Wärmebildtechnik – Glossar und technische Referenz

Überblick: Was ist Wärmebildtechnik?

Wärmebildtechnik ist eine Technologie, die es ermöglicht, Temperaturunterschiede auf Oberflächen von Objekten und in Umgebungen sichtbar zu machen, indem sie Infrarotstrahlung (IR) erkennt, die von allen Objekten oberhalb des absoluten Nullpunkts (-273,15°C bzw. 0 K) natürlich abgegeben wird. Anstatt auf sichtbares Licht angewiesen zu sein, übersetzt die Wärmebildtechnik die ansonsten unsichtbare Infrarotenergie in ein sichtbares Bild, das als Thermogramm bezeichnet wird. Die Menge der von einem Objekt emittierten Infrarotstrahlung steigt mit seiner Temperatur gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz. Dadurch kann die Wärmebildtechnik auch in völliger Dunkelheit, durch Rauch, Nebel oder Staub funktionieren – Bedingungen, unter denen herkömmliche Kameras versagen.

Die Wärmebildtechnik wird branchenübergreifend für berührungslose Temperaturmessung, Anomalieerkennung sowie qualitative und quantitative Analyse thermischer Muster genutzt. In der Luftfahrt beispielsweise dient sie zur Inspektion von Verbundstrukturen, Überwachung von Triebwerken und zur Verbesserung des Situationsbewusstseins. In der Elektrotechnik erkennt sie überhitzte Bauteile in Schaltungen und Schaltanlagen. In der Medizin hilft sie bei der Erkennung abnormaler thermischer Signaturen, etwa im Zusammenhang mit Entzündungen oder Gefäßerkrankungen.

Die Technologie erhöht die Betriebssicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit, ohne dass eine externe Beleuchtung erforderlich ist – ein unschätzbarer Vorteil für Sicherheit, Überwachung, Such- und Rettungseinsätze sowie die Wildtierbeobachtung. Ihre Vielseitigkeit beruht auf dem Grundprinzip: Alle Materie emittiert Infrarotenergie, und diese kann sichtbar gemacht werden, um eine dem menschlichen Auge verborgene Welt zu enthüllen.

Wissenschaftliche Grundlagen: Das Infrarotspektrum und Emission

Was ist Infrarotstrahlung?

Infrarotstrahlung (IR) ist elektromagnetische Energie mit längeren Wellenlängen als sichtbares Licht (700 Nanometer bis etwa 1 Millimeter), aber kürzeren als Mikrowellen. Das IR-Spektrum umfasst:

• Nahes Infrarot (NIR, 0,7–1,0 µm)
• Kurzwellige Infrarotstrahlung (SWIR, 0,9–1,7 µm)
• Mittelwellige Infrarotstrahlung (MWIR, 1–5 µm)
• Langwellige Infrarotstrahlung (LWIR, 8–14 µm)

Das LWIR-Band wird am häufigsten für die Wärmebildtechnik verwendet, da es dem Emissionsmaximum von Objekten bei Umgebungstemperaturen entspricht.

Die Abstrahlung von IR-Strahlung folgt dem Planckschen Gesetz der Schwarzkörperstrahlung, das die Temperatur mit der abgestrahlten Energie verknüpft. Auch wenn reale Objekte keine perfekten Schwarzen Körper sind, bildet dieses Prinzip die Grundlage für die Kalibrierung und Interpretation thermischer Daten.

Emissionsgrad

Emissionsgrad ist das Verhältnis der von einer Oberfläche abgegebenen Wärmestrahlung zu der eines Schwarzen Körpers bei gleicher Temperatur (Werte zwischen 0 und 1). Menschliche Haut und mattschwarze Farbe haben einen hohen Emissionsgrad (>0,95), während glänzende Metalle einen niedrigen Emissionsgrad (<0,1) aufweisen. Die Korrektur des Emissionsgrads ist entscheidend für genaue Temperaturmessungen.

Das Wien’sche Verschiebungsgesetz hilft, die Wellenlänge des Emissionsmaximums für eine gegebene Temperatur zu bestimmen und so die optimale Bandwahl für Kameras festzulegen.

Wie funktioniert die Wärmebildtechnik?

Wärmebildkameras erkennen Infrarotstrahlung und wandeln sie in elektrische Signale um, die zu sichtbaren thermografischen Bildern verarbeitet werden. Der Ablauf umfasst:

1. Das Kameraobjektiv fokussiert die IR-Strahlung auf ein Detektorarray.
2. Jedes Pixel reagiert auf die IR-Energie und erzeugt ein elektrisches Signal.
3. Die Signale werden digitalisiert und verarbeitet, mit Kalibrierung für Temperatur, Umgebungsbedingungen und Sensorauslenkung.
4. Farbcodierung weist visuelle Paletten zu – kühle Bereiche erscheinen etwa blau oder grün, heiße rot, orange oder weiß – und erzeugt so ein Thermogramm.

Kameras verwenden Mikrobolometer in ungekühlten Systemen und Photonendetektoren (z.B. InSb, HgCdTe) in gekühlten Systemen. Zu den fortschrittlichen Funktionen gehören Datenspeicherung, Überlagerung sichtbaren Lichts, Echtzeitanalyse und Temperaturmesswerkzeuge.

Wärmebilder und Thermogramme

Ein Wärmebild oder Thermogramm ist das Ergebnis einer Wärmebildkamera und stellt Temperaturunterschiede mithilfe von Falschfarbenpaletten dar, um die Interpretation zu erleichtern. Moderne Kameras bieten verschiedene Paletten (z.B. „Ironbow“, „Regenbogen“, Graustufen), angepasst an den jeweiligen Einsatzzweck.

• Quantitative (radiometrische) Thermogramme: Jeder Pixelwert entspricht einer tatsächlichen Temperatur.
• Qualitative Thermogramme: Zeigen nur relative Unterschiede.

Fusionsbilder überlagern thermische und sichtbare Bilder zur besseren Orientierung, besonders in komplexen Umgebungen.

Anwendungen reichen von vorausschauender Wartung und Energieaudits bis zu medizinischer Diagnostik und Überwachung.

Wärmebildgeräte

Infrarotkameras

Infrarotkameras verfügen über für IR optimierte Objektive, ein Detektorarray, Verarbeitungselektronik und ein Display bzw. eine Datenschnittstelle. Detektormaterialien sind unter anderem:

• VOx, a-Si (ungekühlte Mikrobolometer)
• InGaAs, InSb, HgCdTe (gekühlte Photonendetektoren)

Sie werden in Industrie, Wissenschaft und Militär eingesetzt. Die Wahl hängt von Temperaturbereich, Empfindlichkeit und Einsatzumgebung ab.

Handgehaltene Wärmebildkameras

Tragbar, batteriebetrieben und benutzerfreundlich – ideal für Inspektionen und Diagnosen vor Ort. Häufige Ausstattungsmerkmale sind Touchscreens, Speicher und drahtlose Konnektivität.

Typische Anwender: Elektriker, Bauwerksprüfer, HLK-Fachleute und Instandhaltungsingenieure.

Feste/Kontinuierliche Überwachungskameras

Für die dauerhafte Überwachung kritischer Anlagen installiert, lassen sich diese Kameras in Automatisierungs-, Sicherheits- oder Brandmeldesysteme integrieren und bieten Echtzeit-Streaming sowie automatische Alarme.

Einsatzbereiche: Umspannwerke, Fabriken, Lagerhäuser, Rechenzentren und Grenzsicherheit.

Optische Gasdetektionskameras (OGI)

Spezialisiert auf die Detektion von Gasen (z.B. Methan, SF₆, VOCs), nutzen diese Kameras Spektralfilter, um ansonsten unsichtbare Leckagen in Echtzeit sichtbar zu machen. OGI ist für die Einhaltung von Umweltvorgaben und die Sicherheit in der Öl-, Gas- und Energiebranche unerlässlich.

Typen von Wärmebildkameras

Ungekühlte Wärmebildkameras

Nutzen VOx- oder a-Si-Mikrobolometer bei Umgebungstemperatur; kompakt, robust und kostengünstig. Typischerweise LWIR (8–14 µm), Auflösungen von 80×60 bis 640×480 Pixel. Geeignet für Bauwerksdiagnostik, elektrische Wartung, Brandbekämpfung und Sicherheit.

Gekühlte Wärmebildkameras

Verwenden kryogen gekühlte Photonendetektoren (z.B. InSb, HgCdTe) für extreme Empfindlichkeit (<0,02°C) und schnelle Bildraten. Einsatz in SWIR, MWIR und LWIR, geeignet für Gasdetektion, Forschung, Luft- und Raumfahrt sowie Militär.

Spektralbereiche: SWIR, MWIR, LWIR

• SWIR (0,9–1,7 µm): Geeignet für Hochtemperatur-Bildgebung und Nachtsicht.
• MWIR (3–5 µm): Ideal für moderate/hohe Temperaturen, weniger anfällig für atmosphärische Störungen.
• LWIR (8–14 µm): Standard für allgemeine Anwendungen.

Wichtige Merkmale von Wärmebildkameras

Auflösung

Eine höhere Pixelanzahl bedeutet klarere, detailliertere Bilder – entscheidend für die Erkennung kleiner Merkmale, feiner Temperaturverläufe oder entfernter Objekte. Hohe Auflösung ist für präzise Inspektionen und quantitative Analysen unerlässlich.

Thermische Empfindlichkeit (NETD)

Angegeben in Millikelvin (mK), bedeutet ein niedriger NETD-Wert eine höhere Empfindlichkeit für kleine Temperaturunterschiede. Wichtig für vorausschauende Wartung, medizinische Diagnostik und Umweltüberwachung.

Sichtfeld (FOV)

Bestimmt die Abdeckung des Bereichs – ein weites Sichtfeld für große Flächen, ein schmales Sichtfeld für detaillierte Ferninspektionen. Objektivwahl und Detektorgröße beeinflussen das Sichtfeld; einige Kameras bieten Wechselobjektive.

Konnektivität und Datenmanagement

Moderne Kameras verfügen über WLAN, Bluetooth, USB und Ethernet für Datentransfer und Integration. Interner Speicher, Live-Streaming und automatisierte Berichte erleichtern Arbeitsabläufe und Einhaltung von Vorschriften.

Kalibrierung und Temperaturmessung

Radiometrische Kalibrierung ermöglicht präzise Temperaturmessungen für jedes Pixel. Fortgeschrittene Werkzeuge umfassen Punkt-, Flächen- und Linienmessungen, Trenddiagramme und Alarmfunktionen.

Wie wähle ich eine Wärmebildkamera aus?

Zu beachten:

• Anwendung: Inspektion, Überwachung, Forschung, Sicherheit, Medizin, usw.
• Auflösung: Höher für detailreiche oder großflächige Untersuchungen.
• Empfindlichkeit (NETD): Niedrige Werte für feine Temperaturunterschiede.
• Spektralbereich: LWIR für allgemeine Nutzung; MWIR/SWIR für spezielle Aufgaben.
• Bauform: Handgerät für Mobilität; fest installiert für Automatisierung.
• Kalibrierung: Radiometrisch für quantitative Arbeiten.
• Konnektivität: Für Datentransfer und Systemintegration.
• Budget: Abwägung von Ausstattung und Kosten.

Beispiel: Ein Elektriker wählt eine handgehaltene, radiometrische LWIR-Kamera mit 320×240 Auflösung und WLAN für Routineinspektionen.

Zentrale Anwendungen und Einsatzbereiche

Industrielle Inspektion und Zustandsüberwachung

Zur Erkennung von Überhitzung bei Motoren, Lagern, Transformatoren, Schaltanlagen und mehr. Wärmebildtechnik ermöglicht vorausschauende und vorbeugende Wartung, reduziert Ausfallzeiten und erhöht die Zuverlässigkeit von Anlagen. Feste Kameras bieten permanente Überwachung und automatische Alarme.

Bauwerksdiagnostik und Energieaudits

Erkennung von Wärmeverlust, Luftundichtigkeiten, Isolationslücken, Feuchtigkeitseintritt und Schädlingsbefall. Eingesetzt für Energieaudits und zur Planung von Effizienzmaßnahmen sowie zur Aufdeckung versteckter Wasserlecks zur Vermeidung von Schimmel und Bauschäden.

Sicherheit und Überwachung

Ideal für Perimeterüberwachung und Eindringlingserkennung bei schlechten Lichtverhältnissen, Nebel oder Rauch. Erhöht das Situationsbewusstsein für Polizei und Militär und unterstützt datenschutzfreundliche Präsenzdetektion.

Gesundheitswesen und medizinische Diagnostik

Berührungslose Messung der Hauttemperatur für Fieber-Screening, Gefäßuntersuchungen und Entzündungsdetektion. Anwendung in Onkologie, Wundüberwachung und Veterinärdiagnostik.

Die Wärmebildtechnik breitet sich dank Fortschritten in der Detektortechnologie, Datenanalyse und Integrationsmöglichkeiten stetig in neue Bereiche aus. Von Sicherheit und Nachhaltigkeit bis zu Gesundheit und Überwachung macht sie das Unsichtbare sichtbar – für bessere Entscheidungen und Ergebnisse überall dort, wo Wärme eine Rolle spielt.