Wie funktioniert eine Infrarotkamera?

Erkennung der Infrarotenergie


Eine Infrarotkamera ist ein kontaktloses Gerät, das Infrarotenergie (Wärme) erkennt und in ein elektronisches Signal umwandelt. Dieses wird verarbeitet um an einem Monitor ein Wärmebild zu erzeugen und Temperaturberechnungen durchzuführen. Die von einer Infrarotkamera erfasste Wärme lässt sich sehr präzise quantifizieren oder messen, sodass nicht nur das Wärmeverhalten überwacht, sondern auch das relative Ausmaß wärmebezogener Probleme erkannt und bewertet werden kann.

Messprinzip

Wenn elektromagnetische Strahlung auf einen realen Gegenstand auftrifft, werden Strahlungsanteile absorbiert, das heisst aufgenommen und in Wärme umgesetzt. Ein anderer Teil der Strahlungsanteile wird reflektiert, bzw. zurückgespiegelt und in den Raum zurückgeworfen. Bei durchlässigen Körpern, wie Glas (Sonderfall) kann ein Teil der Strahlung auch transmittiert, das heisst durchgelassen werden. Die massgebenden Strahlungsgesetze sind im PLANCK'schen Strahlungsgesetz, im STEFAN-BOLTZMANN'schen Gesetz und WIEN'schen Verschiebungsgesetz beschrieben.
Gegenstände die sich im thermischen Gleichgewicht befinden, strahlen genauso viel Wärme ab (Emissionsgrad) wie sie aufnehmen (Absorptionsgrad). Darum können diese Körper als Thermogramme sichtbar gemacht werden. Blanke metallische Oberflächen können dagegen nicht sichtbar gemacht werden, da sie sich nicht im thermischen Gleichgewicht befinden, genauso wie der Sonderfall Glas (Treibhauseffekt).

Die einfallende Infrarot-Strahlung wird von einem Infrarot-Detektor in elektrische Signale umgewandelt. Da die thermische Energie bei Umgebungstemperatur ausreicht um Elektronen zu aktivieren, müssen zur Vermeidung des damit verbundenen Rauscheffektes, der eine Infrarot-Messung unmöglich machen würde, die Detektoren während des Betriebes auf eine bestimmte Arbeitstemperatur gekühlt werden. Die von Rhena-Therm eingesetzte Kamera kann Temperaturen von -20°C bis zu +350°C messen. Dabei werden Temperaturunterschiede von weniger 0,07 K farblich unterschieden und sichtbar gemacht. Das Wärmebild besteht aus 76’800 Bildpunkten (320 x 240 Pixeln) und kann in verschiedenen Farbpaletten dargestellt werden.

Qualitätsmerkmale einer IR-Kamera

IR-Bildauflösung  (320 x 240 Pixel)           

Damit setzt sich jedes Bild aus 76’800 Messpunkten zusammen und kann sehr detailliert ausgewertet werden. Kleinere Pixelzahlen liefen deutlich weniger Bildinformationen. Kameramodelle mit z.B. 160 x 120 Pixeln setzen ihre Bilder nur noch aus 19'200 Messpunkten zusammen.

 

Thermische Auflösung NETD (0,07 K)

Der NETD-Wert (Noise Equivalent Temperature Difference) gibt an, welche kleinsten Temperatur-unterschiede eine Kamera auflösen bzw. unterscheiden kann. Mit 0,07 K (Kelvin) kann die Kamera kleinste Temperaturdifferenzen von 0,07°C anzeigen. Je empfindlicher die Kamera Temperaturen unterscheiden kann, je mehr Objekte und Informationen können auf dem Bild sichtbar gemacht werden.

 

Geometrische Auflösung IFOV  (1,36 mrad)

Dieser Wert beschreibt den von einem einzelnen Detektor (Messpunkt) erfassten Bildausschnitt. Je kleiner dieser Wert, umso kleinere Objekte können gemessen werden. Bei einem Wert von 1,36 mrad kann die Kamera bei 1 m Messdistanz Objekte ab einer Grösse von 1,36 mm erkennen und messen. Dies bei Annahme eines idealen optischen Systems. Wegen der Verzeichnung jedes realen optischen Systems, wird diese ideale Messfleckgrösse mit Faktor 3 multipliziert und ergibt dann die reale Messfleckgrösse, in Abhängigkeit der Messdistanz.