Punkt-Pyrometer und Wärmebildkameras im Vergleich

• Ein Punkt-Pyrometer zeigen nur einen Messwert an – Wärmebildkameras erzeugen ein Bild.
• Ein Punkt-Pyrometer misst lediglich die Temperatur eines einzigen Punkts – eine Wärmebildkamera liefert Ihnen Temperaturmesswerte für jeden Pixel des gesamten Wärmebilds.
• Dank fortschrittlicher Objektive lassen sich mit Wärmebildkameras auch Temperaturmessungen mit größerem Abstand zum Zielbereich ausführen. So können Sie große Bereiche schnell überprüfen.

Punkt-Pyrometer werden auch Temperaturmesspistolen oder IR-Thermometer genannt. Da sie nach demselben physikalischen Prinzip wie Wärmebildkameras funktionieren, könnte man Punkt-Pyrometer durchaus als Wärmebildkameras mit nur einem Pixel bezeichnen. Obwohl sie sich bei zahlreichen Anwendungen als nützliches Hilfsmittel erweisen, kann der Anwender damit jedoch leicht wichtige Informationen übersehen, da sie nur einen einzigen Punkt messen. Dadurch bleiben ihm möglicherweise kritische Bauteile verborgen, die eine ungewöhnlich hohe Temperatur aufweisen, kurz vor einem Ausfall stehen und umgehend repariert werden müssten.

Ein Punkt-Pyrometer misst hingegen lediglich die Temperatur eines einzigen Punkts.

Die FLIR-E40sc-Wärmebildkamera misst die Temperatur von 19.200 Punkten.

Tausende Punkt-Pyrometer gleichzeitig nutzen

Wie ein Punkt-Pyrometer ermöglicht auch eine Wärmebildkamera das Ausführen von berührungslosen Temperaturmessungen. Doch im Gegensatz zu einem Punkt-Pyrometer liefern Wärmebildkameras nicht nur einen, sondern gleich Tausende Temperaturmesswerte auf einmal – einen für jeden Pixel des Wärmebilds. Das von einer Wärmebildkamera erzeugte Wärmebild entspricht also quasi Tausenden Einzelmessungen mit einem Punkt-Pyrometer. Die FLIR-E40sc-Wärmebildkamera besitzt eine Bildauflösung von 160 x 120 Pixeln und liefert damit bei jeder einzelnen Messung 19.200 Temperaturmesswerte. Die FLIR T1030sc, die zu den Spitzenmodellen für industrielle Forschungs- und Wissenschaftsanwendungen gehört, liefert Ihnen mit ihrer Bildauflösung von 1.024 x 768 Pixeln 786.432 Temperaturmesswerte auf einen Schlag.

Das erkennt ein Punkt-Pyrometer.

Das sehen Sie mit einer Wärmebildkamera.

Das erkennt ein Punkt-Pyrometer.

Das sehen Sie mit einer Wärmebildkamera.

Zeit sparen und Wärme mit bloßem Auge erkennen.

Eine Wärmebildkamera liefert Ihnen nicht nur Tausende Temperaturmesswerte auf einen Schlag, sondern wandelt diese auch in ein Wärmebild um. Diese Umwandlung in ein Bild liefert dem Anwender einen kompletten Überblick über die zu prüfende Anlage, sodass er darauf auch kleine Hot-Spots sofort erkennen kann, die ihm höchstwahrscheinlich mit einem Punkt-Pyrometer entgangen wären. Außerdem spart der Einsatz einer Wärmebildkamera Zeit. Große Bereiche mit vielen Komponenten mit einem Punkt-Pyrometer zu überprüfen dauert sehr lange, da jede Komponente einzeln gescannt werden muss. Mit einer Wärmebildkamera können Sie die Wärmeverteilung auf Leiterplatten überprüfen, Qualitätsprüfungen vornehmen, thermische Einflüsse im Automobilsektor erkennen oder Fehleranalysen im Labor ausführen.

Um mit einem Punkt-Pyrometer die Temperatur eines Zielobjekts exakt messen zu können, muss dieses sich komplett innerhalb des Messpunkts befinden. Das schränkt wiederum den möglichen Abstand zwischen Zielobjekt und Messinstrument ein.

Ein weiterer Vorteil von Wärmebildkameras gegenüber Punkt-Pyrometern liegt darin, dass sich damit auch präzise Temperaturmessungen aus größerer Entfernung vom Ziel ausführen lassen. Der Abstand, mit dem das jeweilige Punkt-Pyrometer ein Ziel mit einer bestimmten Größe messen kann, wird oft als Messabstand/Zielverhältnis (D:S) oder Punktgrößenverhältnis (SSR) bezeichnet. Aber woher kommt dieser Wert eigentlich, und wofür steht er? Die Punktgröße eines Punkt-Pyrometers gibt den kleinsten Zielbereich an, der sich mit dem jeweiligen Gerät noch exakt messen lässt. Das bedeutet, dass das – oft als „Ziel“ bezeichnete – Objekt, dessen Temperatur Sie messen wollen, sich komplett innerhalb dieser Punktgröße befinden muss. Die von diesem Ziel abgegebene Infrarotstrahlung passiert das Objektiv des Punkt-Pyrometers und wird dort auf den Detektor projiziert. Wenn das Ziel kleiner ist als die Punktgröße, trifft zwangsläufig auch Strahlung aus den umliegenden Bereichen auf den Detektor. Dann erfasst das Gerät nicht die exakte Temperatur des Zielobjekts, sondern nur eine Mischung aus der Temperatur des Ziels und seiner unmittelbar angrenzenden Bereiche.

Je weiter Sie das Punkt-Pyrometer vom zu messenden Zielobjekt weghalten, umso größer wird bedingt durch die optischen Gesetze die Punktgröße. Je kleiner also das Zielobjekt ist, umso dichter müssen Sie das Punkt-Pyrometer davor halten, um dessen Temperatur exakt zu messen. Deshalb ist es sehr wichtig, die Punktgröße immer genau im Auge zu behalten und sicherzustellen, dass Sie das Messgerät dicht genug vor das Ziel halten, damit dieses sich komplett innerhalb der gesamten Punktgröße befindet – vorzugsweise sogar noch etwas dichter, um eine gewisse Sicherheitsreserve mit einzuplanen. Das Punktgrößenverhältnis (SSR) eines Punkt-Pyrometers legt also die zugehörige Punktgröße für einen bestimmten Abstand vom Ziel fest.

Wenn das SSR eines Punkt-Pyrometers beispielsweise 1:30 beträgt, lässt sich damit die Temperatur eines Punkts mit 1 cm Durchmesser aus einer Entfernung von 30 cm exakt messen. Die Temperatur eines 4 cm großen Punktes lässt sich demzufolge aus 1,20 m Entfernung messen. Die meisten Punkt-Pyrometer besitzen ein Punktgrößenverhältnis zwischen 1:5 und 1:50. Das bedeutet, dass Sie mit den meisten Punkt-Pyrometern die Temperatur eines Punkts mit 1 cm Durchmesser aus 5 – 50 cm Entfernung messen können. Wärmebildkameras funktionieren sehr ähnlich wie Punkt-Pyrometer, jedoch trifft bei ihnen die Infrarotstrahlung auf eine Detektor-Matrix, auf der jeder einzelne Pixel des Wärmebilds einem Temperaturmesswert entspricht.

Deshalb geben die Hersteller von Wärmebildkameras in den meisten Fällen keinen SSR-Wert für die räumliche Auflösung ihrer Produkte an, sondern verwenden stattdessen den IFOV-Wert, der für das momentane Sichtfeld steht. Dabei definiert der IFOV-Wert das Sichtfeld eines einzelnen Detektorelements im gesamten Detektor-Array der Kamera.

Theoretisch bezeichnet der IFOV-Wert das Punktgrößenverhältnis einer Wärmebildkamera. Während die vom Zielobjekt abgegebene Infrarotstrahlung das Objektiv passiert und auf den Detektor projiziert wird, muss die projizierte Infrarotstrahlung mindestens ein Detektorelement komplett abdecken, das einem Pixel im zugehörigen Wärmebild entspricht. Theoretisch würde es also ausreichen, ein Pixel im Wärmebild abzudecken, um eine korrekte Temperaturmessung zu erzielen. Der IFOV-Wert wird normalerweise in Milliradiant (Tausendstel Radiant/mrad) angegeben.

Mit einer Wärmebildkamera erkennen Sie die Wärme.

Der Begriff Radiant bezeichnet das Verhältnis zwischen der Länge eines Bogens und seines Radius. Ein Radiant definiert mathematisch den Winkel, der entsteht, wenn die Länge eines kreisförmigen Bogens genau mit dem Radius des Kreises übereinstimmt. Da der Kreisumfang dem 2-π-fachen des Radius entspricht, errechnet sich der Radiant aus 1/(2 π) des Kreises. Das ergibt circa 57.296 Winkelgrade bzw. 0,057 Winkelgrade für ein mrad. Wenn eine Wärmebildkamera eingesetzt wird, um die Temperatur eines bestimmten Ziels zu messen, gehen wir davon aus, dass der Abstand vom Ziel und der Radius des Kreises übereinstimmen und dass es sich um ein relativ ebenes Ziel handelt. Da der Sichtwinkel eines einzelnen Detektorelements klein ist, können wir annehmen, dass die Tangente dieses Winkels annähernd ihrem Wert in Radiant entspricht. Deshalb berechnet sich die Punktgröße aus dem IFOV-Wert (in mrad) dividiert durch 1.000 und multipliziert mit dem Abstand zum Ziel.

Der IFOV-Wert wird dabei in mrad angegeben.

Objektive unter perfekten und tatsächlichen Einsatzbedingungen

Mithilfe dieser Formel lässt sich berechnen, dass eine Kamera mit einem IFOV-Wert von 1,4 mrad theoretisch einen SSR-Wert von 1:714 haben müsste, sodass man damit ein Objekt mit 1 cm Durchmesser aus einem Abstand von 7 Metern messen könnte. Wie jedoch bereits erwähnt, entspricht dieser theoretische Wert nicht den tatsächlichen Einsatzbedingungen, da er nicht berücksichtigt, dass Objektive unter echten Einsatzbedingungen niemals perfekt arbeiten. Im Objektiv, das die Infrarotstrahlung auf den Detektor projiziert, kann es zu Streuungen und anderen optischen Abweichungen kommen. Mann kann sich also niemals vollkommen sicher sein, dass ein Ziel auch wirklich exakt auf ein einzelnes Detektorelement projiziert wird. Zusätzlich kann die projizierte Infrarotstrahlung von benachbarten Detektorelementen „überschwappen“. Anders gesagt: Die Temperatur der Oberflächen, die das Ziel unmittelbar umgeben, kann den Temperaturmesswert beeinflussen.

Wie schon beim Punkt-Pyrometer, bei dem sich das Ziel nicht nur komplett innerhalb der gesamten Punktgröße befindet, sondern sogar noch ein zusätzlicher Rand als Sicherheitsreserve berücksichtigt werden sollte, ist es auch bei einer Kamera mit Mikrobolometer-Detektor ratsam, eine solche Sicherheitsreserve für Temperaturmessungen einzuplanen. Dieser Sicherheitsrand wird durch den MFOV-Wert (Mess-Sichtfeld) ausgedrückt. Der MFOV-Wert bezeichnet die tatsächliche Messpunktgröße einer Wärmebildkamera oder anders gesagt den kleinsten messbaren Bereich für korrekte Temperaturmessungen. Er wird normalerweise als ein Vielfaches des IFOV-Werts – dem Sichtfeld eines einzelnen Pixels – angegeben.

Als Faustregel für Mikrobolometer-Kameras gilt, dass das Ziel mindestens einen Bereich abdecken muss, der mindestens dreimal so groß ist wie der durch den IFOV-Wert definierte Bereich, um die eventuell auftretenden optischen Abweichungen zu berücksichtigen. Das bedeutet wiederum, dass das Ziel in einem Wärmebild nicht nur ein Pixel abdecken sollte – was unter perfekten Bedingungen für eine korrekte Messung ausreichend wäre – sondern auch die umliegenden Pixel. Wenn man diese Faustregel berücksichtigt, lässt sich die Formel zur Bestimmung des Punktgrößenverhältnisses so anpassen, dass sie den Objektivfaktor unter tatsächlichen Einsatzbedingungen berücksichtigt. Anstelle den IFOV-Wert nur mit 1x anzugeben, greifen wir nun auf die Faustregel mit 3xIFOV zurück, wodurch sich die folgende realistischere Formel ergibt:

Der IFOV-Wert wird dabei in mrad angegeben.

Mithilfe dieser Formel lässt sich berechnen, dass eine Kamera mit einem IFOV-Wert von 1,4 mrad einen SSR-Wert von 1:238 besitzt, sodass man damit ein Objekt mit 1 cm Durchmesser aus einem Abstand von 2,40 m messen können sollte. Dieser theoretische Wert ist mit hoher Wahrscheinlichkeit noch sehr konservativ, da die zusätzliche Sicherheitsreserve bereits berücksichtigt wurde. Zwar könnte der betreffende SSR-Wert unter echten Einsatzbedingungen durchaus noch etwas höher ausfallen, doch ein mit dieser konservativen Formel berechneter SSR-Wert stellt in jedem Fall sicher, dass die zugehörige Temperaturmessung korrekt ist.

Unter perfekten Bedingungen sollte das projizierte Ziel also mindestens einen Pixel abdecken. Um präzise Messwerte zu gewährleisten, empfiehlt es sich jedoch, einen größeren Bereich abzudecken, um die mögliche optische Streuung bei der Projektion zu berücksichtigen.

Die von einem Gegenstand ausgesendete Infrarotenergie (A) wird von den Optiken (B) auf einen Infrarotdetektor (C) fokussiert. Der Detektor sendet die Informationen zu einer Sensorelektronik (D), welche die Bildverarbeitung vornimmt. Diese Elektronik übersetzt die vom Detektor kommenden Daten in ein Bild (E), das im Sucher oder auf einem standardmäßigen Videomonitor bzw. einem LCD-Bildschirm betrachtet werden kann.

Punkt-Pyrometer besitzen normalerweise ein Punktgrößenverhältnis (SSR) zwischen 1:5 und 1:50. Bei den preiswerteren Modellen liegt dieses meistens zwischen 1:5 und 1:10, während die hochwertigeren und entsprechend teureren Modelle hier oftmals einen Wert von 1:40 oder sogar 1:50 erreichen. Bedenken Sie jedoch, dass Punkt-Pyrometer hinsichtlich der Objektive das gleiche Problem haben. Wenn Sie also die technischen Daten von Punkt-Pyrometern für einen Vergleich heranziehen, sollten Sie vorher prüfen, ob sich der SSR-Wert lediglich auf den theoretisch möglichen Wert unter perfekten Bedingungen bezieht oder bereits auf die tatsächlichen Einsatzbedingungen.

Temperaturen aus sicherer Entfernung messen

Aber selbst wenn man die verschiedenen Werte für perfekte und tatsächliche Einsatzbedingungen berücksichtigt, besteht beim Messabstand zwischen Wärmebildkameras und Punkt-Pyrometern nach wie vor ein gewaltiger Unterschied. Die meisten Punkt-Pyrometer können ein Ziel mit 1 cm Durchmesser höchstens aus einer Entfernung von 10 bis 50 cm messen. Die meisten Wärmebildkameras können jedoch ein Ziel mit gleich großem Durchmesser (1 cm) aus mehreren Metern Entfernung messen. Selbst die Wärmebildkamera FLIR E40 kann mit ihrem IFOV-Wert von 2,72 mrad die Temperatur eines Zielpunkts mit diesem Durchmesser (1 cm) aus einer Entfernung von über 1,20 Metern messen. Die FLIR-Wärmebildkamera T1030sc, die zu den fortschrittlichsten FLIR-Kameramodellen für industrielle Inspektionsanwendungen gehört, kann die Temperatur eines Ziels mit dieser Größe mit einem 28°-Standardobjektiv aus mehr als sieben Metern Entfernung messen. Beim Berechnen dieser Werte geht man also davon aus, dass ein Standardobjektiv verwendet wird.

Viele hochwertigere Wärmebildkamera-Modelle verfügen jedoch über austauschbare Objektive. Wenn ein anderes Objektiv verwendet wird, ändert sich der IFOV-Wert und dadurch wiederum das Punktgrößenverhältnis. So bietet FLIR beispielsweise für seine FLIR-T1030sc-Wärmebildkamera nicht nur ein 28°-Standardobjektiv, sondern auch ein 12°-Teleobjektiv an. Mit diesem Objektiv, das speziell für Inspektionen aus größeren Entfernungen entwickelt wurde, vergrößert sich das Punktgrößenverhältnis drastisch. Mit dem 12°-Teleobjektiv beträgt der IFOV-Wert der FLIR-T1030sc-Wärmebildkamera 0,2 Milliradiant. Das bedeutet, dass dieselbe Wärmebildkamera die Temperatur eines gleich großen Ziels aus einer Entfernung von fast 17 Metern korrekt messen kann.

Erkennen Sie, ob Sie den Abstand zum Ziel verringern müssen

Obwohl Wärmebildkameras beim SSR-Wert im Vergleich zu Punkt-Pyrometern eindeutig die Nase vorn haben, sagt der SSR-Wert lediglich aus, aus welchem Abstand sich noch eine korrekte Temperaturmessung vornehmen lässt. Unter echten Einsatzbedingungen ist jedoch zum Aufspüren eines Hot-Spots keine präzise Temperaturmessung erforderlich. Der Hot-Spot kann bereits auf dem Wärmebild erkennbar sein, selbst wenn das Ziel lediglich ein Pixel darin abdeckt. Zwar ist der zugehörige Temperaturmesswert dann noch nicht genau, aber der Hot-Spot wurde erkannt. Der Benutzer kann den Abstand zum Hot-Spot nun soweit verringern, bis er mehr Pixel im Wärmebild abdeckt und der Temperaturmesswert dadurch korrekt wird.

Außerdem tun sich Punkt-Pyrometer generell schwer damit, die Temperatur von kleinen Zielobjekten zu messen. Aber genau diese Funktion spielt bei der Inspektion von Elektronikbauteilen eine immer wichtigere Rolle. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Geräte steigt ständig, und gleichzeitig müssen sie in immer kleineren Gehäusen untergebracht werden. Geeignete Möglichkeiten zur Wärmeableitung zu finden und Hot-Spots zu erkennen wird ohne entsprechende Messfunktion zu einem echten Problem. Zwar kann ein Punkt-Pyrometer Temperaturen durchaus effektiv erkennen und messen, aber die dafür erforderliche Punktgröße ist einfach zu hoch. Eine mit einem Teleobjektiv ausgestatteten Wärmebildkamera kommt hier bereits mit einem 5 μm (Mikrometer) kleinen Punkt pro Pixel aus. Damit können die Ingenieure und Techniker auch die Temperatur von sehr kleinen Zielobjekten zuverlässig messen.

Nicht mehr raten, sondern endlich sehen

Ein Punkt-Pyrometer zeigt Ihnen immer nur einen Messwert an. Ein Messwert, der ungenau sein könnte und auf den Sie sich deshalb nicht verlassen können. Mit einer Wärmebildkamera können Sie die Wärme hingegen mit eigenen Augen sehen. Sie liefert Ihnen nicht nur Temperaturmesswerte, sondern auch einen sofortigen Überblick über die Wärmeverteilung im gesamten Zielbereich. Mit dieser Kombination aus visuellen Informationen und präzisen Temperaturmesswerten können Sie Fehler und Defekte schnell und präzise aufspüren und erkennen. Hören Sie endlich auf zu raten und legen Sie sich eine Wärmebildkamera von FLIR Systems zu, mit der Sie Probleme schneller und einfacher aufspüren und erkennen können.

Makro- und Mikroskop-Objektive liefern Ihnen eine herausragende Detailfülle und ermöglichen Ihnen das Messen von kleinen Zielpunkten. Das alles wäre mit einem Punkt-Pyrometer nur äußerst schwierig zu bewerkstelligen. Das obere Bild wurde mit einem Makro-Objektiv mit 4-facher Vergrößerung aufgenommen; das untere mit einem 15-Mikrometer-Mikroskop-Objektiv.