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Qualitätsmerkmale einer guten Wärmebildkamera

Wir zeigen Ihnen einen Weg, wie Sie die Qualität Ihres IR-Kamerasystems überprüfen können ohne sich mühsam aus endlosen Datenblättern der einzelnen Hersteller die entsprechenden Daten heraus zu suchen. Wenn sie den überhaupt von diesen publiziert werden.

 

Es drängen immer mehr preisgünstige, billige IR-Kamerasysteme auf den Markt. Jedoch werden oft keine oder sehr verwirrende Aussagen über die Eignung der IR-Kamera für bestimmte Messaufgaben werden keine oder nur ungenaue Aussagen gemacht. Oft werden hier Systeme angeboten, die z.B. für den Einsatz in der Elektrothermografie völlig ungeeignet sind!

 

Im wesentlichem sind es drei Parameter, die eine Aussage zur Qualität  einer Wärmebildkamera ermöglichen:

  • Die thermische Auflösung
  • Die geometrische Auflösung
  • Die zeitliche Auflösung

Angaben zur geometrischen Auflösung (Auszug)

 

D  Distanzverhältnis E:M  typische Angabe bei Pyrometern 
FOV  Field of View   das Blickfeld einer IR-Kamera oder eines Pyrometers
IFOV Instantaneous Field of View Typische Angabe bei FPA-Kameras

 

Das Distanzverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Entfernung zum Messobjekt zum Messfleckdurchmesser.

 

FOV ist das Blickfeld einer Kamera bzw. eines Objektives, als aller Detektoren einer Kamera.


IFOV ist der Bildausschnitt, welches ein einzelner Detektor der Kamera erfasst.

 

Aus der Angabe IFOV lässt sich der ideale Messfleck der IR-Kamera bzw. des Objektives berechnet werden.
Idealer Messfleck [mm] = Entfernung zum Messobjekt [m] x IFVO [mrad]*
*IFOV übliche Maßangabe in mrad

 

Beispielrechnung:
Idealer Messfleck = 2 m x 1,3 mrad = 2,6 mm

 

Beim IFOV handelt es sich um eine rein theoretische Größe, die sich aus der Anzahl der IR-Detektoren (Pixel) und dem Öffnungswinkel des Objektives FOV berechnen lässt. Hieraus folgt, je größer die Anzahl der IR Detektoren (Pixel) ist, um so kleiner (also besser) ist das IFOV. Im Umkehrschluss bedeutet das, je größer der Öffnungswinkel des Objektives ist, um so größer (also schlechter) ist das IFOV.

 

Bildqualität und das Reale Auflösungsvermögen

Das reale Auflösungsvermögen und die Bildqualität  einer IR Kamera ist neben dem IFOV noch von weiteren Einflussgrößen abhängig:

  • Qualität der IR-Optik
  • Eigenschaften und Qualität des IR-Detektors
  • Beugung an strahlbegrenzenden optischen Komponenten

Die Qualität einer IR-Kamera wird bestimmt von:

  • ausreichender Größe
  • das professionellen Design

Die ausreichende Größe nimmt Einfluss auf:

  • Randverzerrungen
  • Gleichmäßige Intensitätsverteilung
  •  Thermische Auflösung

Das professionelle Design wird bestimmt durch:

  • geeignete Linsen- und Materialkombinationen zur Minimierung der optischen Abbildungsfehler wie sphärische Aberrationen und chromatische Aberrationen

Die Eigenschaften und Qualität eines IR-Detektors werden bestimmt durch:

  • Größe der Einzeldetektoren (selbst bei gleicher Anzahl der Pixel liefern Kameras mit 25 µm-Detektoren ein deutlich besseres Bild als 45 µm-Detektoren
  • Füllfaktor (Für ein gleichmäßiges Bild ist ein hoher Füllfaktor erforderlich)
  • Detektormaterial beeinflusst stark die Homogenität des FPA-Detektors (Fixed Pattern Noise)
  • Detektor-Elektronik

Detektor-Elektronik


Wird z.B. mit minderwertige Detektoren mit starken Fixed Pattern Noise die elektronische Bandbreite zu stark eingeschränkt verringert man zwar das Rauschen und verbessert die thermische Auflösung. Aber wichtige örtliche Details können dann nicht mehr sauber getrennt werden (Weichzeichnerbild) und somit gehen wertvolle Informationen für die spätere Analyse der IR-Aufnahmen verloren.

 

Die Beugung - eine weitere Einflussgröße auf das reale Auflösungsvermögen – der IR Strahlung an Blenden oder Linsenfassungen limitiert grundsätzlich die Auflösung jeden optischen Geräts. So wird die von einem Punkt (Idealisierung) ausgehende Strahlung wegen der Begung immer nur in einen verschmierten Bereich abgebildet.

Die Konsequenz aus den vorgenannten Einflüssen ist, dass alle Einflüsse das Auflösungsvermögen jedes realen IR-System verschlechtert. Nicht zuletzt auf Grund der Beugung gelangt auch Strahlung aus Bereichen außerhalb des idealen Messflecks auf den zugehörigen Einzeldetektors. Aus diesem Grund ist der reale Messfleck größer als der ideale Messfleck.

 

Diese sehr komplexen Zusammenhänge können für die Praxis diese in einem Faktor, dem Optik- oder Gütefaktor foptik zusammengefasst werden.

 

Dieser Faktor kann je nach Qualität eines IR-Systems zwischen 3 und 6 liegen.

 

Aufgrund des Zusammenwirkens der unterschiedlichsten Kamerakomponenten ist es kaum möglich, einen aussagekräftigen Faktor zu benennen. Mann muss ihn an Objekten mit bekannten Temperaturen (z.B. Referenzstrahler) und variabler Größen messtechnisch bestimmen. Um auch im Grenzbereich (z.B. an kleinen oder weit entfernten Objekten) vernünftige Temperaturmessungen durchführen zu können sollte jeder Anwender den Optik-Faktor seiner IR-Kamera kennen. Hier steht der Anwender jedoch sehr oft vor dem Problem, dass der Hersteller seiner Kamera hierzu oft keine Angaben bekannt gibt.

 

In vielen Normen und Richtlinien sind Mindestanforderungen an IR-Kamerasysteme enthalten, die ungeeignete Geräte für bestimmte Messaufgaben auszuschließen. Dabei wird die geometrische Auflösung betreffend, häufig eine Obergrenze für den IFOV-Wert gefordert. Eine solche Vorgehensweise birgt aber gewisse Risiken bzw. Nachteile.

 

  • Die Qualitätsunterschiede zwischen verschiedenen IR-Kameras durch den Optik-Faktor werden nicht berücksichtigt.
  • Im Vergleich zu einem qualitativ stark limitierten IR-System kann der reale Messfleck einer hochwertigen Kamera, trotz gleicher Spezifikation um einen Faktor 2 besser sein!
  • Bei Kameras mit geringen Pixelzahlen lässt sich zwar der IFOV-Wert durch den Einsatz eines Teleobjektives rein rechnerisch verbessern (und genügt dann eventuell dem geforderten Wert). Aber der größere Mindestabstand der mit dem Teleobjektiv eingehalten werden muss, hebt den besseren IFOV-Wert wieder auf.

Anmerkung: Mit einem Teleobjektiv lassen sich die gleichen Objekte lediglich aus einer größeren Entfernung messen.

 

Wie lässt sich die Qualität eines IR-Systems prüfen?  Wie lässt sich sicherstellen, das das IR-System für die Messaufgabe geeignet ist?

 

Im Bereich der Elektrothermografie empfiehlt es sich, die französische Richtlinie D19 des CNPP (Centre National de Prévention et de Protection) anzuwenden. In dieser Richtlinie geht man von einem zu messenden Objekt aus. Das IR-System muss in der Lage sein, die Temperatur eines 70°C heißen 1,5 mm² Draht aus einer Entfernung von 0,5 m mit einer vorgegebenen Genauigkeit zu messen.

 

Dieser mehr als sinnvolle Ansatz hat gegenüber der deutschen Regelung zwei entscheidende Vorteile:

  • es bleibt dem Gerätehersteller überlassen, wie er die Aufgabe löst
  • Die Qualität des IR Systems als der Optik-Faktor ist automatisch in dieser Messung enthalten.

Sie fragen sich, ob ihr IR-Kamerasystem für die Elektrothermografie geeignet ist? Wir führen den Test nach der Richtlinie D19 der CNPP mit Ihrem IR-Kamerasystem durch.

 

 

CNPP Richtlinie D 19

Die von uns eingesetzte Wärmebildkamera erfüllt die Anforderungen der Richtlinie D 19 des CNPP.

 

Elektrothermografie

Nach DIN 54191 und VdS 2859

Gerne beraten wir Sie über den Einsatz der Elektrothermografie in Ihrem Unternehmen.

 

Zusätzlich bieten wir Ihnen die Prüfung der elektischen Anlagen und die Prüfung der ortsveränderlichen Geräte an.

 

Die Sicherheit Ihrer elektischen Anlagen ist uns wichtig. Sie konzentrieren sich auf Ihr Kerngeschäft und wir um die Sicherheit Ihrer elektrischen Anlagen. 

 

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