High-Speed-Wärmebildkameras – Geschwindigkeit zählt

Bei Wärmemessungen mit Thermoelementen oder Punkt-Pyrometern kann es vorkommen, dass die thermischen Eigenschaften eines Geräts nur teilweise erfasst werden. Diese herkömmlichen Verfahren bieten nicht die erforderliche Auflösung oder Geschwindigkeit, um Hochgeschwindigkeitsanwendungen vollständig darzustellen. Infrarotkameras hingegen erfassen Tausende von Punkten einer thermischen Hochgeschwindigkeitsmessung und zeigen exakt auf, wo und wie schnell Wärme auftritt. Mit der richtigen Infrarotkamera können Sie zuverlässige Messungen durchführen und überzeugende Daten für Ihre Forschungsarbeit sammeln.

Arten von Infrarotkameras

Im Allgemeinen werden heutzutage zwei Arten von Infrarotkameras verwendet. Dies sind hochleistungsfähige gekühlte Photonenkameras und kostengünstige ungekühlte Mikrobolometer-Kameras. 

Die Mehrzahl der heute auf dem Markt erhältlichen Wärmebildkameras verwendet einen Detektor aus Indium-Antimonid (InSb). Gekühlte Kameras zählen die Energiephotonen in einem bestimmten Wellenbereich, üblicherweise im mittelwelligen Infrarotbereich bei rund 3-5 μm. Die Photonen treffen auf die Bildelemente und werden in Elektronen umgewandelt, die in einem Integrationskondensator gespeichert werden. Das Bildelement wird durch Öffnen oder Kurzschließen des Integrationskondensators elektronisch verschlossen. Bei einer FLIR-InSb-Kamera liegt die typische Integrationszeit für Objekte mit -20°C bis 350°C je nach Modell zwischen etwa 6 ms und 50 µs. Diese relativ kurze Integrationszeit gestattet „Stop Motion“-Aufnahmen und ermöglicht die präzise Messung extrem schneller Transienten.

Stop-Motion-Aufnahme von FA-18 Hornets mit einer gekühlten FLIR-InSb-Wärmebildkamera

Wärmebild eines herkömmlichen Thermoelements

Ungekühlte Kameras sind preiswerter, kleiner und leichter und haben einen geringeren Stromverbrauch als ihre bereits erwähnten Gegenstücke. Die Bildelemente einer ungekühlten Kamera bestehen aus einem Material, dessen Widerstand je nach Temperatur erheblich variiert. Die gebräuchlichsten Materialien für derartige Anwendungen sind Vanadiumoxid oder amorphes Silikon. Die thermische Energie wird auf das Bildelement fokussiert, das sich infolgedessen physikalisch erwärmt oder abkühlt. Da der Widerstand des Bildelements je nach Temperatur variiert, lässt sich sein Wert messen und über einen Kalibrierungsvorgang ein die Zieltemperaturmuster abbilden. Zudem haben die Bildpunkte eine begrenzte Masse und damit eine thermische Zeitkonstante. Die Zeitkonstanten moderner Mikrobolometer-Kameras liegen in der Regel zwischen 8 und 12 ms. Das bedeutet aber nicht, dass sich ein Bildelement alle 8 bis 12 ms auslesen lässt und eine präzise Aussage liefert! Bei einem hochwertigen System dauert es nach einer Schritteingabe erfahrungsgemäß fünf Zeitkonstanten, bis ein stabiler Zustand erreicht ist.

Zeitkonstanten und ein Gedankenexperiment

Um sich eine Vorstellung von der Reaktionszeit eines Mikrobolometer-Detektors zu machen, nehmen wir einfach mal an, zwei Eimer mit Wasser zu haben. In dem einen Eimer ist Eiswasser mit 0°C und im anderen kochendes Wasser mit 100°C. Nun richten wir das Mikrobolometer auf das Eiswasser und dann sofort auf das kochende Wasser (eine 100°C-Schritteingabe) und erfassen die resultierende Temperatur. Wenn wir die thermische Zeitkonstante von 10 ms in eine Halbzeit umwandeln, um die Berechnung zu vereinfachen, kommen wir auf rund 7 ms.

Abb. 1 – Systemreaktion bei einem 0°C zu 100°C-Übergang; Tau = 10 ms, Halbzeit = 7 ms

Abb. 3 - InSb versus Mikrobolometer bei thermischen Transienten

Abb. 2 - Wärmebild von Papier beim Verlassen von Heizwalzen 

Hier sieht man, dass das Mikrobolometer 50°C bei 7 ms oder eine Halbzeit, 75°C bei zwei Halbzeiten, 87,5°C bei drei Halbzeiten usw. anzeigt. Was würde passieren, wenn man versucht, dieses Mikrobolometer bei entsprechend 100 Bildern/s oder 10 ms abzulesen? Die Kamera würde 63°C zurückmelden und einen Fehler von 37°C. Sie würde exakt die Temperatur des Bildelements anzeigen, wobei das Bildelement jedoch nicht die Temperatur der betrachteten Szene erreicht hätte. Grundsätzlich ist es daher nicht sinnvoll, Mikrobolometer mit mehr als etwa 30 Bildern pro Sekunde zu betreiben.

Realistische Daten

Werfen wir einen Blick auf ein Druckverfahren, das erforderlich ist, um einen Bogen Papier auf bis zu 60°C zu erwärmen. Das Papier verlässt die Walzen mit etwa 130 cm/s und muss in Breite und Länge eine einheitliche Temperatur aufweisen.

Die angezeigten Daten wurden mit einer gekühlten Photonenkamera und einer Mikrobolometer-Kamera erfasst. Wie Abbildung 3 zeigt, weichen die Daten der beiden Kameras erheblich voneinander ab. Die Daten der Mikrobolometer-Kamera zeigen insgesamt eine große, relativ konstante Delle im Temperaturverlauf. Die Daten der Photonenkamera zeigen deutliche Schwankungen im Temperaturverlauf. Wie die gekühlte Kamera andeutet, hat sich die Heizwalzeneinheit durch den Kontakt mit dem Papier während der ersten Umdrehung abgekühlt. Der On/Off-Controller hat den Temperaturabfall erfasst und als Reaktion darauf die Heizsteuerung wieder vollständig aktiviert. Daraufhin hat sich die Walze bis zum Sollwert wieder aufgeheizt und dann abgeschaltet, und der Vorgang wurde wiederholt. Diese eine Kurve hat gereicht, um den Forschungs- und Entwicklungsingenieur von zwei Sachen zu überzeugen: Zum Testen des Produkts wird eine photonenzählende Kamera benötigt, und an Stelle des einfachen On/Off-Controllers muss die Heizwalze mit einem PID-Steuerungssystem versehen werden, falls die gewünschten Konstruktionsziele erreicht werden sollen. 

Photonen-Kamera (66 μs Integrationszeit)

Mikrobolometer-Kamera (8 ms Zeitkonstante)

60 Hz Aufnahme mit 1 ms Integrationszeit

60 Hz Aufnahme mit 12 ms Integrationszeit

Das zweite Beispiel zeigt die Schaufeln eines sich schnell drehenden Ventilators. Es wird versucht, eine Stop-Motion-Aufnahme der Schaufeln durchzuführen, um deren Temperatur genau zu messen. Erwartungsgemäß wäre das Bild bei zu kurzen Belichtungszeiten unscharf und man könnte keine Stop-Motion-Aufnahme machen, um zuverlässige Temperaturmesswerte zu erhalten. (Siehe Abb. 4)

Bemerkenswert ist, wie durch die kurze Integrationszeit der gekühlten Kamera die Schaufelbewegung eingefangen und dadurch sowohl eine präzise Messung der Schaufeloberfläche als auch der Heizspiralen möglich wurde. Bei der ungekühlten Kamera bewegen sich die Schaufeln dagegen zu schnell, um erfasst zu werden. Damit würden Temperaturmessungen bei diesen Spulen zu niedrig ausfallen, weil sie von den sich drehenden Schaufeln abgeblockt werden.

Ein letztes Beispiel desselben Problems kann anhand einer Messung der thermischen Effekte sich drehender Hubschrauberrotoren aufgezeigt werden. Die Windreibung erzeugt ein Wärmegefälle entlang der Rotorblätter, das sich zu den Blattspitzen hin verstärkt. Mit Mikrobolometer-Detektoren lässt sich die Bewegung eines Objekts nicht effektiv einfangen, um die tatsächlichen Temperaturen präzise zu erfassen und zu messen. (Siehe Abb. 5 und 6)

Das passende Werkzeug für jede Anwendung

Wie man sieht, kommt es entscheidend darauf an, stets den richtigen Thermaldetektor zu verwenden. Wählt man einen Detektor mit einer langsamen Reaktionszeit und führt dann Messungen mit einer hohen Bildrate durch, erhält man möglicherweise unbrauchbare Daten. Grundsätzlich können Mikrobolometer für Bildraten bis zu 50 fps verwendet werden. Für Tests mit schnellen thermischen Transienten oder einer hohen erforderlichen Bildrate ist es in der Regel am besten, eine leistungsfähigere gekühlte Photonenkamera zu verwenden. Falls es nicht auf eine hohe Bildrate ankommt, kann eine ungekühlte Mikrobolometer-Kamera kostengünstiger sein.