Thermographie

Unter Verwendung des „Leitfaden zur Wärmefluss-ThermographieFraunhofer-Allianz Vision, Beitrag Nr. 2: „Grundlagen der Thermographie“ von Jochen Aderhold und Peter Meinlschmidt

Jedes Objekt mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes (0 Kelvin = -273,15 °C) sendet elektromagnetische Strahlung (IR-Strahlung, thermische oder Planck`sche Strahlung) aus. Deren Intensitätsverlauf als Funktion der Wellenlänge ist für die jeweilige Temperatur charakteristisch und wird durch die Planck`sche Formel beschrieben:

Dabei ist M0λ die pro Fläche und pro Wellenlängenintervall durch einen idealen (»schwarzen«) Strahler emittierte Strahlungsleistung (Einheit: W/m3), während λ die Wellenlänge und T die absolute Temperatur bezeichnen. Die Konstanten C1 und C2 setzen sich in der folgenden Weise aus den Naturkonstanten h (Planck'sche Konstante), c (Lichtgeschwindigkeit) und kB (Boltzmann-Konstante) zusammen:

In Bild 1 (Fraunhofer-Allianz Vision) ist die thermische Strahlung eines schwarzen Strahlers für den Temperaturbereich von 300 bis 700 K graphisch dargestellt. Es fällt auf, dass die Gesamtstrahlungsleistung (Fläche unter den Kurven) mit der Temperatur stark zunimmt.   

Da M0λ bei gegebener Wellenlänge nur von der Temperatur abhängt, kann die thermische Strahlung durch Messung der Strahlungsleistung bestimmt werden. Voraussetzung für die Anwendbarkeit der Planck'schen Formel ist allerdings ein thermisches Gleichgewicht zwischen den Atomen und den Molekülen, aus denen das Messobjekt besteht. Für industrielle Messaufgaben trifft dies fast immer zu. Gegenbeispiele sind Plasmaentladungen, wie sie zum Beispiel in Lichtbögen vorkommen. Deren Temperatur lässt sich also nicht auf die beschriebene Weise bestimmen.

Das menschliche Auge kann diese Strahlung aber nicht wahrnehmen, denn es ist in diesem Wellenlängenbereich quasi blind. Nicht so die Wärmebildkamera. Deren Kernstück, der Infrarot-Detektor, ist sensitiv für IR-Strahlung. Aufgrund der Intensität der IR-Strahlung ermittelt er die Temperatur der Objektoberfläche und macht sie für das menschliche Auge durch ein Wärmebild sichtbar. Diesen Prozess nennt man Thermographie.

Die Thermographie (Temperaturmessung mit einer Wärmebildkamera) ist ein passives, berührungsloses Messverfahren. Dabei zeigt das Wärmebild die Temperaturverteilung der Oberfläche eines Objekts an. Mit einer Wärmebildkamera kann man aus diesem Grund nicht in Objekte hinein- oder gar durch sie hindurchschauen, sondern lediglich deren Oberflächentemperatur sichtbar machen (Bild 2, Fraunhofer-Allianz Vision).

Wird beispielsweise die Ableitung der Wärme in das Innere eines Objektes durch Fehlstellen mit geringer Wärmeleitfähigkeit behindert (Bild 3, Fraunhofer-Allianz Vision bleibt die Oberfläche über der Fehlstelle länger warm. Dies wird im Thermographie Bild erkannt und kann zur Erkennung der Fehlstelle genutzt werden.

Weiterführende Stichworte:
Wärmefluss
Wärmeleitfähigkeit
 

 

  • Bild 1: Thermische Strahlung eines schwarzen Strahlers für den Temperaturbereich von 300 bis 700 K (Fraunhofer Vision, Fraunhofer WKI)
  • Bild 2: Thermographie Bild eines Rotorblattes einer Windenergie Anlage (Fraunhofer Vision, Fraunhofer WKI)
  • Bild 3: Prinzip der aktiven Wärmefluss Thermographie (Fraunhofer Vision, Fraunhofer WKI)
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