Technik

Dieser Artikel befasst sich mit der Technik und den Funktionen einer Wärmebildkamera. Hier werden die Grundlagen einfach und kurz erklärt. Genauere und weitere Informationen findest Du im Ausbilderhandbuch unter Technik.

Die Funktion einer Wärmebildkamera beruht darauf, dass jeder Körper, dessen Temperatur über 0 Kelvin (-273,15°C) liegt, Wärmestrahlung aussendet. Die Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) hat eine größere Wellenlänge als das sichtbare Licht und kann zum Beispiel Rauch besser durchdringen als normales Licht.

 

Wärmestrahlung ist für den Menschen unsichtbar, sie kann jedoch in manchen Fällen als Wärme/Hitze gefühlt werden.
Die Wärmebildkamera kann diese Infrarot-Strahlung auffangen und mittels elektrischer Impulse in ein für den Menschen sichtbares Bild umwandeln.
So kann es sein, dass man mit bloßem Auge in einem verrauchten Raum nichts erkennen kann, mit einer Wärmebildkamera allerdings besser sehen kann.

Man muss allerdings beachten, dass die infrarote Strahlung auch Grenzen hat, sie verhält sich anders als sichtbares Licht. Vier Faktoren müssen dabei beachtet werden: Absorption, Reflexion, Transmission und Emission. Alle vier treten gleichzeitig auf und spielen so bei jedem Einsatz einer Wärmebildkamera eine wichtige Rolle.

Absorption bedeutet, dass die Infrarotstrahlung vom Körper aufgenommen wird, anderseits kann die Strahlung auch reflektiert werden und wird als Reflektion bezeichnet.

Bei der Transmission strahlt die Wärme durch den Körper hindurch.

Die Emission beschreibt die Oberflächenbeschaffenheit, also wie ein Körper die Infrarotstrahlung abstrahlt. Hieraus ergeben sich Grenzen, die man kennen sollte; Glas und andere sehr glatte Oberflächen beispielsweise reflektieren Wärmestrahlung, Wasser und Beton ist für jegliche Wärmestrahlung undurchlässig.

 

Aufbau und Querschnitt einer Wärmebildkamera

Wärmebildkameras bestehen aus vier wichtigen Bestandteilen: der Linse, dem Detektor, der Elektronik und dem Display.

Die Objektiv-Linsen von Wärmebildkameras bestehen aus einkristallinen Halbleitermaterialien (Germanium, Zinkselenid). Bei den meisten Wärmebildkameras im Feuerwehrbereich bestehen die Linsen aus Germanium. Dieses Material lässt die Infrarotstrahlung im Gegensatz zu Glas vollständig durch.

Hinter der Linse befindet sich der Detektor, der die Infrarotstrahlung detektiert und in verwertbare elektrische Signale umwandelt.

Die Platine steuert das Ganze und leitet die Signale an das Display weiter, worauf der Benutzer ein Infrarotbild erhält.

 

Detektoren

Es gibt zwei Arten von Detektoren, gekühlte und ungekühlte. Sie unterscheiden sich in ihrer Größe und Funktionsweise. Gekühlte Systeme weisen eine höhere Bildqualität auf, sie sind im Gegenzug aber auch viel größer als ungekühlte Systeme. Ungekühlte Detektoren machen im Feuerwehrbereich deshalb mehr Sinn, sie arbeiten bei Umgebungstemperatur, sind klein, handlich und günstiger als gekühlte Systeme.

Die modernen Detektoren arbeiten nach dem Prinzip der Änderung des Widerstands. Durch die eintretende Infrarotstrahlung zum Detektor, ändern sich Widerstand, Stromstärke und Spannung, woraus die resultierende Temperatur gemessen wird. Der voreingestellte Emissionsfaktor wird mit der Widerstandsänderung (Temperaturänderung am Detektor) verglichen und gibt so die Temperatur am Messpunkt aus.

Der Emissionsfaktor streut materialabhängig zwischen 0,012 und 0,98, entsprechend ungenau kann die Temperaturzuordnung ausfallen. Der Emissionsgrad von 1 wird nur für theoretische Betrachtungen genutzt, er ist auch als „schwarzer Strahler“ oder „planckscher Strahler“ bekannt. Materialien mit dem Emissionsgrad von 1, die jede elektromagnetische Strahlung wie die Infrarotstrahlung absorbieren, sind nicht bekannt. Die meisten Wärmebildkameras bei der Feuerwehr haben einen eingestellten Emissionsgrad von 0,95.

Auf dem obigen Wärmebild erkennt Ihr eine rostige Stahlwanne, in der es vorher einmal gebrannt hat.

Zur Verdeutlichung, was der Emissionsgrad bei der Temperaturmessung ausmacht, haben wir immer den gleichen Messpunkt gewählt, jeweils aber einen anderen Emissionsgrad eingestellt.
(Dies ist mit Geräten für die Feuerwehr üblicherweise nicht möglich, wir haben uns hierzu ein Gerät für die Gebäudethermographie besorgt)

Der korrekte Emissionsgrad für die rostige Stahlwanne liegt bei etwa 0,63 – dies ergibt die Temperatur von 30,6°C. Würdet ihr die Wanne mit einer Wärmebildkamera für die Feuerwehr betrachten, würde euch sehr wahrscheinlich eine Temperatur von 28,9 °C angezeigt werden, da diese bei dem Emissionsgrad von 0,93 ermittelt wird.

Bei der rostigen Stahlwanne mag der Unterschied jetzt noch relativ gering sein, bei Aluminium oder poliertem Eisen, wo der Emissionsgrad zwischen 0,04 bis 0,19 liegt, kann es schnell zu großen Messfehlern kommen, wie in der obigen Tabelle zu sehen. Die Wärmebildkamera bitte also nicht als Thermometer nutzen!

 

NETD-Wert

Ein wichtiger Wert ist die Temperaturempfindlichkeit (NETD-Wert) für die Einordnung einer Kamera. Er gibt die kleinste Temperaturdifferenz an, die vom Detektor noch erfasst werden kann. Die Gefahr des sogenannten „Bildrauschens“ wird geringer, je kleiner der NETD-Wert ist.

 

Darstellung der gewonnenen Infrarotbilder

Die durch den Detektor gewonnen Daten werden über weitere elektrische Bauteile in ein digitales Bild umgewandelt. Die Darstellung der Bilder wird von Modell zu Modell besser. Einige Wärmebildkameras stellen aufgrund eines älteren Detektors geringe Temperaturunterschiede nur schlecht dar. Um im Feuerwehreinsatz die Anforderung an den breiten Temperaturbereich möglich zu machen, verfügen Wärmebildkameras über einen Empfindlichkeitsmodus.

Die meisten Hersteller bezeichnen diesen als Hoch- und Niedrigempfindlichkeitsmodus. Im Hochempfindlichkeitsmodus (meist <100°C) werden Temperaturunterschiede detailliert dargestellt. Die Kamera schaltet in den Niedrigempfindlichkeitsmodus wenn sie einen breiteren Temperaturbereich abdecken muss, hier wird auf Details verzichtet, um das Feuer mit 500°C sowie die Person mit 37°C im Bild darzustellen.

 

Auflösung

Ältere Modelle haben meist eine schlechtere Bildauflösung als neuere Geräte. Die Entwicklung schreitet immer weiter fort und bietet zurzeit Auflösungen von bis zu 384 x 288 Pixeln an. Es sollte darauf geachtet werden, dass der Detektor die gleiche Auflösung wie das Display hat.

 

Farbmodus

Die Hersteller bieten in ihren Kameramodellen zahlreiche Möglichkeiten der Farbmodus-Wahl an und dort liegt auch ein großes Problem, denn die verschiedenen Auswahlmöglichkeiten sind von Hersteller zu Hersteller individuell eingerichtet. Aus diesem Grund ist eine Vergleichbarkeit des Farbmodus verschiedener Wärmebildkameramodelle schwierig.

Es gibt hauptsächlich vier meist eingesetzte Farbmodi, den „weiß-heiß Modus“, „Hitzemarker“, „Hitzefinder“ und den „ Vollfarbmodus“. Jeder Farbmodus hat in bestimmten Einsatzlagen seine Vor- und Nachteile. Technisch werden die aufgenommen Infrarotdaten bestimmten Temperaturbereichen zugeordneten und die sich so ergebenen Punkte setzen das Infrarotbild auf dem Display der Wärmebildkamera zusammen.

Beim „weiß-heiß Modus“ werden warme Bereiche in weiß dargestellt, kalte Bereiche in schwarz. Das häufigste Einsatzgebiet ist die Brandbekämpfung.

Der „Hitzemarker“ oder auch “NFPA-Modus” erweitert den „weiß-heiß Modus“ mit immer der gleichen Einfärbung ab einer bestimmten Grenztemperatur (beginnend meist um 150°C, Herstellerabhängig) meist in rot oder gelb. Auch dieser Modus wird bei der Brandbekämpfung eingesetzt. Wichtig ist bei diesem Farbmodus, dass durch eine Farb-Temperatur-Referenzskala deutlich wird, ab welcher Temperatur in welcher Farbe eingefärbt wird. (Diese fehlt im unteren Bild und wird zeitnah ergänzt)

Beim „Hitzefinder“ wird immer der wärmste Bereich (egal ob 5°C oder 500°C wärmer als die Umgebung) in einer Farbe, meist rot, dargestellt. Oft wird auch er auch als „Modus zur Personensuche“ benannt, hier sollen warme Stellen, besonders die Körpertemperatur, hervorgehoben werden. Die Farbe bedeutet hier aber jedes Mal eine andere Temperatur, also eine relativ zur Umgebung stattfindende Darstellung. Dieser Farbmodus kann für Nachlöscharbeiten und die Glutnestsuche eingesetzt werden. Es ist jedoch Vorsicht geboten, da eine Einfärbung nicht immer automatisch mit einer erhöhten Temperatur und damit mit einer Gefahr einhergeht.

Auch der „Vollfarbenmodus“ ist ein dynamischer Farbmodus bei dem die Temperaturunterschiede in vielen verschiedenen Farben dargestellt werden. Der „Vollfarbenmodus“ entsteht durch Umwandlung von Falschfarben im Detektor, Temperaturunterschiede werden besser dargestellt. Die Farben können sich ändern, wenn sich der Ausschnitt ändert, auf den der Sensor zugreift. Dieser Farbmodus macht im Gefahrguteinsatz und bei der Füllstandmessung am meisten Sinn, da dort kleinste Temperaturunterschiede relevant sind.

Durch diese Vielzahl verschiedener und auch ähnlicher Farbmodi zeigt sich die Schwierigkeit beim Vergleich. Bei unseren Versuchen konnten wir feststellen, dass es Sinn macht, sich auf ein paar Farbmodi für verschiedene Einsatzszenarien festzulegen und nur diese auszubilden und so im Einsatz anzuwenden. Zu viele verschiedene Farbmodi können in hektischen Einsätzen zu Verwirrung und so zu Fehlern und Unfällen führen.

 

Literaturangaben

Fluke – Einführung zu den Thermografie-Prinzipien

Testo – Pocket-Guide Thermografie

Dräger – Praxis der Infrarot-Thermografie im Feuerwehreinsatz

Flir – Thermografie-Handbuch für Bau-Anwendungen und erneuerbare Energien

Kohlhammer – Wärmebildkameras im Feuerwehreinsatz

Techniken & Handwerk – IR Kameras 5/09