Infrarotkameras Was das Wärmebild verrät

Infrarotkameras sind in der Elektronikindustrie keine Seltenheit mehr. Sie werden unter anderem zur Fehlersuche in Prototypen elektronischer Baugruppen genutzt, zur Qualitätskontrolle in der Komponentenfertigung oder für die Inspektion von Photovoltaikanlagen.

Infrarotkameras ermöglichen es, anhand der Wärmestrahlung eine kontaktlose Messung der Oberflächentemperatur (Thermografie) von mehreren Objekten auf einmal vorzunehmen. Die dafür notwendige Technik ist komplex, was zum einen hohe Anschaffungskosten bedeutet und zum anderen geschultes Personal für die korrekte Aufnahme und Interpretation eines Wärmebildes erforderlich macht. Diese Punkte waren es auch, die in Deutschland das anfängliche Interesse aus dem Industriesektor an dieser Technik ausbremsten. Mitte der 90er Jahre kostete eine hochwertige IR-Handkamera noch über 100.000 D-Mark. Hinzu kam, dass es weder Normen zur Qualifizierung des Prüfpersonals noch zur Durchführung von Wärmebildmessungen gab, weshalb sich Fälle mehrten, in denen ein unter ungünstigen Bedingungen aufgenommenes Wärmebild Mängel suggerierte, die es gar nicht gab.

Zumindest das Problem fehlender Normen ist mittlerweile überwunden. Es gibt beispielsweise verbindliche Regelungen zur Durchführung von thermografischen Prüfungen von Gebäuden (DIN EN 13187), elektrischen Anlagen (DIN 54191) und zur Qualifizierung und Zertifizierung des Prüfpersonals (DIN EN ISO 9712:2012-12). Organisationen wie der Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft (GDV) bieten entsprechende Schulungen für Elektrofachkräfte an und in vielen Versicherungsverträgen für Industrieunternehmen ist eine regelmäßige thermografische Untersuchung von elektrischen Schaltschränken und Anlagen festgeschrieben.

Teure Komponenten in der Infrarotkamera

Der Preis für Infrarotkameras ist mittlerweile zwar deutlich gesunken, aber für ein hochwertiges Modell ist es auch heute noch nötig, in etwa den Gegenwert eines oberen Mittelklassewagens zu investieren. Die preisintensiven Komponenten sind der Infrarot-Detektor und die ihm vorgelagerte Optik, die entweder aus Germanium, Germaniumlegierungen oder Zinksalzen besteht. Mit günstigeren Materialien lässt sich die üblicherweise genutzte Strahlung aus dem nahen bis mittleren Infrarotspektrum (7 bis 14 μm) nicht in der nötigen Weise fokussieren. Als Detektor dient häufig eine Matrix (Focal Plane Array, FPA) mit 10.000 bis aktuell maximal 1 Mio. Pixeln, die aus Vanadiumoxid oder amorphem Silizium bestehen. Durch die Absorption von IR-Strahlung heizen sich diese Materialien sehr schnell auf und verändern dabei ihren elektrischen Widerstand. Damit ein Pixel zügig ins thermische Gleichgewicht gelangt, ist das FPA sehr dünn gefertigt (ca. 150 nm) und gegenüber den umliegenden Komponenten stark wärmeisoliert. Die Widerstandsänderung wird als Variation einer über dem Pixel abfallenden Signalspannung gemessen. Das Signal geht danach über einen Vorverstärker (Bild 1) zu einem Analog-Digital-Umsetzer. Ein Prozessor berechnet die zur Signalstärke zugehörige Objekttemperatur, die auf einem Display als Falschfarbenbild angezeigt oder zurück in ein Analogsignal umgewandelt und ausgegeben werden kann. Die Temperatur an der Oberfläche des Messobjekts ergibt sich aus dem Detektorsignal über die Gleichung

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mit U: Detektorsignal; C: geräteabhängige Konstante; TH: Temperatur der Hintergrund-Infrarotstrahlung, die lediglich vom Messobjekt reflektiert wird; TG: Gerätetemperatur der Infrarotkamera; ε: Emissionsgrad des Objekts.

Anhand der Formel wird deutlich, dass für eine korrekte Ermittlung der Oberflächentemperatur eines Objekts neben der Signalspannung noch weitere Faktoren berücksichtigt werden müssen. Ihr Einfluss auf das Messergebnis wird entweder anhand von Parametereingaben durch den Bediener oder vollautomatisch von der Infrarotkamera kompensiert. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Emissionsgrad ε. Er beschreibt das Verhältnis der Strahlungsintensität des Messobjekts gegenüber der eines idealen schwarzen Strahlers, wenn beide die gleiche Temperatur haben. Es gilt: 0 ≤ ε ≤ 1. Der Emissionsgrad hängt vom Oberflächenmaterial des emittierenden Körpers, vom Emissionswinkel und in einigen Fällen (z.B. bei vielen Metallen) auch von der Oberflächenbeschaffenheit und der Wellenlänge der emittierten Strahlung ab.

Wenn eine gute Infrarotkamera nun doch so teuer und die Durchführung einer korrekten Messung relativ komplex ist, wo besteht dann noch der Nutzen für den Anwender? Der große Vorteil eines Wärmebildes gegenüber den Alternativen – beispielsweise eine Kontaktmessung mit einem Thermoelement oder eine kontaktlose Punktmessung mit einem IR-Thermometer – ist, dass mit einer einzigen Aufnahme der Infrarotkamera ein Abbild der Wärmeverteilung innerhalb einer Fläche erzeugt wird. Komplexe Systeme können sozusagen auf einen Blick auf Wärmestaus untersucht werden, die sich negativ auf die Funktion auswirken oder ein Anzeichen für einen baldigen Komponentenausfall sein können. Gibt es nur wenige Komponenten, deren Temperatur bestimmt werden soll, reicht auch eine Punktmessung aus. In der Elektronikindustrie werden Infrarotkameras mittlerweile in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt.