Infrarot-Thermographie

Die Infrarot-Thermographie ist ein Verfahren, mit dem man die Oberflächentemperatur von Körpern messen und graphisch darstellen kann. Gemessen wird mit einer sog. Wärmebildkamera. Wärmebildkameras werden heutzutage bereits sehr vielseitig eingesetzt. Die Kameras reagieren auf Wärmestrahlung (was man darunter genau versteht, siehe weiter unten). So kann man beispielsweise an Stränden Hubschrauber beobachten, die mit Wärmebildkameras die Küste entlang fliegen, um in Not geratene Schwimmer/Wassersportler zu finden, deren Wärmesignatur im kalten Wasser deutlich erkennbar ist. Sehr bekannt ist sicherlich auch die Gebäude-Thermographie: Wenn man wissen möchte, wo ein Haus schlecht gedämmt ist und wo Wärmeverluste auftreten, so kann man diese mit der Wärmebildkamera deutlich sichtbar machen. Sogar zu medizinischen Zwecken kann man solche Kameras verwenden, so können beispielsweise Entzündungsherde oder Tumorgewebe sichtbar gemacht werden.

Es ist aber generell sehr interessant, die Welt einmal mit "Infrarot-Augen" zu betrachten. Man wird so einige Überraschungen erleben und feststellen, dass einige Phänomene besser, andere schlechter sichtbar sind als im "optisch sichtbaren" Bereich. Abb. 1 zeigt beispielsweise eine Kaffeetasse, die in einer noch laufenden/tropfenden Kaffeemaschine steht, a) mit der Wärmebildkamera aufgenommen, b) in einer Fotografie. Obwohl die Tasse optisch nicht durchsichtig ist (s. Abb. 1b), sieht man in Abb. 1a an der rot-gelben Einfärbung (dort ist es wärmer) des Tassenrandes, wie hoch der eingefüllte heiße Kaffee in der Tasse steht - denn die Tasse wärmt sich in diesem Bereich ebenfalls stark auf. Blau markiert, also kühler, erscheint der obere Bereich, in dem die Tasse nicht gefüllt ist, sowie der Henkel an der linken Seite. Sehr deutlich auch die ebenfalls rot-gelb gefärbten Tropfen und der Temperaturverlauf am Maschinenauslass.

Abb.1: Kaffeetasse in noch tropfender Kaffeemaschine, a) Thermographie b) Foto (a) und b) sind zu leicht verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen, weshalb die Maschine in a) tropft und in b) noch läuft)

Doch was ist eigentlich eine Wärmebildkamera und was macht sie sichtbar? Dazu müssen wir erst verstehen, was "Wärmestrahlung" ist:

Was ist Wärmestrahlung?

Unter Wärmestrahlung versteht man elektromagnetische Strahlung,  die ein Körper aufgrund seiner Temperatur aussendet. Ursache ist die thermische Bewegung der Moleküle des Körpers. Dabei handelt es sich um beschleunigte Ladungen, die nach den Gesetzen der Elektrodynamik Strahlung aussenden. Untersucht man die Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers nach ihren spektralen Anteilen, so findet sich ein materialunabhängiges Spektrum, das nur durch die Temperatur bestimmt wird. Abb. 2 zeigt das sog. Plancksche Strahlungsspektrum. Hier ist die maximale Strahlungsintensität eines Körpers gegen die Wellenlänge der Strahlung aufgetragen. Der sichtbare Strahlungsbereich ist mit den Regenbogenfarben dargestellt (etwa 400nm - 800nm, oder hier aufgetragen: 0,4µm - 0,8µm), oberhalb dessen beginnt der Bereich der Infrarotstrahlung.

Abb. 2: Plancksches Strahlungsspektrum (Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Plancksches_Strahlungsgesetz)

Wie man sieht, ist die Position des Maximums (also der maximalen abgestrahlten Intensität) abhängig von der Temperatur. Aus dem Spektrum kann also direkt auf die Temperatur des Körpers geschlossen werden. Je heißer ein Körper ist, desto kleiner ist die Wellenlänge, die im Maximum abgestrahlt wird. Für sehr hohe Temperaturen (z.B. die Oberflächentemperatur unserer Sonne mit 5777K, gelbe Kurve in Abb. 2) rückt dieses Maximum in den Bereich des sichtbaren Lichts. Je heißer ein Körper ist, desto blauer wirkt er dann.

Unsere "Umgebungswärme" kann von der roten Kurve repräsentiert werden, das ist der Bereich über und unter Zimmertemperatur (hier bei etwa 300K). Betrachtet man hier das Maximum, so fällt auf, dass es sich im Wellenlängenbereich von ca. 10µm, also 10000nm, befindet. Um diese Strahlung messen zu können, reichen gewöhnliche Digitalkameras nicht mehr aus, da deren Chips nur bis ca. 1000nm empfindlich sind. Spezielle Wärmebildkameras sind aber dazu in der Lage. Wie das funktioniert, finden Sie im Kapitel "Messen mit der Wärmebildkamera".