,31 mRad - 5,6°
1,06 mRad - 19,1°
2,11 mRad - 37,3°

0,19 mRad - 7°
0,33 mRad - 12°
0,65 mRad - 24°
1,30 mRad - 45°

minimal messbare Objektgröße bei 1m Messentfernung ( * )

nicht möglich - 7°
1,3 mm - 24°
2,6 mm - 45°

nicht möglich - 5,6°
1,06 mm - 19,1°
2,11 mm - 37,3°

nicht möglich - 7°
0,33 mm - 12°
0,65 mm - 24°
1,3 mm - 45°

minimal messbare Objektgröße bei 10m Messentfernung ( * )

3,8 mm - 7°
13 mm - 24°
26 mm - 45°

3,1 mm - 5,6°
10,6 mm - 19,1°
21,1 mm - 37,3°

1,9 mm - 7°
3,3 mm - 12°
6,5 mm - 24°
13,0 mm - 45°

minimal messbare Objektgröße bei 30m Messentfernung ( * )

12 mm - 7°
39 mm - 24°
78 mm - 45°

9,3 mm - 5,6°
31,8 mm - 19,1°
63,3 mm - 37,3°

5,7 mm -  
9,9 mm - 12°
19,5 mm - 24°
39,0 mm - 45°

minimale Fokusentfernung

4 m - 7°
0,3 m - 24°
0,1 m - 45°

4 m - 5,6°
0,3 m - 19,1°
0,1 m - 37,3°

3 m - 7°
1,2 m - 12°
0,3 m - 24°
0,1 m - 45°

Blickfeld bei 10m Distanz

1,2 x 0,9 m - 7°
4,3 x 3,2 m - 24°
8,3 x 6,2 m - 45°

0,98 x 0,74 m - 5,6°
3,37 x 2,53 m - 19,1°
6,75 x 5,06 m - 37,3°

1,21 x 0,91 m - 7°
4,25 x 3,18 m - 24°
8,28 x 6,21 m - 45°

 ( * ) Die in der Tabelle aufgeführten mimimalen messbaren Objektgrößen sind theoretische Werte (ideale Messfleckgrößen). Da es bei den einzelnen Detektoren auf der gesamten Detektormatrix bei der Herstellung zu nicht arbeitenden Detektorzellen kommen kann (1% Fehler sind zulässig), werden diese fehlerhaften Detektorzellen durch einen Rechenalgorithmus in der IR- Kamera berechnet und in das Bild eingefügt, um keine weißen Messflecke im IR- Bild zu erhalten. Um eine genaue Messung zu gewährleisten, sollte wegen der möglicherweise fehlerhaften "pitch" also 3 einzelne "pitch" als kleinsten Messfleck vorhanden sein. Die Kamerahersteller geben die geometrische Auflösung IFOV aus diesem Grund etwas größer als den theoretisch errechneten Wert an (realer Messfleck).

 

 

  Geometrische Auflösung IFOV (Instantaneous Field Of View)

Eine Vielzahl von FPA Systemen besitzen eine Detektormatrix von 320 x 240 quadratischen Einzeldetektoren. Mit einem Objektiv von 24° werden pro Zeile 24 Winkelbereiche mit einer Größe von:
24° / 320 Detektoren = 0,075° = 0,001308 rad = 1,31 mrad erfasst.
(360° = 2 Pi rad 1° = 2 Pi / 360 rad = Pi /180 rad = 0,017453292 rad)
Dieser Wert betrifft jedoch nur den Wert einer einzelnen Detektorzelle, des sogenannten "pitch" (s. oben). Der Detektor selbst ist um einen gewissen Faktor c kleiner, der sich aus dem Füllfaktor berechnen lässt.
Füllfaktor = A aktive Fläche / A Detektorzelle = d² aktive Fläche / d² Detektorzelle
Daraus folgt: d aktive Fläche = d Detektorzelle x (Wurzel aus) Füllfaktor
Bei einem Füllfaktor von 0,5 ergibt sich ein IFOV von:
IFOV = 1,31mrad x (Wurzel aus) 0,5 = 1,31mrad x 0,707 = 0,926mrad
x [mrad] = x [mm] (bei "a" = 1m entspricht dies 0,93 mm)
Bei einer Messentfernung "a" von 10m ergibt sich:
x = 0,929 [mrad] x 10[m] = 9,3 [mm]
Eine Kamera mit 320 x 240 Messpunkten und einem 24° Objektiv kann bei einer Entfernung von 10m erst Objekte ab einer Größe von 9,3 mm messen!

 

Die modernsten FPA Systeme besitzen eine Detektormatrix von 640 x 480 quadratischen Einzeldetektoren. Mit einem Objektiv von 24° werden pro Zeile 24 Winkelbereiche mit einer Größe von:
24° / 640 Detektoren = 0,0375° = 0,0006545 rad = 0,65 mrad erfasst.
(360° = 2 Pi rad 1° = 2 Pi / 360 rad = Pi / 180 rad = 0,017453292 rad)
Füllfaktor = A aktive Fläche / A Detektorzelle = d² aktive Fläche / d² Detektorzelle
Daraus folgt: d aktive Fläche = d Detektorzelle x (Wurzel aus) Füllfaktor
Bei einem Füllfaktor von 0,5 ergibt sich ein IFOV von:
IFOV = 0,65 mrad x (Wurzel aus) 0,5 = 0,65 mrad x 0,707 = 0,459mrad
x [mrad] = x [mm] (bei "a" = 1m entspricht dies 0,45 mm)

 

Bei einer Messentfernung "a" von 10m ergibt sich:
x = 0,459 [mrad] x 10[m] = 4,6 [mm]
Die modernsten Infrarot- Kameras mit 640 x 480 Messpunkten können also bedeutend kleiner Strukturen auflösen und Objekte in großen Entfernungen richtig zu messen.

Bei 10m Messentfernung sind dies mit einer 640x480 IR- Kamera:
größer/gleich 4,6 mm mit 24° Optik (Nomalobjektiv)
größer/gleich 1,4 mm mit 7° Optik (Teleobjektiv)
größer/gleich 8,8 mm mit 45° Optik (Weitwinkelobjektiv)

 


Zur Startseite zurück
nächste Seite
Kontakt und Informationsmaterial
ITK.S.KRUELL@t-online.de
Wir freuen uns über Ihr Interesse !