Skip to content

WAS IST THERMOGRAFIE IN DEN INGENIEURWISSENSCHAFTEN?

Die Thermografie ist ein bildgebendes Verfahren, das für zahlreiche Anwendungen wissenschaftlich genutzt wird, z.B. in der Infrarot-Thermografie (IRT), der Wärmebildtechnik und für Wärmevideos. Bei dieser Technik werden Wärmebildkameras eingesetzt, um Strahlung im langwelligen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums (ca. 9.000-14.000 Nanometer, d.h. 9-14 µm) zu erfassen und Bilder dieser Wärmestrahlung, so genannte Thermogramme, zu erstellen.

Das Gesetz der Schwarzkörperstrahlung besagt, dass alle Objekte mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts Infrarotstrahlung aussenden, was bedeutet, dass man mit der Thermografie ohne sichtbare Beleuchtung „sehen“ kann, indem man Temperaturschwankungen abliest. Mit zunehmender Temperatur eines Objekts steigt auch die Menge der von ihm abgegebenen Strahlung, was bedeutet, dass die Thermografie Temperaturschwankungen erfassen kann.

Bei der Verwendung einer Wärmebildkamera heben sich warme Objekte unabhängig von der Tageszeit von kühleren Hintergründen ab, was die Thermografie für das Militär und für Überwachungskameras interessant macht. Auch in der medizinischen Industrie wird die Thermografie häufig eingesetzt, z. B. bei Infrarotthermometern.

Thermographic Inspection

Thermografische Inspektion einer Windturbinenflügelprobe im TWI Technology Centre (Wales).

Die Thermografie kann in zwei verschiedene Arten unterteilt werden: passiv und aktiv. Bei der passiven Thermografie wird die natürliche Temperatur eines Teils genutzt, um ein Bild zu erzeugen, während bei der aktiven Thermografie die Oberfläche eines Objekts erhitzt und dann der Wärmeabfall beim Abkühlen beobachtet wird. Die aktive Thermografie zeigt Materialfehler durch Schwankungen in der Temperaturabfallrate auf. Bei der aktiven Thermografie werden verschiedene Prüfverfahren eingesetzt, um Energie auf die untersuchte Probe zu übertragen: gepulste Thermografie, Stufenerwärmung, Lock-in-Thermografie und Vibrothermografie.

In der Technik wird die Thermografie zur zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) in der Luft- und Raumfahrt, in der Verteidigungstechnik und in vielen anderen Industriezweigen eingesetzt, um Fehler in Strukturen zu erkennen. Mit dieser zerstörungsfreien Prüfmethode können große Bereiche untersucht werden, ohne dass ein Kontakt mit dem zu prüfenden Objekt erforderlich ist, und es können Defekte wie Korrosion, Risse, Delaminationen, Bindungsablösungen, Diffusionsfähigkeit, Aufprallschäden, Feuchtigkeitseintritt, Porosität, systemische Wandverdünnung und Hohlräume festgestellt werden. Sie kann auch zur Prüfung elektrischer und mechanischer Geräte eingesetzt werden, da die meisten defekten Komponenten einen Temperaturanstieg aufweisen, der von der Kamera erfasst werden kann.

Wie funktioniert das Verfahren?

Bei der Thermografie kommen Wärmebildkameras zum Einsatz. Dabei handelt es sich um hochentwickelte Geräte, die die natürliche Emission von Infrarotstrahlung von einem erhitzten Objekt messen und ein Wärmebild oder -video erzeugen. Moderne Infrarotkameras sind tragbar und einfach zu bedienen, so dass sie für viele verschiedene Anwendungen eingesetzt werden können.

Objekte geben bei Erwärmung elektromagnetische Energie ab, wobei mit steigender Temperatur mehr Energie freigesetzt wird. Diese Energie wird in Form von Wellen ausgesandt, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Das menschliche Auge reagiert auf sichtbares Licht im Bereich von 0,4 bis 0,75 Mikrometern, doch die meisten Infrarot-Temperaturmessungen liegen im Bereich von 0,2 bis 20 Mikrometern. Eine Wärmebildkamera ist in der Lage, diese Energie auf einen Detektor zu fokussieren, ähnlich wie eine normale Kamera, nur dass sie auf die Infrarotstrahlung und nicht auf sichtbares Licht reagiert. Dieses Bild wird in verschiedenen Farben dargestellt, um die Temperaturinformationen zu vermitteln.

Da Infrarotenergie von einem Objekt emittiert, übertragen und reflektiert wird, verwenden Infrarotkameras Algorithmen zur Interpretation der Daten, um eine genaue Interpretation der Betriebstemperatur zu erstellen.

Dies wird durch die folgende Formel erklärt:

 

Einfallende Strahlungsleistung = emittierte Strahlungsleistung + übertragene Strahlungsleistung + reflektierte Strahlungsleistung

 

Die einfallende Strahlungsleistung ist das Profil, das durch eine Wärmebildkamera betrachtet wird, die ausgesandte Strahlungsleistung ist die Energie, die gemessen werden soll, die übertragene Strahlungsleistung ist die Energie, die von einer entfernten Wärmequelle durch das Objekt hindurchgeht, und die reflektierte Strahlungsleistung ist die Energie, die von einer entfernten Wärmequelle vom Objekt reflektiert wird. Dies wird als Strahlungswärmeaustausch bezeichnet.

Thermography

Thermografische Untersuchung eines Solarpanel-Bauteils: Von Rolle zu Rolle (R2R) gedruckte leitende Ag-Gitterlinien auf PET-Substrat, durchgeführt für das OLEDSOLAR-Verbundprojekt. Das Substrat wurde vom VTT Technical Research Centre of Finland Ltd. zur Verfügung gestellt.

Die Fähigkeit eines Objekts, Strahlung zu emittieren, wird als Emissionsvermögen bezeichnet und die Fähigkeit, Strahlung zu absorbieren, ist das Absorptionsvermögen. Spiegelnde Oberflächen, wie z. B. metallische Oberflächen, reflektieren Infrarotstrahlung. Das bedeutet, dass Wärmekameras auch Energie aus der Umgebung aufnehmen, die von der spiegelnden Oberfläche reflektiert wird. Eine Kamera muss auch die Energie berücksichtigen, die durch transparente Objekte hindurchgeht und von ihnen übertragen wird. Bei der Kontrolle des Emissionsgrads werden diese Reflexionen und Übertragungen berücksichtigt, um ein genaues Thermogramm zu erstellen. 

Eine Wärmebildkamera berücksichtigt auch Umweltfaktoren wie die Abkühlung durch Wind, um ein Thermogramm zu erstellen, das in der Regel als JPEG-Datei angezeigt wird.

Fallstudie: OLEDSOLAR-Projekt

TWI nimmt an dem von der Europäischen Kommission finanzierten OLEDSOLAR-Verbundforschungsprojekt zur Entwicklung innovativer Herstellungsprozesse und Inline-Überwachungstechniken für Solarzellen. Zu den Projektzielen gehören die Verbesserung der Qualität und Ausbeute der hergestellten Bauteile sowie die Verbesserung der Verarbeitungseffizienz und der Nachhaltigkeit. Automatisierte Verarbeitungssoftware wird die Rolle-zu-Rolle- und Platte-zu-Platte-Fertigung steuern, während neue Recyclingstrategien die Kosten für den Produktabfall reduzieren werden. Der Prozess wird von Sensoren überwacht, die Qualitätskontrolle, Inspektion und Funktionstests ermöglichen.

TWI setzt die Dark-Lock-In-Thermografie (DLIT) ein, um eine laborgestützte Inline-Prüfung von OLEDs und Solarzellen durchzuführen. Eine rechteckförmige modulierte Spannung wird an die Solarfolienproben angelegt, die dann mit einer Infrarotkamera abgebildet werden. Die Kamera zeichnet Wärmebilder auf, während eine selbst entwickelte Relaisschaltung die Stromversorgung entsprechend der erzeugten Rechteckwelle ein- und ausschaltet. Die Kamera zeichnet auch das synchronisierte Rechteckwellen-Referenzsignal des Signalgenerators auf. Das DLIT-System nutzt die Thermografie zur Darstellung von Hotspots, um defekte, zerkratzte Solarmodulaufdrucke zu lokalisieren.

Weitere Informationen über das Projekt und den neuartigen Einsatz der Thermografie zur Überwachung der Herstellung von Solarzellen finden Sie unter dem Titel „Innovative manufacturing processes for opto-electronics devices“ auf https://oledsolarproject.eu

Das OLEDSOLAR-Projekt wurde mit Mitteln aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 820789

Sie können mehr erfahren, indem Sie sich auf Englisch mit uns in Verbindung setzen:

kontakt@twi-deutschland.com

Vorteile

Die Thermografie bietet eine Reihe von Vorteilen:

1. Überwachung großer Bereiche

Da die Thermografie mit visuellen Bildern arbeitet, kann sie Temperaturen über einen großen Bereich erfassen und vergleichen.

2. Überwachung von sich bewegenden Objekten

Die Technik kann auch eingesetzt werden, um bewegte Objekte in Echtzeit zu erfassen.

3. Erkennung von Fehlern vor dem Versagen

Die Thermografie ist in der Lage, die Verschlechterung eines Bauteils zu erkennen, bevor es ausfällt, indem sie Bereiche mit höheren Temperaturen aufspürt, die auf ein Problem hinweisen.

4. Kann während des Betriebs durchgeführt werden

Da für die Thermografie kein physischer Kontakt mit einem System erforderlich ist, können Inspektionen unter vollen Betriebsbedingungen durchgeführt werden, was zu keinen Ausfallzeiten und Produktionsverlusten führt.

5. Ideal für schwer zugängliche, gefährliche und schlecht beleuchtete Bereiche

Diese zerstörungsfreie Methode kann auch zur Beobachtung und Messung von unzugänglichen oder gefährlichen Bereichen verwendet werden und ist in der Lage, Objekte in dunklen Bereichen zu erkennen.

6. Breite Palette von Anwendungen

Die Thermografie eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Überwachung von Rohren, Schächten und anderen Metall- und Kunststoffteilen bis hin zu militärischen und medizinischen Anwendungen, z. B. in der Physiotherapie.

Nachteile

Trotz der vielen Vorteile, die die Thermografie bietet, gibt es auch einige potenzielle Einschränkungen:

1. Die Ausrüstung kann teuer sein

Auch wenn es erschwingliche Optionen gibt, können die hochwertigsten Kameras teuer sein. Dies liegt an den Kosten für größere Pixelanordnungen (1280 x 1024 im Vergleich zu 40 x 40 und 160 x 120). Weniger Pixel bedeuten eine geringere Bildqualität, was die Unterscheidung zwischen Zielen im gleichen Sichtfeld erschweren kann. Preiswertere Kameras können auch eine viel niedrigere Bildwiederholfrequenz haben (5-15 Hz im Vergleich zu 180 Hz oder mehr). Schließlich kann es deutliche Unterschiede bei der Messung der Bestrahlungsstärke geben, da billigere Kameras nicht in der Lage sind, den Emissionsgrad, die Entfernung, die Umgebungstemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit effektiv zu berücksichtigen, was zu weniger genauen Thermogrammen führt.

2. Schwierigkeit der Interpretation

Objekte mit schwankenden Temperaturen können schwer zu interpretieren sein, wobei diese Einschränkung bei der aktiven Wärmebildtechnik geringer als bei der passiven ist.

3. Weniger genau als Kontaktmethoden

Die berührungslose Thermografie ist nicht so genau wie Kontaktmessmethoden, da die meisten Kameras bei der Messung der Temperatur eine Genauigkeit von ±2 % oder schlechter aufweisen.

4. Begrenzte Erkennungsfähigkeiten

Thermografische Methoden und Instrumente sind auf die direkte Erfassung von Oberflächentemperaturen beschränkt.

Anwendungen

Thermografische Inspektion hat eine Reihe von Anwendungen in der gesamten Industrie, einschließlich technischer Anwendungen wie Prozessüberwachung, Überwachung des Anlagenzustands sowie vorbeugende oder vorausschauende Wartung. Die Thermografie ist eine gute Methode für die Wartung elektrischer und mechanischer Systeme, z. B. bei der Lokalisierung von Wärmelecks oder höheren Temperaturen in überhitzten Bereichen. Sie kann auch zur Inspektion von feuerfest ausgekleideten Strukturen und zur Lokalisierung von überhitzten Verbindungen und Abschnitten von Stromleitungen eingesetzt werden, die ein Zeichen für einen bevorstehenden Ausfall sind.

Zu den üblichen technischen Anwendungen gehören:

Gebäudeinspektion

Mit Hilfe der Thermografie lassen sich fehlerhafte Wärmedämmungen aufspüren, indem Wärmelecks lokalisiert werden, um die Effizienz von Heizungs- und Klimaanlagen zu verbessern. Eine Inspektion der Gebäudehülle kann auch Luftlecks in Fenster- und Türrahmen aufspüren. Mit Hilfe der Thermografie lassen sich auch durchnässte Abschnitte von Dächern aufspüren, bei denen die Dachbahn Regenwasser durchgelassen hat, das sich dann zwischen den Schichten des Dachs festsetzt.

Wartung von Anlagen

Die Thermografie kann bei der Wartung von Anlagen eingesetzt werden, indem Wärmebilder von relevanten Maschinenteilen aufgenommen werden, um potenzielle Fehler für die Reparatur zu erkennen.

Instandhaltung von elektrischen Leitungen

Bei der elektrischen Verdrahtung werden Kabel, Stecker und Befestigungsbolzen physisch miteinander verbunden. Qualitativ hochwertige elektrische Verbindungen zeichnen sich durch einen geringen elektrischen Widerstand zwischen den verschiedenen Teilen aus. Wenn sich die Qualität einer Verbindung verschlechtert, steigt die elektrische Verlustleistung in einem Prozess, der als ohmsche Erwärmung bezeichnet wird und der von einer Wärmebildkamera als erhöhte Wärme wahrgenommen werden kann.

Aufspüren von Energieverlusten

Energieverluste können jede Anlage belasten, und die Wärmebildtechnik kann helfen, diese zu beseitigen. So lassen sich zum Beispiel ein übermäßiger Dampfverbrauch und defekte Kondensat-Ableiter, die die nachgeschalteten Kondensat-Rücklaufleitungen aufheizen, mit einer Wärmebildkamera leicht aufspüren. Die Thermografie kann auch andere verschwenderische Energieverluste aufspüren, z. B. Defekte an feuerfesten Blöcken in Öfen, Kesseln oder Schmelzöfen.

Inspektion von Brücken und anderen Bauwerken

Die Thermografie kann auch zur Inspektion von Betonbrücken sowie anderen Bauwerken und betonierten Flächen eingesetzt werden, um Hohlräume und Delaminationen zwischen den Materialschichten aufzuspüren. Wenn Luft oder Wasser in diese Zwischenräume eindringen, beeinträchtigt das die Wärmeleitfähigkeit und kann daher mit einer Wärmebildkamera aufgespürt werden. Sogar versteckter Rost, Risse, Blasenbildung und andere Defekte zwischen den Farbschichten lassen sich damit aufspüren.

Zusammenfassung

Die Thermografie hat ein breites Spektrum an Anwendungen in der Industrie – von der zerstörungsfreien Prüfung bis hin zu militärischen Nachtkampfanwendungen. Wie bei vergleichbaren ZfP-Methoden gibt es auch hier einige Nachteile, die jedoch durch die Vielseitigkeit und die zahlreichen Vorteile meist aufgewogen werden.

Für weitere Informationen senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an:

kontakt@twi-deutschland.com