Erhöhte Temperatur

Infrarotbasierende Wärmebildkameras werden zunehmend für den Sicherheitsmarkt interessant – nicht nur zur Branderkennung auch als Ergänzung herkömmlicher Videoüberwachungsanlagen. Wärmebild- kameras sind heute technisch ausgereift und bieten zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Die Baugrößen wurden durch die Verwendung neuartiger Sensoren/ Detektoren und verbesserter Bildprozessoren weiter verringert und die Bauformen an unterschiedlichste Anwendungen angepasst.

Temperaturentwicklung an einem Drehrohrofen in einem Zementwerk, aufgenommen mit einer Wärmebilkamerasystem mit Fusionstechnologie.

Die meisten Menschen kennen Wärmebildkameras aus der Gebäudethermografie, um Wärmeverluste sichtbar zu machen. Feuerwehren benutzen besonders robuste Geräte zur Rettung von Menschen aus verrauchten und brennenden Gebäuden und zum Aufspüren von Brandherden. Aufgrund des Funktionsprinzips können Wärmebildkameras auch bei Dunkelheit, Regen und bei Nebel verwertbare Bilder erzeugen, und das über wesentlich größere Distanzen als „normale“ Videokameras.

Experimente seit 1800

Bereits im Jahr 1800 experimentierte der Physiker Wilhelm Herschel mit den „unsichtbaren Strahlen“: Ein Glasprisma zerlegte Sonnenlicht in seine Spektralfarben. Mit einem Thermometer wies er nach, dass die Temperatur jenseits des roten Lichtes noch immer anstieg. Diese Strahlung nehmen wir als Wärme wahr.

Am Ende des 19. Jahrhunderts formulierte Max Planck sein Strahlungsgesetz: Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin = -273,15 Grad Celsius), sendet elektromagnetische Eigenstrahlung aus. Der Amerikaner Samuel Langley konstruierte 1878 den ersten Wärmesensor, die Urform des Bolometers.

Zwei elektrisch verschaltete Platinstreifen waren die strahlungsempfindlichen Elemente. Auf einen Streifen lenkte er die Wärmestrahlung, der andere war Referenzobjekt. Die Wärme veränderte die elektrische Leitfähigkeit – in beiden Streifen flossen unterschiedliche Ströme. Deren Differenz ist ein Maß für die auftreffende Strahlungsenergie. Eben dieses Funktionsprinzip ist noch heute Grundlage der modernen Mikrobolometer.

Ungekühlte Infrarot-Detektoren für den Dauerbetrieb

Die ersten transportablen Wärmebildkameras der 1970er Jahre verwendeten Kathodenstrahlröhren als Bildaufnehmer (Vidicon), die aufwändig mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden mussten. Die Geräte waren unzuverlässig und die Bildqualität – nach heutigem Maßstab – sehr bescheiden. Modernere Baugruppen bedienten sich moderneren Kühlmethoden, wie Argongas-, Stirling- oder Petierelementkühlung, jedoch mit den damit verbundenen Nachteilen des Verscheißens und der erforderlichen Maintenance und Serviceaufwendungen.

Eine neue Generation entstand mit der FPA-Technologie (englisch: focal plane array). Über eine spezielle Optik (focal) wird Wärmestrahlung auf einen flächigen (plane) Bildaufnehmermatrize (array), den Mikrobolometer projiziert. Dieser besteht aus einer matrix-förmigen Anordnung vieler winziger strahlungsempfindlicher Einzelelemente. Jedes einzelne verkörpert einen Bildpunkt (Pixel).

Je größer die Anzahl der Bildpunkte, desto besser die Bildauflösung, umso mehr Details werden abgebildet. Da diese Sensoren nicht gekühlt werden müssen, bezeichnet man sie als ungekühlte Mikrobolometer (englisch: UFPA; uncooled FPA).
Hier unterscheidet man im Besonderen die auf amorph Silicon und die VOx (vanadium oxide) basierenden Materialvarianten.
Vorzuziehen sind die VOx Detektoren, da diese durch eine höhere Temperaturempfindlichkeit, besserem Signalrauschverhältnis (S/N) und dadurch einem geringeren (NETD) überzeugen. Sie sind langlebig, besonders im 24/7 Betrieb und driftstabil, bieten daher die besten Voraussetzungen zur Lösung von für fixinstallierten bzw. Applikationen mit PTZ (pan tilt/ Schwenk-Neigesystem).

Falsche Farben optische Vielfalt und Vernetzung

Wärmebildkameras generieren radiometrische Abbilder von Temperaturereignissen. Solche 2-dimensionale Darstellungen können aufgrund der verwendeten Detektoren, der Applikation angepasst mehr oder weniger gut thermisch bzw. geometrisch aufgelöst sein.

Der Mikrobolometer erzeugt aus den temperaturabhängigen elektrischen Signalen prinzipiell ein Schwarz-Weiß-Bild mit Graustufen. Ein Mikroprozessor in der Wärmebildkamera ordnet diesen Grauwerten bestimmte Farben zu. Dadurch entsteht die so genannte Falschfarbendarstellung.

Misst eine Kamera, zum Beispiel in der Prozesskontrolle, eine zuvor eingestellte Höchsttemperatur, so können diese Stellen im Schwarz- Weiß-Bild eingefärbt werden, meist rot für sehr heiße und blau für kühlere Temperaturen. Dazwischen liegen die Farben für die mittleren Temperaturwerte.

Einsatzgebiete

Moderne Wärmebildkameras lassen sich auf die gleiche Weise einsetzen wie normale Videokameras. Man kann sie an Wandarmen befestigen, sie können auf Schwenk- Neigeköpfen montiert werden, und es gibt sie auch als Dome-Kameras. Je nach Gerätetyp verfügen sie über einen RJ-45-Netzwerkanschluss und können so in vorhandene Netzwerke oder in spezielle Sicherheitsnetze mit TCP/IP-Protokoll integriert werden.

Wärmebildkameras setzt man heute überall dort ein, wo sich bewegte oder rotierende Teile unkontrolliert durch Prozesse oder Lagerungsbedingungen erhitzen können oder wo stromdurchflossene Teile übermäßige Wärme erzeugen und damit Brände verursachen können.

Im Bereich der Wartung elektrotechnischer Anlagen werden beispielsweise Elektro-Schaltschränke, Serverschränke oder auch Windkraftanlagen mit handlichen Wärmebildkameras nach überhitzten Stellen abgesucht. Möglichen Bränden, die Menschenleben kosten und hohe Sachschäden anrichten können, kann damit effektiv vorgebeugt werden.

Typische Anwendungsbereiche

  • Brandverhütung
  • Energie-Management
  • Sicherheitstechnik
  • Industrielle Prozesskontrolle
  • Luftüberwachung
  • Personenerkennung
  • Hotspoterkennung
  • Positionserkennung

 

Wärmebildkameras erzeugen temperaturabhängige elektrische Signale. Diese radiometrische Informationen können prinzipiell als schwarz-/weiß Bilder sprich Graustufen dargestellt werden. Ein Mikroprozessor in der Kamera ordnet diesen Grauwerten die gewünschten Farben zu.

Oft sind in der Vergangenheit Brände dadurch entstanden, dass auf Baustellen unachtsam Schweiß- oder Trennschleifarbeiten ausgeführt wurden. Durch glühende Funken können sich an unsichtbaren Stellen winzige Glutnester bilden, die sich durch Sauerstoffzufuhr innerhalb von Stunden zu einem Brandherd entwickeln konnten. Tragbare Wärmebildkameras bieten die unschätzbare Möglichkeit, das Arbeitsumfeld regelmäßig nach Glutnestern zu untersuchen.

Beispiel „Müllbunker“

Ein weiteres Einsatzgebiet sind Abfallverbrennungsanlagen. Für die Errichtung und den Betrieb dieser Anlagen fordert die Bundes- Immissionsschutzverordnung (ISchVO), eine Einrichtungen zur Erkennung und Bekämpfung von Bränden. In Müllbunkern kann sich aufgrund chemischer Reaktionen Hitze entwickeln, die bis zur Selbstentzündung führt.

Wärmebildkameras erkennen kleinste Temperaturveränderungen und senden Alarm, lange bevor sich das Material entzündet. Ein entscheidender Vorteil dieser Geräte: Kommt es tatsächlich zum Brand, kann eine Wärmebildkamera durch entstehenden Rauch und Wasserdampf noch gut „hindurchsehen“ und den Brandherd lokalisieren. Zur Brandfrüherkennung in Müllverbrennungsanlagen und Lagerstätten brandgefährlicher Substanzen, toxisch/ chemischer Materialien oder Handelsgüter nach Fertigstellung bzw. Behandlung deren Auskühlprozesse nicht sicher abgeschlossen sind, mit Wärmebild- kameras zu überwachen, gibt es derzeit kaum eine sinnvolle Alternative. Wärmebildkameras zeigen hier deutlich ihre Überlegenheit gegenüber anderen Detektionsverfahren mit Rauch-, Flammen- oder Gasmeldern.

Bevor Rauch oder Gas erkannt wird, könnte bereits der gesamte Müllbunker oder Lagerstätte in Flammen aufgehen.
Bewegliche Wärmebildkameras, montiert auf einem Schwenk-Neigekopf, scannen permanent und gleichmäßig die Oberfläche eines Müllbunkers und registrieren dabei jeden noch so geringen Temperaturanstieg.

Falschalarme reduzieren

Wärmebildkameras eignen sich nicht nur zur Branddetektion, auch in herkömmlichen Videoüberwachungsanlagen werden sie zunehmend verwendet. „Dort wo in Videoüberwachungsanlagen Wärmebildkameras eingesetzt werden, lässt sich die Rate der Falschalarme drastisch reduzieren.

Da Wärmebildkameras nur auf Wärmestrahlung reagieren, sind Störgrößen, wie bewegte Bäume, Regen, Schnee und andere nicht relevant. Sie erfordern keine Beleuchtung und erreichen wesentlich weitere Distanzen als herkömmliche Videokameras. Man benötigt also insgesamt viel weniger Kameras.

Flexibel einsetzbar

Wärmebildkameras werden u. a. auch für flexible Objektschutzaufgaben eingesetzt. Zusammen mit Standardkameras lassen sie sich in unser mobiles und für temporäre Einsätze konzipiertes Videosystem integrieren und somit zu einer Gesamtlösung vereinigen. Über das digitale H2.64 radiometrische Videomanagement- und Bildanalyse- systems werden die Daten von Wärmebildkameras visualisiert und verarbeitet.

Die Erkennung von Personen und Gefährdungen ist auf Basis der von den Wärmebildkameras gelieferten Daten möglich.
Das sog. „Judgement“ erfährt zunehmend an Wichtigkeit. Unverzichtbar sind zwischenzeitlich nicht nur Hot-/Coldspot Analysen, sondern auch morpometrische Zustandsbewertung, Formerkennung sowie Ereignis- analysen und deren exakte Bild- und Datenprotokollierung geworden.

In den meisten Applikationen müssen all diese genannten Kriterien sogar intelligent verzahnt arbeiten um auch komplizierte Ereignisse zu detektieren, ohne stets einen Fehlalarm auszulösen. (bspw. Körperwarme Gepäckstücke von gleichtemperierten Kindern oder Tieren, auf laufenden Förderbändern, zu differenzieren).

Der professionelle Umgang mit Wärmebildkameras setzt ein hohes Maß an Grundlagenwissen über Thermografie voraus. Zum Beispiel muss man wissen, dass metallische Flächen und andere schlechte IR- Absorber für Wärmestrahlung unter Umständen wie Spiegel wirken und dass verschiedene Materialien unterschiedliche und individuelle Emissionsgrade für die Berechnung von Temperaturen besitzen. Hier spielen thermische, materialabhängige, oberflächenbezogene und atmosphärische Parameter eine entscheidende Rolle. (s. IR-Strahlung)

Ein Anwender ohne Grundwissen läuft Gefahr, dass er Wärmebilder völlig falsch interpretiert. Aufgrund der unterschiedlichen Emissionsgrade der Materialien entspricht die von einer Wärmebildkamera gemessene Temperatur deshalb nicht unbedingt der tatsächlichen Oberflächen- temperatur. Wärmebilder richtig zu deuten gar physikalisch korrekt zu korrigieren und daraus die richtigen Schlussfolgerungen zu ziehen, muss deshalb erlernt und trainiert werden.