Alles über Wärmebildkameras und Thermografie

Thermografie ist ein Verfahren zur Sichtbarmachung von Infrarotstrahlung mit Hilfe von Wärmebildkameras - tragbaren elektronischen Geräten mit integrierter visueller Anzeige, die zur Erkennung von Wärmeenergie entwickelt wurden.

Sichtbares Licht bildet nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums. Wenn der Sensor auf ein Objekt oder einen Bereich zeigt, kann der Nutzer das ansonsten unsichtbare Infrarotspektrum mit Wellenlängen zwischen sichtbarem Licht und Mikrowellen betrachten.

Die Hauptkomponente einer Wärmebildkamera ist ein Temperatursensor, der an einem speziellen Objektivtyp angebracht ist und dann an die üblichen Bildaufnahmetechnologien angepasst wird. So können Techniker Bereiche mit übermäßiger Temperatur oder Quellen mit Wärmeüberschuss, z. B. überhitzte Komponenten oder potenzielle Wärmedämmungslücken bei der Gebäudeuntersuchung, schnell ausfindig machen.

Wärmebildkameras werden häufig in einer Reihe benutzerfreundlicher, ergonomischer Designs verkauft und bieten Temperaturerkennungsfunktionen für eine Vielzahl von Wärmeempfindlichkeiten. Das macht sie zu einer wertvollen Ergänzung für Notfalleinheiten, Mediziner, Techniker und Wartungsperonal.

Bis vor wenigen Jahren war Wärmebildtechnologie vor allem dem Militär vorbehalten. In den letzten Jahren hat sie jedoch den Weg in den Konsumentenbereich gefunden. So sind tragbare Wärmebildkameras (auch Wärmekameras, Wärmedetektoren oder Infrarotkameras genannt) mittlerweile sogar im Hobbybereich angekommen.

Doch die Ausgabe von Wärmeenergie in einer Infrarotspektrumanzeige ist in keiner Weise ein neues Konzept. Schon vor mehr als 200 Jahren postulierte der deutsch-britische Astronomen William Herschel die grundlegenden Prinzipien der Thermografie:

• Vereinfacht ausgedrückt war Herschel im Februar 1800 der Erste, der das Vorhandensein von Infrarot entdeckte, während er das Spektrum des sichtbaren Lichts mit einem Prisma untersuchte.
• Herschel fand heraus, dass er ein Thermometer über das rote Lichtende des Spektrums hinaus platzieren konnte, um das Vorhandensein eines bisher unbekannten unsichtbaren Bands zu erkennen, das wärmer als jedes andere in sichtbarem Licht ist.
• Heute bezeichnen wir dieses unsichtbare Band als "Infrarotstrahlung", die zwischen sichtbarem Licht und Mikrowellenfrequenzen im elektromagnetischen Spektrum liegt.

Obwohl die Wärmebild-Camcorder noch weit entfernt waren, wurden Herschels Ergebnisse schnell dazu verwendet, eine Reihe von Thermoelementmodulen herzustellen, die die unsichtbare Wärme von warmen Körpern in großer Entfernung erkennen konnten. Seine Entdeckung wurde in den folgenden Jahren von vielen anderen Physikern, Technikern und Erfindern weiterentwickelt:

• Besonders wichtig für die Entwicklung der heute verwendeten Wärmebildtechnologie war die Arbeit des ungarischen Universalgelehrten Kálmán Tihanyi (auch verantwortlich für die wegweisende Kathodenstrahl-Fernsehtechnologie).Im Jahr 1929 entwickelte Tihanyi die ersten „Nachtsicht“-Infrarotvideokameras für die Verwendung in der britischen Flugabwehr.
• In den 1970er Jahren wechselte die Technologie schnell zu Halbleiter-Arrays und schließlich zu modernen hybridisierten Einkristallplättchen-Bildgebungsgeräten.
• Die in den 1980er und 1990er Jahren entwickelten Handgeräte waren wesentlich vielseitiger und benutzerfreundlicher und erforderten im Gegensatz zu früheren mechanischen Versionen keine aktive Kühlung.
• Dennoch wurden Wärmebildkameras erst Anfang der 2000er Jahre zu einer finanziell rentablen Option für die meisten nichtmilitärischen Anwendungen, was zu drastischen Einsparungen bei den Produktionskosten für ungekühlte Arrays führte.
• Dies führte zu einem Boom bei der Beliebtheit von Wärmebildkameras für Anwendungen wie Notfalleinheiten, Architekturanalyse, medizinische Diagnostik, Umweltüberwachung und Autopilotsysteme.

Heute machen die sinkenden Kosten für innovative Technologien wie intelligente Sensoren, Mikroschaltkreise und WLAN-Konnektivität Wärmebildkameras zu einer beliebten Ergänzung vieler Toolkits für Technik, Reparaturen, Design, Kreativität und Freizeit.

Thermografie bietet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, vor allem für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben. Die Technologie wird regelmäßig in Situationen wie z. B. der Brandbekämpfung, bei nächtlichen Polizeieinsätzen sowie bei der Suche und Rettung in Katastrophenfällen eingesetzt.

Es gibt noch eine Reihe weiterer verbreiteter Anwendungen von Wärmebildkameras, von denen viele auf den ersten Blick weniger offensichtlich erscheinen. Im folgenden Abschnitt erläutern wir der häufigsten Gebrauchsszenarien:

Drohnen-Kameras	Thermografie wird häufig in ferngesteuerten Drohnen (UAVs) eingesetzt, um die Luftaufklärung unter gefährlichen oder schwer zu beobachtenden Bedingungen zu vereinfachen. Bei Hobbydrohnen kann die Thermografie für Fotografen für eine Vielzahl von Zwecken eine große Hilfe sein, während die UAV-Thermografie auch für Notfalleinsätze, Such- und Rettungskräfte und taktische militärische Anwendungen von großem Vorteil ist.
Branderkennung und-bekämpfung	Thermografie hilft Feuerwehrleuten nicht nur, Überlebende in schlecht zugänglichen Bereichen zu finden, in denen Staub, Nebel, Asche und andere Verunreinigungen die Sicht blockieren. Sie ermöglicht auch das rechtzeitige Erkennen überhitzter Bereiche oder potenzieller Zündquellen. Darüber hinaus kann sie auf Brände hinweisen, die von unerwarteten Orten ausgehen können (z. B. unterirdisch oder in Hohlwänden).
Wärmebildkameras für Naturaufnahmen	Tierfotografie, die Erforschung der Bewegungsmuster von Tieren und Umweltüberwachung sind heutzutage gängige Anwendungen der Thermografie. Mit intelligenten Sensoren ausgestattete IR-Kameras können in natürlichen Lebensräumen aufgestellt werden. Sie werden dann automatisch bei nachtaktiven oder anderweitig schwer erkennbaren Tieren ausgelöst. Dies ermöglicht in einigen Regionen eine weitaus umfassendere und personalsparende Überwachung von Spezies und Verhaltensweisen.
Vorsatzgeräte ("Dual-Use") für die Jagd	Generell dürfen Infrarotkameras wie Nachtsichtgeräte nur für Beobachtungszwecke eingesetzt werden. Das Anvisieren und Zielen mit solchen Geräten ist laut § 19 Abs. 1 des Bundesjagdgesetzes (BJagdG) generell verboten, ebenso der Besitz von speziellen Nachtzielfernrohren. Allerdings dürfen die Bundesländer diese Regelung „erweitern oder aus besonderen Gründen einschränken. (§ 19 Abs. 2 BJagdG).
Wärmebildkameras für die Schifffahrt	Dank Thermografie arbeiten Kollisionserkennungssysteme bei Nacht, Nebel oder schlechtem Wetter noch zuverlässiger. Obwohl die Effektivität der Thermografie unter Wasser (selbst bei den fortschrittlichsten Technologien), wie bereits erwähnt, relativ begrenzt ist, sind Wärmeerkennungskameras in der Schifffahrt keine Seltenheit. Speziell für die See entwickelte Geräte werden daher an verschiedenen Positionen an Bord von Seeschiffen aller Größen montiert.
Überwachungskameras	Fast alle Unternehmensstandorte setzen heute Überwachungskameratechnologien in irgendeiner Form ein. In Punkto Schutz und Rentabilität bieten sie gegenüber normalen Videokameras erhebliche Vorteile. So funktionieren sie auch bei schlechten Licht- und Sichtverhältnissen äußerst zuverlässig. Darüber hinaus sehen sie auch durch visuelle Tarnung, z.B. dichtes Laub, hindurch, die häufig in der Nähe von Büros und Lagerhäusern zu finden ist. So haben Einbrecher keine Chance, im Schutze der Dunkelheit unbemerkt zu bleiben. Moderne Wärmebildüberwachungskameras verfügen in der Regel über intelligente Sensoren und fortschrittliche Analysetechnologie, um die Anzahl der Fehlalarme zu reduzieren. Und decken Wärmemeldesysteme größere Überwachungsbereiche ab als konventionelle Kameras, die an jeder verfügbaren Sichtlinie angebracht werden müssen, um vollständig effektiv zu sein. Da sie keine zusätzliche, in der Nähe angebrachter Beleuchtung erfordern, ist die Kostenersparnis langfristig sogar noch höher.
Industrielle Infrarotkameras	Viele aktuelle Wärmebildkameras sind speziell für den industriellen Einsatz zertifiziert. Auf dem britischen Markt sind verschiedene Konfigurationen und Fertigungsstandards für eine Reihe besonders anspruchsvoller Anwendungen und Umgebungen verfügbar. Beispiele hierfür sind zertifizierte Kameras für den Einsatz in Bereichen mit explosiven Gasen (z. B. in der petrochemischen Industrie), in unterirdischen Anwendungen wie im Bergbau oder mit großen Mengen von Staubpartikeln in der Luft, die in Branchen wie der Zuckerproduktion und der Getreideverarbeitung zu finden sind. Wenn Sie wahrscheinlich eine spezielle Zertifizierung für die Verwendung Ihrer industriellen Infrarotkamera benötigen, wenden Sie sich immer an den Lieferanten, und lesen Sie die Fertigungsrichtlinien, um sicherzustellen, dass alle relevanten Normen, wie ATEX- und IECEx-Zulassung für den sicheren Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 1, erfüllt sind.

Neben häufig gestellten Fragen zur Funktionsweise von Wärmebildkameras im Allgemeinen gibt es auch eine Reihe häufig gestellter Fragen zu spezifischen Anwendungsszenarien und der Effektivität der Technologie in bestimmten Umgebungen oder Anwendungen.

In diesem Abschnitt untersuchen wir einige der Antworten und die Gründe dafür.

Warum funktionieren Wärmebildkameras nachts besser?

Die Umgebungshelligkeit hat keine direkte Auswirkung auf die Funktionsweise von Infrarotkameras. Dennoch können diese nachts „besser sehen“. Dies hat einen bestimmten Grund: Bei Nacht ist die Umgebungstemperatur und, was noch wichtiger ist, die Kerntemperatur von ansonsten unbeheizten Objekten fast immer deutlich niedriger ist als bei Tag. Von Wärmebildsensoren erfasste warme Bereiche werden deshalb mit höherem Kontrast auf dem Bildschirm angezeigt.

Selbst zu kühleren Jahreszeiten absorbieren Gebäude, Straßen, Menschen, Tiere und Pflanzen bei Tageslicht einen Teil der Wärmeenergie von der Sonne. Und für jeden Temperaturgrad, um den sich diese Objekte erwärmen, heben sie sich weniger deutlich von anderen warmen Objekten ab, die der Sensor der Kamera erkennt.

Aus demselben Grund zeigen die meisten Wärmebildkameras warme Objekte nach mehreren Stunden Dunkelheit und nicht direkt nach Sonnenuntergang mit schärferem Kontrast an und selbst bei Tageslicht sind sie in der Regel am frühen Morgen effektiver als mitten am Nachmittag.

Funktionieren Wärmebildkameras auch durch Glas?

Es mag zunächst verwundern, doch Wärmebildkameras können im Allgemeinen nicht durch Glas „sehen“. Denn Glas lässt zwar Licht aus dem sichtbaren Spektrum durch, „reflektiert“ aber den größten Teil der Strahlung aus dem Infrarotbereich. Dadurch passiert nur ein kleiner Teil der thermischen Strahlung – wenn überhaupt – des auf der anderen Seite befindlichen Objekts das Glas. Aus diesem Grund werden übrigens auch die Linsen von IR-Kameras meist aus Germanium oder Zinkselenid und anderen Materialien hergestellt, die Infrarotstrahlung hindurchlassen.

Allerdings können bestimmte Infrarotfrequenzen durchaus auch Glas passieren, z.B. nahes Infrarot mit einer Wellenlänge von 780 nm bis 3 µm. Manche Glasarten wiederum lassen bestimmte Wellenlängen besser durch als andere. So hindern Windschutzscheiben von Autos Thermografie beispielsweise weniger als Gebäudefenster. In den meisten Fällen wird das Bild jedoch größtenteils durch Infrarotreflexionen auf der anderen Seite des Glases in unterschiedlichem Maße verdeckt. Selbst im günstigsten Falle gibt die Wärmebildkamera das Objekt also mit wesentlich weniger Details und geringerem Kontrast wieder.

Kurz gesagt: Wärmebildkameras eignen sich mehr schlecht als recht dazu, genaue Messwerte durch Glas (oder verschiedene andere, stark reflektierende Oberflächen) hindurch zu wiederzugeben.

Funktionieren Wärmebildkameras unter Wasser?

Auch unter Wasser funktionieren Wärmebildkameras nicht gut. Die Gründe sind zum Teil ähnlich wie die von Glas, denn Wasser blockiert viele Infrarotwellenlängen, insbesondere tiefem Wasser.

Wasser stellt auch ein weiteres, schwieriges Hindernis für IR-Kameras in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärme dar, denn es hat eine viel höhere Wärmekapazität als Luft. Somit benötigt es viermal so viel Energie, um die Temperatur eines äquivalenten Volumens um ein Grad zu erhöhen oder zu senken.

In der Praxis bedeutet das, dass Objekte ihre eigene Wärmeenergie im Vergleich zu Wasser viel schneller und über kürzere Entfernungen verlieren (oder gewinnen). Für Thermografiezwecke sind Objekte daher im Wasser von Natur aus schwieriger zu unterscheiden als in der Luft.

Können Wärmebildkameras durch Wände hindurchsehen?

Nein, aber um genau zu sein, „sehen“ Infrarotkameras ohnehin nicht, jedenfalls nicht im klassischen Sinne. Eine Wärmebildkamera registriert lediglich die Oberflächentemperatur des ersten Objekts, das sich in der Sichtlinie befindet. Richten Sie eine Wärmebildkamera auf eine Wand, erfasst sie die von der Oberfläche ausgehende Wärme.

Wärmebild- oder Nachtsichtkameras – was ist besser?

Sowohl Wärmebildkameras als auch Restlichtverstärker ermöglichen das Sehen bei Dunkelheit, nutzen dazu jedoch völlig unterschiedliche Technologien.

Nachtsichtgeräte, normalerweise am körnigen, grünen Display erkennbar, verstärken das wenige, noch vorhandene Umgebungslicht. Fehlt dieses vollkommen, bringt es keinen wesentlichen Vorteil.

Viele Nachtsichtkameras sind daher mit einer zusätzlichen Infrarot-Beleuchtungsfunktion ausgestattet, um eine größere Wellenlänge von verstärkbaren elektromagnetischen Signalen zu bieten. Sie unterstützen den Sensor bei sehr schlechten Bedingungen. Diese sind für das bloße Auge nicht sichtbar, können aber von allen anderen Personen, die Nachtsichtgeräte verwenden, leicht erkannt werden. Normalerweise stellt dies kein Problem dar. Lediglich bei militärischen Operationen oder Überwachungsanwendungen wäre dies von Nachteil.

Gegenüber Restlichtverstärkern hat Thermografie noch den Vorteil, dass sie Objekte auch bei Nebel, Rauch, Staub oder Tarnung erkennt.

Angesichts der großen Auswahl an Modellen und der nicht unerheblichen Preisunterschiede kann eine Kaufentscheidung schwerfallen. Dabei ist der Unterschied zwischen einer Einsteiger- und einer Profikamera mitunter gewaltig. Folgende Kriterien helfen Ihnen bei der Wahl der passenden Wärmebildkamera:

• Detektorauflösung und Bildauflösung
• Temperaturbereich und –empfindlichkeit
• Software
• unterstützte Dateiformate
• Bluetooth- und Wi-Fi-Technologie
• Ergonomie und Design
• Austauschbarkeit des Objektivs
• Weitere Extras

Detektorauflösung: Wie bei digitalen Tageslichtkameras hat auch der Sensor einer Infrarotkamera eine bestimmte Auflösung, wenn auch eine geringere. Diese ist allerdings Maßgebend – die des Displays hingegen weniger. Treffen Sie Kaufentscheidungen daher nach der Detektorauflösung.

Temperaturbereich: Anhand der minimal und maximal messbaren Temperaturwerte erkennen Sie, ob die Kamera sich für den geplanten Einsatzzweck eignet. Dabei gilt: Je größer der Temperaturbereich, desto vielseitiger ist auch die Kamera.

Temperaturempfindlichkeit: Ähnlich wie die Auflösung des Displays oder Sensors gibt die Empfindlichkeit Aufschluss darüber, wie fein das Thermografiebild der Kamera Temperaturunterschiede wiedergibt. Je kleiner der Grad, desto genauer können Sie Temperaturunterschiede messen.

Mitgelieferte Computersoftware: Um IR-Aufnahmen analysieren und mit anderen teilen zu können, benötigen Sie eine entsprechende Software. Viele Hersteller liefern diese gleich mit. Schauen Sie sich die enthaltenen Funktionen genau an und ziehen Sie ruhig Alternativen zum Vergleich heran.

Unterstützte Dateiformate: Ebenso wichtig ist die Unterstützung gängiger Dateiformat wie JPEG sowie das Speichern radiometrischer Daten. Manche Kameras speichern nur das Bild – es fehlen dann wichtige Informationen, die Sie manuell hinzufügen müssen.

Bluetooth- und Wi-Fi-Unterstützung: Funkübertragung in Kombination mit Wärmebildkamera-Smartphone-Apps ermöglicht die Vor-Ort-Analyse der Infrarotaufnahmen auf einem externen Gerät, z.B. einem Tablet. Besonders praktisch ist auch die Wireless-Verbindung der Wärmebildkamera mit einem Feuchtemessgerät – vorausgesetzt natürlich, letzteres ist ebenfalls funkfähig.

Ergonomie: Gewicht und Design sind ausschlaggebend für bequemes Messen in schwer zugänglichen Räumen oder über längere Zeiträume. Weitere Features wie ein Touchscreen oder ein schwenkbares Objektiv erleichtern die Arbeit zusätzlich und entlasten den Rücken.

Objektiv: Ein austauschbares Objektiv eröffnet eine Vielzahl Möglichkeiten. Mittels Makro-Objektiv können Sie beispielsweise Messungen an kleineren Objekten vornehmen.

Weitere Extras: Da Thermografiekameras ähnlich aufgebaut sind wie normale Tageslichtkameras, integrieren viele Hersteller diese oftmals gleich mit. Ebenfalls praktisch ist ein eingebauter Laserpointer, mit denen Sie Zielobjekte markieren oder hervorheben können. Solche Features runden das Gesamtpaket ab.

Wenn Sie weitere Informationen zu bestimmten Wärmeerkennungsprodukten oder weitere Hinweise und Unterstützung zu Wärmebildkameras im Allgemeinen wünschen, wenden Sie sich bitte telefonisch, per E-Mail oder per Live-Chat an einen unserer Experten.

Hier sind einige der beliebtesten Marken. Klicken Sie hier, um die gesamte Produktserie anzuzeigen: