mini|Bauthermografie: Flächen erhöhter Temperatur auf der ungedämmten Außenwand werden durch die Falschfarbe rot gekennzeichnet. mini|Mobile Wärmebildkamera
Die Thermografie oder Thermographie (von „Wärme, Hitze“ oder „warm, heiß“ und -graphie) ist ein bildgebendes Verfahren zur Anzeige der Oberflächentemperatur von Objekten. Dabei wird die Intensität der Infrarotstrahlung, die von einem Punkt ausgeht, als Maß für dessen Temperatur gedeutet.
Eine Wärmebildkamera wandelt die für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotstrahlung in elektrische Signale um. Daraus erzeugt die Auswerteelektronik ein Bild in Falschfarben, seltener ein Graustufenbild.
Im Gegensatz zur Nahinfrarotspektroskopie ist für die Thermografie keine externe Lichtquelle erforderlich.
Historisches Der Astronom und Musiker Wilhelm Herschel entdeckte im Jahr 1800 die Wärmestrahlung, indem er Sonnenlicht durch ein Prisma lenkte und den Bereich hinter dem roten Ende des sichtbaren Spektrums mit einem Thermometer untersuchte. Die Temperatur stieg in diesem Bereich, und Herschel schloss daraus, dass dort eine unsichtbare Form von Energie wirksam sein müsse. Seine Bezeichnung „Wärmestrahlung“ ist auch heute noch üblich und wurde etwa 100 Jahre später durch „Infrarot“ – im deutschen Sprachraum war einige Zeit auch der Begriff „Ultrarot“ geläufig – ersetzt.
Andere Forscher zweifelten seine Entdeckung zuerst an, weil noch nicht bekannt war, dass die Transparenz für IR stark von der Glassorte des Prismas abhängt. Auf der Suche nach einem besseren Material entdeckte 1830 der italienische Physiker Macedonio Melloni, dass Prismen aus kristallinem Steinsalz IR-Strahlung kaum dämpfen und dass sich Wärmestrahlung mit Linsen aus diesem Material bündeln lässt. Bereits ein Jahr vorher konnte Melloni die Messgenauigkeit erheblich steigern, indem er die relativ ungenauen Quecksilberthermometer durch die von ihm erfundene Thermosäule ersetzte. Beides – Linsen aus Steinsalz und Anordnungen von Thermosäulen – waren die wesentlichen Bauelemente der ersten Wärmekameras.
Die Temperaturverteilung auf Oberflächen (so genannte „Wärmebilder“) wurden 1840 von Herschel durch unterschiedliche Verdampfungsraten eines dünnen Ölfilms sichtbar gemacht. Später ermittelte man die Temperatur durch unmittelbaren Kontakt mit ausgedrücktem Thermopapier, das sich bei Berührung mit ausreichend warmen Oberflächen verfärbt. Alle diese Verfahren haben sehr an Bedeutung verloren, weil sie nur in einem eng begrenzten Temperaturbereich funktionieren, weder zeitliche Änderungen noch geringe Temperaturunterschiede anzeigen und bei gekrümmten Oberflächen schwierig zu handhaben sind. Im Vergleich zur heute allgemein verwendeten kontaktlosen Technik waren sie aber erheblich billiger.
Der Durchbruch in der Entwicklung der kontaktlosen Temperaturmessung gelang Samuel Pierpont Langley im Jahr 1880 mit der Erfindung des Bolometers. Einsatzbereiche waren unter anderem Aufspüren von Eisbergen und verborgener Personen. Die weitere Entwicklung vor allem auf dem Gebiet der Bildgebung erfolgte meist im Geheimen und Forschungsberichte durften wegen militärischer Geheimhaltungsvorschriften erst nach 1950 veröffentlicht werden. Seit etwa 1960 sind die Geräte auch für nichtmilitärische Zwecke erhältlich.
Die Technik der Bildgebung hat sich in der allgemeinen Verwendung inzwischen grundlegend geändert. Eine Wärmebildkamera wandelt heutzutage die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung (Infrarotlicht) eines Objektes oder Körpers auch aus größerer Entfernung mit Hilfe von Spezialsensoren in elektrische Signale um, die durch Computer leicht verarbeitet werden können. Dadurch ist der Temperaturmessbereich (Dynamikumfang) deutlich ausgeweitet worden, zudem lassen sich winzige Temperaturunterschiede feststellen. Heutzutage wird Thermografie meist als Synonym für die Infrarotthermografie verwendet.
Prinzip mini|hochkant=1.5|Spektrale Verteilung der Intensität der Schwarzkörperstrahlung. Die Temperatur der Sonne ist orange, die Umgebungstemperatur rot gekennzeichnet. Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes sendet Wärmestrahlung aus. Im Idealfall (Emissionsgrad ) entspricht das Spektrum der ausgesandten Strahlung dem eines Schwarzen Strahlers, bei realen Oberflächen weicht es ab (siehe dazu Emissizität). Bei polierten Metallflächen sinkt im IR-Bereich auf Werte unter 0,1. Bei üblichen Baumaterialien gilt .
Mit steigender Temperatur verschiebt sich das ausgesandte Spektrum zu kürzeren Wellenlängen (Wiensches Verschiebungsgesetz).
Die Thermografie wird bevorzugt im infraroten Bereich eingesetzt, also bei Objekttemperaturen um 300 K, die im Bereich der gewöhnlichen Umgebungstemperaturen um 20 °C liegen. Damit die Messungen an weiter entfernt liegenden Objekten nur wenig durch die zwischen Objekt und Kamera liegende Atmosphäre verfälscht werden, arbeiten die Kameras in der Regel in eingeschränkten Wellenlängenbereichen, in denen die Atmosphäre kaum Eigenstrahlung emittiert (und absorbiert). Ein solches „Fenster“ liegt beispielsweise im Bereich von etwa 8 bis 14 µm (siehe atmosphärische Gegenstrahlung / atmosphärisches Fenster).
Drei Wärmeleistungen tragen zum Ergebnis bei: Den Hauptanteil PObjekt strahlt das Messobjekt selbst ab, dessen Oberfläche einen möglichst hohen Emissionsgrad besitzen soll. Die Gegenstände der Umgebung, aber auch die Sonne strahlen Energie PUmgebung ab, der Anteil wird am Messobjekt gestreut und addiert sich zum Ergebnis. Dieser störende Zusatz ist bei glatten Metalloberflächen besonders ausgeprägt. Die dazwischenliegende Luft liefert ihrerseits PLuft.
Alle drei Anteile werden beim Durchlaufen der Luft geschwächt, für Entfernungen um zwei Meter kann man mit einem Transmissionsgrad von rechnen.
Die gesamte empfangene Leistung berechnet sich zu
Streustrahlung von Sonnenlicht und heißen, seitlichen Strahlern sind bei sorgfältiger Messung am leichtesten zu vermeiden. Problematisch ist aber die Strahlungsleistung der Luftmasse zwischen Objekt und Sensor, wenn der Abstand zunimmt. Deshalb sind erdgebundene Infrarotteleskope nur für die Beobachtung der relativ nahen Sonne brauchbar. Weiter entfernte Objekte lassen sich nur erkennen, wenn die Dicke der Luftschicht (wie beim Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) stark verringert oder (wie bei Wide-Field Infrared Survey Explorer und Spitzer-Weltraumteleskop) ganz ausgeschaltet wird.
Mögliche Messfehler
Reale Flächen emittieren weniger Strahlung als ein Schwarzer Strahler. Das Verhältnis wird als Emissionsgrad bezeichnet und liegt zwischen ε = 0…1. Diese Eigenstrahlung (Emission) ist von der Temperatur abhängig und wird vom Material und der Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst. Zur emittierten Strahlung kommt auch die aus der Umgebung reflektierte Strahlung, jedoch kann eine IR-Kamera das Verhältnis der Anteile nicht erkennen, so dass für die Kamera jede Strahlung emittierte Strahlung ist. Für polierte Metallflächen ist die Emission in weiten Spektralbereichen besonders klein. So wird beispielsweise eine Eisenplatte einheitlicher Temperatur 30 °C = 303 K, deren Oberfläche streifenweise verrostete und polierte Zonen zeigt, wegen der stark unterschiedlichen Emissionsgrade einen „Lattenzauneffekt“ im Wärmebild erzeugen. Aus dem Stefan-Boltzmann-Gesetz
folgt für die abgestrahlte Leistung pro Flächeneinheit
Die Wärmebildkamera wertet nur die empfangenen Leistungen der unterschiedlichen Bereiche aus, wodurch sich ein Verhältnis der absoluten Temperaturen von
errechnet. Wird die Wärmebildkamera so eingestellt, dass der verrosteten Oberfläche 303 K, also ungefähr 30 °C, zugeordnet wird, sollte sie den polierten Streifen die absolute Temperatur 149 K zuordnen, das entspricht −124 °C. Tatsächlich wird durch die reflektierte Strahlung eine deutlich höhere Temperatur angezeigt werden.
An jeder Wärmebildkamera lässt sich der vermutete Emissionsfaktor vorwählen. Würde man diesen so einstellen, dass die Temperatur der polierten Flächen mit der Wirklichkeit übereinstimmt, würde dieses Messgerät von den verrosteten Stellen so viel mehr Strahlungsleistung registrieren, dass es eine Temperatur von 342 °C = 615 K errechnen würde. Temperaturmessungen durch Strahlungsmessungen sind also mit Vorsicht zu betrachten, falls möglich und nötig kann man auf homogenen Oberflächen mit einem normalen Thermometer einen Referenzpunkt messen und damit die Strahlungsmessung kalibrieren. Muss die Temperatur blanker Metalloberflächen bestimmt werden, empfehlen Messgerätehersteller, eine ausreichend große Fläche zu lackieren oder mit Klebeband abzudecken.
Der Einfluss der Temperatur auf den Emissionsgrad kann bei Messungen im Temperaturbereich von 0 °C bis 100 °C in den meisten Fällen vernachlässigt werden.
Viele Nichtmetalle besitzen im mittleren Infrarot einen Emissionsgrad nahe eins. Beispiele sind Glas, mineralische Stoffe, Farben und Lacke beliebiger Farbe, Eloxalschichten beliebiger Farbe, Plastwerkstoffe (außer Polyethylen; siehe nebenstehende Bilder), Holz und andere Baustoffe, Wasser und Eis. Dadurch wird die Temperaturmessung weniger fehlerhaft.
Die Temperatur von Oberflächen mit geringem Emissionsgrad dagegen wie die von spiegelnden Metallen oder infrarot-transparenten Stoffen lässt sich mit Thermografie nicht verlässlich bestimmen.
Verfahrensvarianten Passive Thermografie Bei der passiven Thermografie wird die durch die Umgebung oder den Prozess bedingte Temperaturverteilung der Oberfläche erfasst. Dies wird beispielsweise in der Bautechnik zum Auffinden von Wärmebrücken oder an technischen Geräten im Betrieb genutzt, um Verlustwärmequellen und Defekte zu erkennen. Eine weitere Anwendung ist z. B. die indirekte Prozessüberwachung beim Spritzgießen, indem der Abfluss der durch die Schmelze eingetragenen Wärme am entformten Bauteil beobachtet und zur Prüfung und Nachregelung von Prozessparametern genutzt wird.G. Schwalme: A process for the production of plastic moldings. Patent, Nr. DE 102010042759 B4, 21. Oktober 2010.W. Roth, G. Schwalme, M. Bastian: Thermischer Fingerabdruck – Prozesskontrolle und -regelung auf Basis der Inline-Thermografie. In: Plastverarbeiter. 04, 2012, S. 36. Bedingt durch die unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten oberflächennaher und -ferner Bereiche ergeben sich Wärmeströme innerhalb des Bauteils. Innenliegende Strukturen wie unbeabsichtigte Fehlstellen können dabei wie eine thermische Barriere wirken, sodass sich dies durch eine veränderte Temperaturverteilung an der Oberfläche äußert.
Aktive Thermografie Aktive Thermografie dient dazu, verborgene Strukturen bzw. Strukturfehler zu entdecken, die sich durch einen lokal veränderten Wärmefluss aufgrund abweichender Wärmeleitfähigkeit zeigen. Hierzu muss das zu prüfende Bauteil thermisch angeregt werden, um einen Wärmefluss im Objekt zu erzeugen (DIN 54190-1). Es wird periodische Anregung, z. B. bei der Lock-in-Thermografie, und einmalige Anregung angewendet (Impuls-Thermografie) unterschieden.
Inhomogenitäten beeinflussen den Wärmeabfluss in das Bauteilinnere (Anregung und Kamera auf der gleichen Seite, sogenannte Reflexionsanordnung) oder durch das Bauteil hindurch (Anregung von hinten, also transmissiv, z. B. bei beidseitig zugänglichen Wandungen, Gehäusen, Karosserieteilen anwendbar) und führen dadurch zu lokalen Temperaturunterschieden an der Oberfläche.
Die thermische Anregung kann folgendermaßen erfolgen:T. Hochrein, G. Schober, E. Kraus, P. Heidemeyer, M. Bastian: Ich sehe was, was du nicht siehst. In: Kunststoffe. 10, 2013, S. 70.G. Schober, T. Hochrein, P. Heidemeyer, M. Bastian u. a.: Sicherer Genuss – Detektion nichtmetallischer Fremdstoffe in Lebensmitteln. In: LVT Lebensmittel Industrie. 1/2, 2014, S. 20. Optisch mittels Blitzlampen oder Laserstrahlung, indem die Strahlung an der Oberfläche absorbiert wird.