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Messen mit der Wärmebildkamera

Was kann eine Wärmebildkamera?

Mit der Wärmebildkamera ist es möglich, berührungsfrei die Temperatur von Objekten zu messen. So können beispielsweise heiße Stellen in Wänden aufgespürt und damit unnötige Wärmeverluste erkannt und behoben werden. Auch können Wärmebildkameras zur Überwachung in der Nacht eingesetzt werden, indem sie die Wärmestrahlung menschlicher Körper in der Dunkelheit aufnehmen. Weitere Anwendungen wurden in der Einführung erwähnt und es gibt noch zahlreiche mehr.
Abb. 1a zeigt beispielsweise zwei Menschen. Man erkennt deutlich, dass an denjenigen Bereichen des Körpers, die nicht von Kleidung bedeckt sind, mehr Wärme abgestrahlt wird: Hals und Kopf beider Personen erscheinen deutlich wärmer, ebenso die Arme, da beide T-Shirts tragen. Man erkennt ebenfalls, dass die rechte Person eine kurze Hose trägt. Die links oben angezeigte Temperatur soll nicht verwirren - dies ist die Temperatur in dem mittleren markierten Kreisbereich - sie zeigt hier im Wesentlichen die Temperatur der Mauer im Hintergrund. Die Farbskala am unteren Bildrand ist hier aussagekräftiger.

Die Wärmebildkamera bestimmt die Temperatur eines Objektes dabei durch Untersuchung der ausgesandten Wärmestrahlung. Diese liegt bei Objekten mit Raumtemperatur im infraroten Bereich. Die Wellenlängen sind also deutlich größer als bei sichtbarem Licht und die ausgesandte Strahlung für uns ohne Wärmebildkamera nicht wahrzunehmen.

Die Wärmebildkamera des Schülerlabors misst Temperaturen von -20°C bis 250°C mit einem Fehler von 2%. Sie kann also Strahlung im Wellenlängenbereich von 7,5µm - 13µm detektieren. Da es sich bei den Messobjekten nicht um schwarze Körper handelt, muss vor jeder Messung der Emissionsgrad eingestellt werden. Auf diese Weise wird die Wärmebildkamera für eine echte Temperaturmessung kalibriert.

Wärmebildkameras besitzen zweidimensionale Sensor-Chip-Arrays (also Felder von Chip-Pixeln, hier 60 x 60 Sensorpixel), in denen jedes Pixel die Strahlung im oben genannten Wellenlängenbereich absorbieren kann und je nach Temperaturentwicklung ihren Widerstand ändert. Diese Werte werden dann in der Kamera verarbeitet und als "Wärmebild" auf einem Monitor graphisch dargestellt. Solche Sensoren nennt man Mikrobolometer.

Abb. 1b zeigt eine mit der Wärmebildkamera gemachte Aufnahme eines Hochhauses an einem warmen Tag. Betrachtet man das 2. Stockwerk des Hauses, so fällt ein kleiner gelber Bereich auf - in diesem Bereich ist die Temperatur niedriger als links und rechts davon im roten Bereich. Man sieht hier die Fenster dieses Stockwerks, im gelben, kühleren Bereich ist eine Tür geöffnet, d.h. hier wird keine Wärmestrahlung von den Fenstern reflektiert. Man sieht an dieser Stelle, welche Strahlung aus dem Inneren des Gebäudes emittiert wird.

 

IR-Aufnahme zweier Menschena)   Hochhaus im IRb)

Abb. 1: Thermographie-Aufnahme a) zweier Menschen b) eines Hochhauses

 

 

Temperaturmessung mit der Wärmebildkamera

Wie misst man nun die Temperatur eines Objekts mit der Wärmebildkamera? Dies ist nicht so einfach, wie es zunächst scheint, denn die Wärmebildkamera detektiert die elektromagnetische Strahlung, die das Objekt aussendet. Die meisten Thermometer, die man aus dem Alltag kennt, funktionieren durch Berührung, also direkten Wärmekontakt mit dem zu messenden Objekt oder Medium (z.B. die üblichen Digital- und Analogthermometer zur Messung der Lufttemperatur, Fieberthermometer, Wasserthermometer für Badewanne/Aquarium,...). Die Wärmebildkamera hingegen hat keinen direkten Kontakt zum Messobjekt, sondern kann nur dessen Strahlung wahrnehmen. Dabei gilt es einige wesentliche Dinge zu beachten:

  • Eine entscheidende Größe, die hierbei eine Rolle spielt, ist der Emissionsgrad des Objekts. Er gibt das Verhältnis an zwischen der vom Körper tatsächlich abgestrahlten Wärme im Verhältnis zur abgestrahlten Wärme eines schwarzen Körpers, der den Emissionsgrad 1 besitzt. Da kein Körper ein idealer schwarzer Körper ist, strahlt er also tatsächlich einen niedrigeren Wert ab. Wasser hat z.B. einen Emissionsgrad um die 0.97, Beton ca. 0.92, blanke Metalle liegen dagegen bei Werten von 0.1 und niedriger. In der Regel hängt das sehr von der Oberfläche ab: Körper mit spiegelnden Oberflächen haben einen geringeren Emissionsgrad als solche mit rauen Oberflächen.
    Man muss also vor der Messung in der Kamerasoftware einstellen, welchen Emissionsgrad das zu messende Objekt besitzt, um seine Temperatur korrekt messen zu können.
  • Wollen wir die Temperatur eines Objektes messen, das sich z.B. in einem Raum befindet, dann messen wir natürlich nicht nur die Strahlung, die vom Objekt kommt, sondern auch diejenige, die von anderen Objekten kommt oder gar die Strahlung des Experimentators hinter der Kamera, die möglicherweise von einem Tisch oder einem Fenster zurückreflektiert wird. All diese unerwünschte Strahlung muss der Experimentator abziehen, wenn er korrekte Angaben zu seinem Objekt haben möchte.