Allgemein
Die Thermografie als berührungslose bildgebende Infrarot (IR)-Temperaturmessmethode ermöglicht die zuverlässige Ortung und Quantifizierung thermischer Fehlstellen bei laufendem Betrieb der Anlage ohne Beeinflussung des Messobjekts. Sie ist eine unverzichtbare Inspektionshilfe und leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Früherkennung von sich anbahnenden Schäden.

In einer Infrarotkamera wird die von einem Sensor aufgenommene Wärmestrahlung in ein Wärmebild (Thermogramm) umgewandelt und auf einem Speichermedium abgelegt. Das Thermogramm gibt die Temperaturverteilung an der untersuchten Objektoberfläche wieder. Durch Auswertung der flächigen Temperaturinformation werden nicht sichtbare Strukturen erkannt.


Grundlagen
Die IR-Thermografie beruht darauf, dass jede Oberfläche, unabhängig vom Aggregatzustand, mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes (0K oder -273°C) eine elektromagnetische Wärmestrahlung emittiert, die jenseits der roten Linie des sichtbaren Lichts (λ0,75 µm) im elektromagnetischen Spektrum liegt. Für die Thermografie ist das Thermische Infrarot mit dem Wellenlängenbereich bis 14 µm von besonderem Interesse, da in diesem Teil des elektromagnetischen Spektrums die Wärmestrahlung am intensivsten emittiert wird. Die relevanten Strahlungsgesetze sind im PLANCK´schen Strahlungsgesetz, im STEFAN-BOLTZMANN´schen Gesetz und WIEN´schen Verschiebungsgesetz beschrieben.

Aufgrund der wellenlängenabhängigen Dämpfung der IR-Strahlung in der Atmosphäre nutzen die Bild gebenden IR-Systeme entweder das Kurzwellenband von 2-5 µm (SW) oder das Langwellenband von 8-12 µm (LW). Die einfallende Wärmestrahlung wird von einem IR-Detektor (Energiewandler) in elektrische Signale umgewandelt und zu einem Wärmebild weiterverarbeitet. Die Zuordnung von Temperaturen zur erfassten Wärmestrahlung setzt voraus, dass die Emissionsfaktoren der Objektoberflächen im jeweiligen Wellenlängenbereich bekannt sind.

Kameras der neuen Generation sind mit Sensoren in FPA-Qualität (Focal Plane Array) ausgerüstet und wegen ihres geringen Gewichts gut zu handhaben. Für Standarduntersuchungen empfehlen sich Mikrobolometer-Systeme, die ungekühlt sind und über eine Detektorauflösung von 320 x 240 Pixel bei schnellem Bildaufbau, d. h. mindestens 50 IR-Bilder je Sekunde, verfügen. Die neusten Thermpgrafiesysteme haben eine Detektormatrix von 640 x 480 Bildpunkten, dies entspricht 307.200 einzelne Messpunkte. Es können geringste Temperaturunterschiede von 0,1K bei 30°C Umgebungstemperatur (Thermische Auflösung) und besser erfasst werden (abhängig vom Kameratyp). Für untergeordnete Messaufgaben stehen auch preisgünstige Infrarotkameras zur Verfügung. Geringe Bildpunktanzahlen, schlechtere thermische Auflösungen und keine Möglichkeiten verschiedene Optiken oder gar Filter benutzen zu können, charakterisieren in der Regel diese Kameras.

Heutige hochleistungsfähige Thermografie- Systeme sind nach wie vor sehr teuer und liefern detailgetreue, temperaturkalibrierte Wärmebilder in Echtzeit, die für eine Tatsachenentscheidung sofort zur Verfügung stehen. Die IR- Bildverarbeitung erfolgt rechnergestützt mit einer anwenderfreundlichen Report-Software. Zahlreiche Funktionen ermöglichen eine kundenspezifische Auswertung.

Spricht man anwendungsbezogen im allgemeinen Sinne von Thermografie, so meint man die passive Thermografie, bei der die temperaturabhängige Eigenstrahlung des Objektes detektiert wird. Bei der aktiven Thermografie wird dagegen zum Zwecke der Messung durch äußere Energieeinbringung (Anregung) im Prüfobjekt ein Wärmefluss erzeugt.


Anwendungsgebiete
Thermografie als probate Untersuchungsmethode deckt Fehlstellen, die an der Objektoberfläche durch Übertemperaturen (Hot Spots) erkannt werden, frühzeitig auf. Daher ergeben sich für Thermovisionskontrollen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, die an einigen Beispielen erläutert werden.


Bauwesen
Der thermografische Einsatz erfolgt traditionell zum Nachweis von Dichtungs- und Dämmungsfehlern, die als Bauplanungs- und Ausführungsmängel auftreten können. Eingeleitete Sanierungsmaßnahmen verbessern den Wärmeschutz und führen somit zu Energieeinsparungen. Um seriöse Messungen an Gebäuden durchzuführen, machen sich jedoch generell Messungen aus dem Außen- und dem Innenbereich notwendig, da sehr viele thermische Schwachstellen nur aus dem Innenbereich lokalisiert werden können (s. hierzu auch VATh- Flyer).

Infrarotbild eines Hauses mit starkem Pflanzenbewuchs. Hier geben nur Messungen aus dem Innenbereich Aufschluß über evtl. Wärmebrücken.

In der Denkmalpflege lässt sich unter Putz verborgene historische Bausubstanz in Form baugeschichtlich interessanter Massivbauteile und von Fachwerk thermografisch nachweisen.

Realbild und Infrarotbild lassen sich auch miteinander kombinieren
Kombiniertes Wärme- und Sichtbild, Gebäudefassade mit verborgenem Fachwerk

 

Haustechnik
Mit Hilfe der Thermografie können verdeckt liegende Heizungs- und Versorgungsleitungen lokalisiert und Rohrbrüche geortet werden. Es lassen sich Durchfeuchtungen nachweisen, die zu einer Gefährdung der Bausubstanz führen. Festlegung von Kernbohrungen in Böden mit Fußbodenheizung zur Einleitung von Trocknungsmaßnahmen stellt ein weiteres Anwendungsbeispiel dar.

Ortung der Fußbodenheizung in Vorbereitung von Kernlochbohrungen zur technischen Austrocknung 

Energieversorgung durch Fernwärme
Bei Fernwärmeleitungen zur Versorgung der Haushalte mit Heizungsenergie und Betriebe mit Prozesswärme können durch thermografische Inspektion Mängel an der Außenisolierung aufgespürt werden (Energetische Diagnostik). Bei unterirdischem Leitungsverlauf werden Leckstellen erfolgreich lokalisiert.

Rohrbogen einer 100 bar Heissdampfleitung
Fehlerhafte Außenisolierung

 

Elektrische Einrichtungen
Die thermografische Untersuchung elektrischer Bauteile und deren Verbindungselemente erfolgt unter Last in allen Spannungsebenen im Rahmen der Instandhaltung, um Schwachstellen frühzeitig aufzudecken. Übergangswiderstände führen durch Umsetzung elektrischer Leistung in Wärme (Verlustleistung) zu Temperaturerhöhungen (Stromwärme), die problemlos erkannt und meist eindeutig beurteilt werden können.

Fehlerhafter Schienenanschluss Leiter L3 sekundärseitig

NH-Sicherung einer 400V-Hauptverteilung Fehlerhafter unterer Sicherungskontakt L2

 

Unverzichtbare Inspektionshilfe leistet die IR-Thermografie auch bei der Überprüfung von Hochstromverbindungen in Umspannanlagen (Freiluftschaltanlagen), die den Energietransport vom Kraftwerk zum Verbraucher gewährleisten und somit zu einem wesentlichen Teil der elektrischen Energieversorgung beitragen.

380kV Scherentrenner mit fehlerhaftem Trennerkontakt

 

Elektronik
Bei Temperaturen > 60°C erfolgt eine verstärkte Alterung der elektronischen Bauteile, was deren Funktion, Zuverlässigkeit und Lebensdauer wesentlich einschränkt. Daher werden IR-Kontrollmessungen an Leiterplatten und Elektronikkarten in der Entwicklung, Fertigung und bei laufendem Betrieb durchgeführt.

Steuerkarte einer EMSR-Einrichtung

 

Industrie
Die Thermografie nimmt im Rahmen der Technischen Diagnostik bei der Untersuchung industrieller Objekte einen besonderen Stellenwert ein. IR-Messungen werden insbesondere zur Prozessüberwachung, Überprüfung der Anlagenzuverlässigkeit, Qualitätssicherung und Instandhaltung durchgeführt. Die Oberflächen mechanischer Einrichtungen dürfen aus arbeitsmedizinischer Sicht, aber auch aus Gründen der Prozessführung, Energieeinsparung und unter Berücksichtigung konstruktiver Belange und der Werkstoffeigenschaften bestimmte Grenztemperaturen (Designauslegung) nicht überschreiten. Industrielle Objekte sind u. a. Rohrleitungen, Druckbehälter, Tanks, Kesselanlagen, Prozessöfen, Schmelzöfen, Abhitzeblocks, Rauchgaskanäle, Kamine und Produkte der Komponentenfertigung in den verschiedensten Industriebetrieben.

Raffinerieofen mit Rauchgaskanal
Fehlerhafte Innenisolierung im unteren Bereich der Konvektionszone

Röhrenbündelwärmetauscher in einer Raffinerie
Innere Ablagerungen am Wärmetauscher-Mantel

Drehrohrofen in einem Zementwerk
Örtliche Ansätze zu Beginn der Sinterzone, Fehlerhafte Ausmauerung am Austritt des Drehrohrofens

 

Automatisierungstechnik
Durch Online-Wärmebildtechnik werden Prozesse überwacht und Fehlstellen durch deren Temperaturstrukturen in Echtzeit erkannt. Mit Hilfe der ermittelten Messdaten können Prozesse gesteuert werden, was wiederum zur Steigerung der Produktivität, zu Qualitätsverbesserungen und erhöhter Sicherheit führt. Bevorzugte Einsatzgebiete sind z. B. Automobilindustrie mit Zuliefererbetrieben ferner Stahl-, Papier- und Zementindustrie.

Widerstandsfertigung in einem Automobil-Zuliefererbetrieb Präzisionswiderstand mit (NOK) und ohne Fehlstelle (OK) Lokalisierung durch Online-Prozessüberwachung (IR- Bilder - Schönbach Infrarot Service)

 

Medizin
Die Thermografie wird bereits seit etwa 40 Jahren zur medizinischen Diagnostik eingesetzt. Krankhafte organische Veränderungen äußern sich häufig durch Temperaturinhomogenitäten, wodurch z. B. Durchblutungsstörungen, Tumore, Entzündungen, Narbengewebe festgestellt werden können. Thermografische Messungen werden sowohl in der Human- als auch Veterinärmedizin genutzt.

Elefant mit Tierpflegern
Altes Narbengewebe an der Hüftbeule des Elefanten, Entzündungen an Vorder- und Hinterbeinen