Infrarot-Thermografie

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Infrarot-Thermografie Dietrich Schneider

Einführung in die praktische

Infrarot-Thermografie

2. korrigierte Auflage

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Infrarot-Thermografie

1 Einführung 2 IR-Grundlagen

3 Wärme und Temperatur 4 Gerätetechnik

5 Messtechnik 6 Geräteparameter

7 Praxisanwendungen in der Bau-, Elektro- und Industriethermografie 8 Dokumentation

9 praktische Übungen mit IR-Wärmebildkameras

© Dietrich Schneider 2019

10 Verzeichnis der Tabellen und Abbildungen 11 Literaturempfehlungen

Inhalt

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Infrarot-Thermografie

2. IR-Grundlagen

 Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes von 0 K (-273,15 °C) sendet elektromagnetische Strahlung aus.

 Für die Infrarottechnik ist der Wellenlängenbereich oberhalb des sichtbaren Spektrums (0,38 – 0,76 µm) interessant.

 Die technische Temperaturmessung nutzt den als thermisches Infrarot bezeichneten Wellenlängenbereich von 0,8 – 14 µm.

Hier wird der größte Teil der gesamten Wärmestrahlung emittiert.

Infrarot-Thermografie – was ist das?

Infrarot-Thermografie/Pyrometrie –

Infrarot-Temperaturmessverfahren, bei dem berührungslos die Intensität der elektromagnetischen Strahlung eines Körpers gemessen wird.

Abb. 2: Thermogramm „Hubschrauber“

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Infrarot-Thermografie

2. IR-Grundlagen

Beispiele 1

0,4 0,7 2 5 8 12

100

1 10

m m C T

K T

~ 0,5 2,4 9,3 10,6 37,6

~5780 ~1200 310 273 77

~5525 ~927 37 0 -196

Sonne Flamme Mensch Eis LN

Abb. 8: Typische Temperatur- und Wellenlängenbereiche

Arbeitsbereich von MW- bzw. LW-Thermokameras

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Infrarot-Thermografie

3.2 Wärmeübertragung

Mechanismus der Wärmeübertragung

Wärmeströmung (Konvektion) Wärmestrahlung

Wärmeleitung (Konduktion)

in den umgebenden Raum

in die benachbarten Bauteile

in das umgebende Fluid

Beispiel: CPU-Kühlung

Abb. 18: Wärmeübertragung

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Infrarot-Thermografie

4. Gerätetechnik

Klassifizierung – Detektortechnologien

Thermografie-Kameras

Bildwandler- röhre

(seit 1940)

Sichtgeräte Temperaturmesskameras

Scanner Focal-Plane-Array (FPA) Scanner

militärisch

Focal-Plane-Array (FPA)

gekühlt ungekühlt*

gekühlt ungekühlt

* (Mikro-)Bolometer = Strahlungsmesser (griechisch: bolo = Strahl)

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Infrarot-Thermografie

4. Gerätetechnik

Bilddarstellung – Funktion von „LEVEL“ und „SPAN“

 Die Signalverarbeitung der IR-Kamera erfolgt mit 14/16 Bit Auflösung über den gesamten

Temperaturmessbereich.

 Die Darstellung im Display kann durch Level und Span beeinflußt werden und er- reicht 8 Bit Auflösung.

Somit können 256 Stufen farblich codiert dargestellt

werden. _Sc^hwar

zkörper-Temperaturmessbereich 14 bit = 214 = 16.384 Temperaturstufen Span Level

8 bit = 28 = 256 Grau-/Farbwerte

A/D-Wandlung IR-Bilddarstellung

Span Kontrast Level Helligkeit

Abb. 48: Level und Span

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Infrarot-Thermografie

5. Messtechnik

Strahlungsverteilung – Reale Messsituation

S_Obj S_Umg

S_Atm Umgebung

ε·S_Obj

(1-ε)·S_Umg

(1-τ)·S_Atm

τ·ε·S_Obj τ·(1-ε)·S_Umg

Atmosphäre

mit:

S Strahlung

ε Emissionsgrad des Objekts τ Transmissionsgrad der Atmosphäre (LOWTRAN, MODTRAN)

Die IR-Kamera empfängt aus der Bildszene: S_Det = τ·ε·S_Obj + τ·(1-ε)·S_Umg + (1-τ)·S_Atm (5.1)

Messgerät S_Det

Abb. 54: Schematik einer realen Messsituation

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Infrarot-Thermografie

5. Messtechnik

Messparameter – Übersicht

 Ein korrektes Thermogramm erfordert die Eingabe folgender Kamera-Parameter:

Umgebungsstrahlungstemperatur T_Umg Temperatur Atmosphäre T_Atm

Emissionsgrad ε

Abstand d relative Luftfeuchte rF

Abb. 68: Thermogramm „Flüssigaluminium-Transport“

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Infrarot-Thermografie

6. Geräteparameter

Geometrische Auflösung – reale Messfleckgröße

 Praxisbeispiel:

- IFOV = 1,2 mrad

- Objektabstand d = 0,5 m - Kabeldurchmesser 2 mm

- ges.: x _real [mm] (realer Messfleck)

 x _real = IFOV ∙ d ∙ f_Optik

= 1,2 mrad ∙ 0,5 m ∙ 3 = 1,8 mm

Abb. 110: Kabelklemme

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Infrarot-Thermografie

7. Praxisanwendungen

Anwendungsgebiete – Übersicht

Leistungs- und Fehleranalyse

Bauthermografie Instandhaltung

Prozessoptimierung

Forschung und Entwicklung

Medizin

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Infrarot-Thermografie

8. Dokumentation

IR-Report – Grundstruktur

 Ein IR-Report besteht typischerweise aus folgenden Kapiteln:

Deckblatt

Beschreibung Thermogramme und

Fotos

Fazit

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Infrarot-Thermografie

9. Praktische Übungen

Praktische Thermografie mit eigener oder Leihkamera

 „Grau, teurer Freund, ist alle Theorie.

Und grün des Lebens goldner Baum.“ (Goethe, Faust I)

 Kontakt:

kontakt@thermografie-schneider.de dietrich.schneider@hs-ansbach.de Internet

www.thermografie-schneider.de www.hs-ansbach.de

Abb. 123: Thermogramm „Dietrich Schneider“

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Infrarot-Thermografie

11. Literaturempfehlungen

Marek, R. & Nitsche, K. (2015). Praxis der Wärmeübertragung. München: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG

Hoffmann, J. (2015). Taschenbuch der Messtechnik. München: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG

Fouad, N.A & Richter, T. (2012) Leitfaden Thermografie im Bauwesen. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag

Budzier, H. & Gerlach, G. (2010). Thermische Infrarotsensoren. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Literatur