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Radiometrische Wärmebildtechnik: Was sie misst und wann Sie sie benötigen

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Bei der radiometrischen Wärmebildgebung werden eine kalibrierte Kamera und ein Messmodell verwendet, um die scheinbare Oberflächentemperatur im gesamten Bildbereich zu messen. Im Gegensatz zu einer reinen Wärmebildkamera werden dabei quantitative Informationen erfasst, die eine Temperaturanalyse für

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Bei der radiometrischen Wärmebildgebung werden eine kalibrierte Kamera und ein Messmodell verwendet, um die scheinbare Oberflächentemperatur im gesamten Bild zu messen. Im Gegensatz zu einer reinen Wärmebildkamera werden dabei quantitative Informationen erfasst, die eine Temperaturanalyse für Pixel oder Messbereiche ermöglichen, die die Einstellungsanforderungen erfüllen.

Wenn ein Wärmebild einen Hotspot zeigt, stellt sich als Nächstes die Frage, ob dessen Temperatur gemessen, dokumentiert oder im Zeitverlauf verglichen werden muss.

Transformer
Das Schlüsselwort lautet „Schätzung“. Eine radiometrische Kamera misst die Infrarotstrahlung, die ihren Detektor erreicht; sie berührt das Zielobjekt nicht und erfasst die Innentemperatur nicht direkt. Die Kamera nutzt Kalibrierungsdaten und Korrekturparameter, um die Detektorantwort in eine Temperaturschätzung umzuwandeln. Zu diesen Parametern können die Oberflächenemissivität, die reflektierte scheinbare Temperatur, die Messentfernung sowie die Transmission durch die Atmosphäre oder die externe Optik gehören.

Diese Fähigkeit ist von Bedeutung, wenn eine Entscheidung nicht allein vom thermischen Kontrast, sondern von der Temperatur abhängt. Wartungsteams müssen möglicherweise ähnliche Komponenten vergleichen, die Entwicklung einer Oberfläche über die Zeit verfolgen, eine Inspektion dokumentieren oder einen definierten Alarmschwellenwert anwenden. Im Gegensatz dazu muss eine Beobachtungsaufgabe möglicherweise nur zeigen, dass ein Bereich wärmer oder kühler aussieht als ein anderer.

„Radiometrisch“ beschreibt daher eine Messfähigkeit und keine Garantie dafür, dass jeder angezeigte Wert gültig ist. Oberflächeneigenschaften, Reflexionen, Fokus, Zielgröße, Messbereich, Umgebungsbedingungen, der Inhalt gespeicherter Dateien und das Analyseverfahren bestimmen weiterhin, ob das Ergebnis die beabsichtigte Entscheidung stützt.

Wie schätzt eine radiometrische Wärmebildkamera die Temperatur ein?
Eine radiometrische Kamera wandelt Farbe nicht direkt in Temperatur um. Sie misst zunächst die Infrarotstrahlung und nutzt dann Kalibrierungsdaten und Korrekturparameter, um die Oberflächentemperatur zu schätzen, die das empfangene Signal verursacht haben könnte.

1. Die Optik sammelt Infrarotstrahlung
Das Objektiv erzeugt ein Infrarotbild auf dem Detektorarray. Jedes Detektorelement reagiert auf Strahlung aus einem kleinen Teil des Bildausschnitts. Diese Strahlung kann Energie umfassen, die von der Zieloberfläche emittiert wird, Energie, die von der Umgebung reflektiert wird, sowie Strahlung, die durch die Atmosphäre zwischen Ziel und Kamera beeinflusst wird.

2. Die Kalibrierung wandelt die Empfindlichkeit in eine Temperaturreferenz um
Während der Kalibrierung wird die Empfindlichkeit der Kamera anhand von Referenzquellen über definierte Messbereiche und Betriebsbedingungen charakterisiert. Diese Kalibrierung liefert die Beziehung, die das Messmodell verwendet, um die Detektorempfindlichkeit in eine Temperaturschätzung umzuwandeln. Die Kalibrierung ist kameraspezifisch und hängt von der jeweiligen Messkonfiguration ab; das Hinzufügen einer Farbpalette zu einem unkalibrierten Bild erzeugt keine radiometrischen Daten.

3. Das Messmodell wendet Korrekturparameter an
Die Kamera oder die Analysesoftware nutzt unterstützte Eingabewerte, um die Emission des Ziels, reflektierte Strahlung und Effekte des Messwegs bei der Temperaturschätzung zu berücksichtigen. Der bekannteste Korrekturfaktor ist der Emissionsgrad. Die reflektierte scheinbare Temperatur stellt die effektive Strahlungstemperatur der Umgebung dar, die von der Zieloberfläche reflektiert wird. Entfernung, Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit sowie die Durchlässigkeit der externen Optik können ebenfalls eine Rolle spielen, wenn ihr Einfluss auf den Messweg signifikant ist.

Wärmebildkamera mit motorisiertem Fokus –
AT31 Wärmebildkamera mit motorisiertem Fokus
Die Wärmebildkamera AT31 mit motorisiertem Fokus ist ein radiometrisches Wärmebildgerät mit festem Fokus. Zu ihren dokumentierten Korrekturparametern gehören Emissivität, reflektierte Temperatur, atmosphärische Transmission, Umgebungstemperatur und Entfernung.

Das Ergebnis ist eine Schätzung der scheinbaren Oberflächentemperatur für das ausgewählte Pixel oder den Messbereich. Es handelt sich dabei nicht um eine automatische Diagnose der Anlage, und es werden keine Temperaturen unter einer undurchsichtigen Oberfläche angezeigt. Der Bediener muss weiterhin entscheiden, ob Aufbau, Vorgehensweise und Messunsicherheit für die jeweilige Aufgabe geeignet sind.

Radiometrische vs. nicht-radiometrische Wärmebildgebung
Beide Systeme können ein aussagekräftiges Thermogramm erzeugen, dienen jedoch unterschiedlichen Entscheidungsgrundlagen. Eine reine Bildkamera zeigt den relativen Infrarotkontrast an. Eine radiometrische Kamera liefert kalibrierte Temperaturschätzungen und ermöglicht eine quantitative Analyse, sofern diese Temperaturdaten über den Datenpfad erhalten bleiben.

Frage Radiometrisches System Reines Bildsystem
Zeigt thermische Muster an Ja Ja
Liefert kalibrierte Temperaturschätzungen Ja, innerhalb des angegebenen Messbereichs Nein
Unterstützt Punkt- oder Flächentemperaturanalyse In der Regel, mit kompatiblen Kamerafunktionen oder Software Nicht als kalibrierte Temperaturmessung
Ermöglicht spätere Korrektur der Messdaten Nur, wenn das gespeicherte Format und die Software die erforderlichen Daten beibehalten und anzeigen
Keine radiometrische Korrektur
Eignet sich für Erkennungs- oder Beobachtungsaufgaben Oft Oft
Eignet sich für temperaturbasierte Prüfungen oder Trendanalysen In der Regel erforderlich Allein unzureichend
Der Unterschied besteht nicht einfach darin, dass mehr Daten besser sind. Systeme, die ausschließlich auf Bildgebung basieren, können geeignet sein, wenn es darum geht, eine Anwesenheit zu erkennen, ein thermisches Muster zu lokalisieren oder relative Veränderungen zu beobachten. Radiometrische Fähigkeiten werden wichtig, wenn der Arbeitsablauf einen Temperaturwert, einen wiederholbaren Vergleich, eine dokumentierte Messung oder einen auf der Temperatur basierenden Schwellenwert erfordert.

Verwenden Sie die Farbpalette nicht als entscheidenden Faktor. Farbpaletten wie „Weiß-Heiß“, „Schwarz-Heiß“ und andere verändern die Darstellung von Temperaturunterschieden für den Betrachter. Sie geben keinen Hinweis darauf, ob die gespeicherte Datei kalibrierte Messdaten enthält.

Was beeinflusst eine radiometrische Temperaturschätzung?
Die technischen Daten einer Kamera bestimmen nicht die Zuverlässigkeit einer Feldmessung. Die Oberfläche, der Sichtweg, die Optik, die Zielabdeckung und der gewählte Messbereich beeinflussen die den Detektor erreichende Strahlung und die Genauigkeit, mit der die Messung die tatsächlichen Bedingungen widerspiegelt.

Präzise Lokalisierung mikroskopischer Defekte und Hotspots in Halbleiterbauelementen
Emissivität und reflektierte Strahlung
Der Oberflächenemissionsgrad beschreibt, wie stark eine Oberfläche im Vergleich zu einem schwarzen Körper bei gleicher Temperatur Infrarotstrahlung abgibt. Oberflächen mit hohem Emissionsgrad lassen die emittierte Komponente in der Regel leichter interpretieren. Eine Oberfläche mit niedrigem Emissionsgrad trägt weniger zur eigenen Emission bei und kann mehr Strahlung von nahegelegenen Geräten, dem Himmel, Wänden oder dem Bediener reflektieren.

Aus diesem Grund kann poliertes Metall eine überzeugende heiße oder kalte Reflexion zeigen, die nicht die Oberflächentemperatur des Metalls widerspiegelt. Die Eingabe eines Emissionsgradwerts ohne Untersuchung der Oberfläche und der reflektierenden Umgebung löst dieses Problem nicht. Der Prüfaufbau muss diese Effekte berücksichtigen und den Betrachtungswinkel so anpassen, dass sie das Ergebnis nicht mehr beeinflussen.

Entfernung, Atmosphäre und externe Optik
Je länger der Sichtweg wird, desto mehr Zielstrahlung kann die Atmosphäre absorbieren und desto mehr eigene Strahlung gelangt zum Detektor. Luftfeuchtigkeit, Lufttemperatur und Spektralband beeinflussen das Ausmaß dieses Effekts. Kurze Messungen in Innenräumen sind möglicherweise weniger empfindlich gegenüber atmosphärischen Korrekturen als lange Messwege im Freien, doch die Notwendigkeit einer atmosphärischen Korrektur hängt vom jeweiligen Messaufbau ab.

Ein Infrarotfenster, ein Schutzfenster oder eine andere externe Optik verändert ebenfalls das Signal. Deren Durchlässigkeit kann je nach Wellenlänge und Zustand variieren, während die Optik selbst Strahlung abgeben kann. Verwenden Sie eine Kamera und einen Software-Workflow, die die relevanten Durchlässigkeits- und Temperatureingaben unterstützen, wenn die Messung durch externe Optik erfolgt.

Fokus, Zielgröße und Messbereich
Ein unscharfer Fokus verteilt das Zielsignal auf benachbarte Detektorelemente. Ein kleines Ziel kann zudem nur einen Teil eines Pixels oder Messbereichs einnehmen, wodurch der Messwert Hintergrundstrahlung mit einbezieht. In beiden Fällen kann der angezeigte Wert eher eine Mischung als die beabsichtigte Oberfläche darstellen.

Die Detektorauflösung hilft zwar, löst das geometrische Problem jedoch nicht von selbst. Das Sichtfeld des Objektivs, der Abstand, der Fokus, die Zielabmessungen und die Größe des Messbereichs bestimmen, wie viele Detektorelemente das Messobjekt abdecken. Definieren Sie das kleinste Messobjekt, das gemessen werden muss, und überprüfen Sie es im vorgesehenen Abstand.

Kalibrierbereich und Kamerazustand
Die erwartete Oberflächentemperatur muss innerhalb eines kalibrierten Messbereichs für die gewählte Konfiguration liegen. Die Wahl eines Bereichs, in dem sich das Zielobjekt nicht befindet, kann zu Sättigung oder unzuverlässigen Messwerten führen. Verwenden Sie den kalibrierten Bereich, der für die erwartete Oberflächentemperatur und die Messaufgabe angegeben ist.

Lassen Sie die Kamera die vorgeschriebenen Aufwärm- und Nichtgleichmäßigkeitskorrekturverfahren (NUC) durchführen und halten Sie die Optik sauber. Anzeigepegel und Messspanne können den visuellen Kontrast verbessern, beheben jedoch keine Fehlfokussierung, einen ungeeigneten Messbereich oder falsche radiometrische Eingaben.

Einen umfassenderen Überblick über Einrichtungs- und Spezifikationsfaktoren finden Sie in unserem Leitfaden zur Messgenauigkeit in der Thermografie.

Auswahl des Temperaturbereichs
Welche Daten sollte eine radiometrische Datei enthalten?
Ein radiometrischer Arbeitsablauf muss mehr als nur die auf dem Bildschirm sichtbaren Farben bewahren. Die gespeicherte Datei muss ausreichende kalibrierte Daten und Metadaten enthalten, damit kompatible Software die unterstützten Temperaturschätzungen lesen oder neu berechnen kann. Je nach System können diese Metadaten den Messbereich, den Emissionsgrad, die reflektierte scheinbare Temperatur, die Entfernung, atmosphärische Eingabewerte und Informationen zur externen Optik umfassen.

Ein Screenshot, ein Präsentationsbild oder ein gewöhnliches Farbvideo zeichnet die angezeigte Farbpalette auf. Dies kann für die Kommunikation nützlich sein, bewahrt jedoch nicht unbedingt die zugrunde liegenden radiometrischen Werte. Auch der Export von Temperaturwerten in eine Tabellenkalkulation kann den ursprünglichen Bildkontext und die Korrektur-Metadaten entfernen. Bewahren Sie die ursprüngliche radiometrische Datei auf, wenn Rückverfolgbarkeit oder spätere Analysen wichtig sind.

Nachbearbeitungen nach der Aufnahme sind nicht universell möglich. Einige radiometrische Formate erlauben es kompatibler Software, Korrekturparameter zu ändern und Temperaturwerte neu zu berechnen. Andere Dateien speichern nur verarbeitete Werte oder visuelle Darstellungen. Testen Sie vor dem Kauf genau die Kamera, das Dateiformat, den Exportpfad, gegebenenfalls die Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) und die Softwareversion, die in Ihrem Arbeitsablauf zum Einsatz kommen werden.

Die Hand-Wärmebildkamera EX10 ist ein radiometrisches Hand-Wärmebildgerät, das tragbare Temperaturmessungen und PC-basierte Analysen unterstützt.

Hand-Wärmebildkamera EX10

Hand-Wärmebildkamera EX10
Wann benötigen Sie radiometrische Wärmebildgebung?
Entscheiden Sie sich für ein radiometrisches System, wenn die Entscheidung von der Temperatur abhängt oder von einem Vergleich, der über Zeit, Anlagen oder Betriebszustände hinweg aussagekräftig bleiben muss. Häufige Anwendungsfälle sind die Dokumentation einer Inspektion, die Trendanalyse einer Oberfläche, der Vergleich ähnlicher Komponenten unter vergleichbarer Belastung, die Überprüfung anhand eines definierten Temperaturkriteriums oder die Aufbewahrung von Daten für eine spätere Analyse.

Ein reines Bildgebungssystem kann ausreichend sein, wenn der relative Kontrast die Frage beantwortet. Beispiele hierfür sind das Auffinden eines Hotspots, das Erkennen eines thermischen Ziels oder das Beobachten einer Musteränderung, ohne eine kalibrierte Temperatur zuzuordnen.

Betrachten wir eine routinemäßige Anlageninspektion. Eine reine Bildgebungskamera kann aufzeigen, dass ein Lagergehäuse bei ähnlichen Maschinen wärmer erscheint als andere. Eine radiometrische Kamera kann eine geschätzte Oberflächentemperatur an einem bestimmten Punkt erfassen und die Trendanalyse unter vergleichbaren Betriebsbedingungen unterstützen. Das Temperaturmuster allein liefert jedoch noch keine Aussage über die Ursache.

Temperaturüberwachung für Schaltschränke in Stromverteilungsräumen
Die Entscheidung sollte vor dem Vergleich der technischen Daten getroffen werden. Wenn das Ergebnis eine definierte Oberflächentemperatur unter festgelegten Bedingungen angeben muss, gehört die radiometrische Funktionsfähigkeit zu den Anforderungen. Wenn Sie lediglich wissen müssen, dass „diese Komponente wärmer ist als jene“, kann ein qualitativer Arbeitsablauf ausreichen, obwohl eine radiometrische Aufzeichnung die Dokumentation dennoch verbessern kann.

So spezifizieren Sie ein radiometrisches Wärmebildsystem
Beginnen Sie mit der Messung, nicht mit dem Kamerakatalog. Definieren Sie:

Zielobjekt und Oberfläche: Material, Beschichtung, Zustand, Betrachtungswinkel und ob Reflexionen kontrolliert werden können.
Kleinstes Detail: physikalische Abmessungen und wie viele Detektorelemente den Messbereich abdecken müssen.
Arbeitsabstand und Optik: Mindest- und Höchstabstand, Sichtfeld, Fokusanforderungen sowie eventuelle externe Fenster.
Temperaturbereich: erwarteter Minimal-, Maximal- und normaler Betriebsbereich.
Umgebung: atmosphärischer Weg, Luftfeuchtigkeit, Umgebungstemperatur, Vibrationen, Verunreinigungen und Anforderungen an die Gehäuse.
Erforderliches Ergebnis: qualitatives Bild, Punktwert, Flächenstatistik, Trend, Alarmausgabe, Bericht oder exportierter Datensatz.
Datenworkflow: radiometrischer Dateityp, Metadaten, Korrektur nach der Erfassung, Softwarekompatibilität, Exportformat und Aufbewahrung.
Erforderliche Leistung: akzeptable Messunsicherheit, Wiederholbarkeit, Referenzmethode und Verifizierungsverfahren.
Testen Sie anschließend die vorgeschlagene Konfiguration mit einem repräsentativen Zielobjekt und einem repräsentativen Arbeitsablauf. Überprüfen Sie den Fokus und die Abdeckung des Zielobjekts bei der tatsächlichen Entfernung, vergewissern Sie sich, dass die erwarteten Temperaturen im Bereich liegen, speichern Sie die ursprüngliche radiometrische Datei und führen Sie die vorgesehenen Analyse- und Exportschritte durch.

Häufig gestellte Fragen
Bedeutet „radiometrisch“, dass die Temperaturmessung genau ist?
Nicht an sich. „Radiometrisch“ bedeutet, dass die Kamera über ein kalibriertes Verfahren zur Temperaturschätzung verfügt. Das Ergebnis ist nur dann aussagekräftig, wenn sich das Zielobjekt innerhalb des unterstützten Bereichs befindet und die erforderlichen Korrekturparameter zur jeweiligen Szene passen. Die Oberfläche und die reflektierende Umgebung müssen bekannt sein, und Fokus sowie Zielabdeckung müssen ausreichend sein.

Kann man den Emissionsgrad nach dem Speichern eines Wärmebildes ändern?
Manchmal. Die Originaldatei muss die erforderlichen radiometrischen Daten enthalten, und kompatible Software muss die Änderung dieser Eingabewerte ermöglichen. Ein Screenshot oder ein gewöhnliches Farbvideo bewahrt in der Regel nur die visuelle Darstellung, sodass eine spätere Änderung des Emissionsgrades keine Messdaten wiederherstellen kann, die nie gespeichert wurden.

Zeigt jedes Pixel in einem radiometrischen Bild die tatsächliche Temperatur an?
Eine radiometrische Kamera kann für jedes Pixel in ihrem radiometrischen Bild einen Temperaturschätzwert berechnen, doch dieser Schätzwert entspricht nicht automatisch der tatsächlichen Temperatur der Oberfläche. Das Messmodell nutzt Kalibrierungsdaten und radiometrische Eingabewerte; Fokus, Zielabdeckung, Emissivität, Reflexionen, atmosphärische Bedingungen und die Optik beeinflussen das Ergebnis weiterhin.

Definieren Sie die Messung, bevor Sie die Kamera auswählen
Die radiometrische Thermografie ist das richtige Werkzeug, wenn Temperaturdaten die Entscheidung beeinflussen. Ihr Wert ergibt sich aus der gesamten Messkette: einer geeigneten Oberfläche und Betrachtungsgeometrie, einer kalibrierten Kamera, geeigneten radiometrischen Eingangsgrößen, einer gespeicherten radiometrischen Datei, kompatibler Software und einem wiederholbaren Verfahren.