Wie funktioniert eine Wärmebildkamera? Funktionsprinzip des Thermographen.

Was ist eine Wärmebildkamera? Dieses Gerät basiert auf der Wärmebildtechnik. Bei der Wärmebildtechnik handelt es sich um eine Technik zur Verbesserung der Sichtbarkeit von Objekten in dunklen Umgebungen, indem Infrarotstrahlung erfasst und aus diesen Informationen ein Bild erstellt wird.

Die am häufigsten verwendeten Nachtsichttechnologien sind:

Wärmebild;

Nahinfrarotbeleuchtung;

Bildgebung mit geringem Rauschen.

Im Gegensatz zu den beiden anderen Methoden funktioniert die Wärmebildtechnik in Umgebungen ohne externe Beleuchtung. Wie Nahinfrarotbeleuchtung kann auch die Wärmebildtechnik Hindernisse wie Rauch und Nebel durchdringen.

Was ist eine Wärmebildkamera? Beschreibung der Technologie

Die Funktionsweise der Wärmebildtechnik kurz erklärt: Alle Objekte geben abhängig von ihrer Temperatur Infrarotenergie (Wärme) ab. Die von einem Objekt emittierte Infrarotenergie wird als thermische Identifizierung bezeichnet. Je heißer ein Objekt ist, desto mehr Strahlung erzeugt es. Eine Wärmebildkamera (auch Wärmebildkamera genannt) ist ein Wärmesensor, der in der Lage ist, geringfügige Temperaturunterschiede zu erkennen. Das Gerät sammelt Infrarotstrahlung von Objekten und erstellt ein elektronisches Bild basierend auf Informationen über Unterschiede in ihren Temperaturbedingungen.

Wärmebilder weisen in der Natur normalerweise unterschiedliche Schattierungen auf: Schwarze Objekte sind kalt, weiße Objekte sind heiß und die Grautiefe zeigt die Unterschiede zwischen ihnen an. Einige Wärmebildkameras fügen den Bildern jedoch Farbe hinzu, um Benutzern die Identifizierung von Objekten mit unterschiedlichen Temperaturen zu erleichtern.

Geschichte

Prototypen von Wärmebildkameras wurden erstmals 1992 vorgestellt, eine detaillierte Bewertung ihrer Leistung in realen Situationen wurde jedoch erst 2007 veröffentlicht. Das 2007 evaluierte Modell wog etwa 1,5 kg, was das Gewicht des Helms, an dem die Kamera montiert war, deutlich erhöhte. Moderne Modelle sind deutlich leichter und mobiler als ihre ersten Prototypen.

Wärmebildgeräte

Was ist eine Wärmebildkamera? Hierbei handelt es sich um eine Art Wärmebildkamera, die bei der Brandbekämpfung eingesetzt wird. Durch die Bereitstellung von Infrarotstrahlung als sichtbares Licht ermöglichen solche Kameras Feuerwehrleuten, Hotspots durch Rauch, Dunkelheit oder wärmedurchlässige Barrieren hindurch zu erkennen. Wärmebildkameras haben normalerweise ein Taschenformat, können aber auch am Helm montiert werden. Sie bestehen aus hitze- und wasserdichten Gehäusen und sind langlebig, um den mit Baustellenarbeiten verbundenen Gefahren standzuhalten.

Gerät

Wie ist eine Wärmebildkamera aufgebaut? Eine Wärmebildkamera besteht aus fünf Komponenten: optischem System, Detektor, Verstärker, Signalverarbeitung und Anzeige. Spezielle Wärmebildkameras für den Brandschutz integrieren diese Komponenten in ein hitzebeständiges, robustes und wasserdichtes Gehäuse. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um thermische Infrarotstrahlung in Echtzeit sichtbar zu machen.

Auf dem Display der Kamera werden Unterschiede in der Infrarotleistung angezeigt, sodass zwei Objekte mit derselben Temperatur als dieselbe „Farbe“ erscheinen. Viele Wärmebildkameras, wie zum Beispiel die Wärmebildkameras Pulsar Quantum, verwenden Grautöne, um Objekte bei normaler Temperatur darzustellen, heben jedoch gefährlich heiße Oberflächen in unterschiedlichen Farben hervor.

Die Kameras können in der Hand gehalten oder am Helm montiert werden. Die meisten Wärmebildkameras, die bei der Feuerwehr eingesetzt werden, sowie Wärmebildkameras für die Jagd, sind Modelle im Taschenformat. Das ist bequem.

Verwendung von Wärmebildkameras: Bewertungen

Da Wärmebildkameras durch Dunkelheit oder Rauch „sehen“ können, ermöglichen sie Feuerwehrleuten, einen Brand in einem Gebäude schnell zu lokalisieren oder die Hitzesignatur von visuell verborgenen Opfern zu erkennen. Sie können verwendet werden, um Opfer in einer kühlen Nacht im Freien zu finden, schwelende Brände in einer Wand zu finden oder überhitzte elektrische Leitungen zu erkennen.

In der modernen Welt wird es schwierig sein, jemanden zu finden (mit der möglichen Ausnahme von Kindern unter 7-8 Jahren), der noch nie von Wärmebildkameras gehört hat. Es stimmt, es gibt nicht viele Menschen, die mindestens einmal ein echtes Gerät in den Händen gehalten haben. Und doch gibt es Menschen auf der Welt, die Wärmebildkameras nicht nur besitzen, sondern diese auch selbst aus Schrottmaterialien hergestellt haben.

Ist es möglich, eine Wärmebildkamera mit eigenen Händen herzustellen?

Diese Notwendigkeit, die neuen Kulibins in unserem Land zu werden, ist mit den sehr hohen Kosten dieser professionellen Geräte verbunden. Bei der Montage nach dem „Do-it-yourself“-Prinzip sinkt der Preis einer selbstgebauten Wärmebildkamera nicht einmal um ein Vielfaches, sondern um Größenordnungen. Trotz des recht komplexen Funktionsprinzips ist der Zusammenbau des Geräts zu Hause möglich und die allermeisten notwendigen Sensoren (z. B. der beliebte MLX90614ESF) können problemlos auf Internetseiten wie eBay erworben werden. Die größte Herausforderung besteht im Wesentlichen in der Optik, die erforderlich ist, um das Bild auf dem Empfangsmonitor genau zu konfigurieren. Darüber hinaus sind die Optiken spezialisiert und verwenden seltene Erdelemente (am häufigsten Germanium) in ihrer Zusammensetzung – und ohne besondere technische Fähigkeiten und tiefe Kenntnisse der Physik ist es unrealistisch, sie in einer Wohnung herzustellen.

Auswirkung einer Wärmebildkamera auf die Jagd

Dafür gibt es jedoch eine einfache Lösung – und diese besteht darin, vorgefertigte optische Systeme von jedem Gerät aus zu verwenden, in dem sie vorhanden sind (Digitalkameras, Web- und herkömmliche Videokameras usw.).

Notwendigkeit für die Jagd

Eine Wärmebildkamera ist ein multifunktionales Gerät, aber neben der Verwendung als stationäres Gerät (zur Überwachung verschiedener Industrieprozesse) ist ihre tragbare und tragbare Version am nützlichsten. Das oben Gesagte gilt in vollem Umfang für die Verwendung des Geräts für die Jagd. Darüber hinaus ist es wünschenswert, das Gerät in Form eines stoßfesten und leichten Monoblocks zu konstruieren, der eine hohe Sichtweite bietet (bei professionellen Modellen sind es 1,5 km und hat einen Schutzgrad von über IP54). Wenn das Gerät mit digitaler statt analoger Optik aufgebaut ist (was es schwierig macht, heißes Feuer von kaltem Schnee in einer Entfernung von 100 Metern zu unterscheiden), hat der Jäger die Möglichkeit, ein Tier oder einen Vogel unter den ungünstigsten Bedingungen zu finden gewöhnliche menschliche Vision. Dazu gehören Dunkelheit, dichter Nebel, Regen und sogar Dickicht, das gefrorene und sich nicht bewegende Tiere tarnt.

Für eine Wärmebildkamera sieht die Körperstrahlung warmblütiger Säugetiere oder Vögel auf dem Monitor wie ein heller Fleck aus, der die Beute einfach nicht unbemerkt bleiben lässt.

Arbeitsprinzip

Das Funktionsprinzip von Wärmebildkameras basiert auf dem Gesetz der Physik, wonach jeder erhitzte Körper umso intensivere Infrarotstrahlung (IR) in den Weltraum abgibt, je heißer die Temperatur des Objekts ist – auch des Körpers eines Warmblüters. Diese Strahlung wird von unserem Gerät erfasst und auf dem Monitor in ein für die menschliche Wahrnehmung angenehmes Bild umgewandelt. Der Temperaturunterschied der Infrarotstrahlung wird durch unterschiedliche Farben ausgedrückt, die wir von der herkömmlichen, sichtbaren Strahlung kennen. Von dunklem Lila und Blau für die kältesten Körper bis hin zu Orange und leuchtendem Rot für die heißesten.

Dieser Prozess des Empfangens und Sendens von Bildern erfolgt in drei Schritten:

Erfassung der Wärmestrahlung durch IR-Optik;
seine digitale Verteilung nach Temperaturwerten;
Erstellen eines thermografischen Bildes – Simulieren einer sogenannten Wärmekarte eines Objekts (ähnlich der üblichen Darstellung von Temperaturen auf meteorologischen Wettervorhersagekarten).

Es ist erwähnenswert, dass alle diese Aktionen im Hinblick auf die menschliche Reaktionsgeschwindigkeit im Wesentlichen augenblicklich ausgeführt werden.

Natürlich wird eine selbst zusammengebaute Wärmebildkamera nicht die Bildqualität und Reichweite eines professionellen Geräts bieten. Aber für einen Jäger, der auch nur den formlosen Wärmefleck eines versteckten Tieres erkennen möchte, ist im Grunde kein Bedarf an einem hochauflösenden Gerät, das 5, 10 und manchmal 20.000 Dollar kostet.

So funktioniert eine Wärmebildkamera – Bild

Wir sind bereit, Ihnen drei praktische Möglichkeiten für den Zusammenbau einer Amateur-Wärmebildkamera anzubieten – und für welche er sich entscheidet, bleibt dem Jäger überlassen.

Wärmebildkamera von einer Kamera

Diese Methode zur Erstellung einer Wärmebildkamera ist die einfachste und kostengünstigste, da sie nur minimale Eingriffe in das Design der Digitalkamera und die gleichen geringen Kosten erfordert. Es basiert auf der einfachen physikalischen Tatsache, dass digitale Geräte IR-Strahlung am Eingang genauso erkennen wie normale Strahlung. Da der Fotograf jedoch unter normalen Bedingungen den thermischen Teil des Spektrums nicht benötigt, installieren die Hersteller vor der Empfangsmatrix einen speziellen Filter, der IR-Strahlen reflektiert (den sogenannten „Hot Mirror“ oder Wärmespiegel).

Aus einer Kamera eine selbstgebaute Wärmebildkamera bauen

Die Umwandlung einer Digitalkamera in eine Wärmebildkamera besteht also im Wesentlichen nur darin, einen entfernten Filter (Infrarot) durch einen anderen (für normales Licht) zu ersetzen. Darüber hinaus ist in der Praxis grundsätzlich auch die 2. Aktion nicht durchführbar.

Gerät vonNetz-Kameras

Diese Option ist ebenfalls möglich, aber sie ist die arbeitsintensivste und relativ teuer, da sie zusätzliche Kosten in Höhe von etwa 150 US-Dollar erfordert. Darüber hinaus kann ein effektiv erhaltenes Gerät mit Servoantrieben nur ein stationäres Objekt mit Wärmestrahlung erkennen.

Merkmale des Zusammenbaus einer Wärmebildkamera aus einer Webcam im Foto

Für den Zusammenbau benötigen Sie:

eine spezielle Platine zum Übertragen von Bildern an einen Arduino-PC, installiert im Batteriefach;
ein kleiner Servomotor für die vertikale Bewegung, mit Klebeband oder Sekundenkleber vor der Platine befestigt;
ein zweiter großer Servomotor, der in einer horizontal rotierenden Vorrichtung untergebracht ist und als Grundlage für die Befestigung der gesamten Struktur daran dient;
Temperatursensor MLX90614, gemäß Diagramm an die Arduino-Platine angeschlossen;
ähnlich angeschlossener Laserpointer (der die aktuelle Scanrichtung anzeigt);
das „Netz“ selbst, präzise ausgerichtet mit einem Zeiger und einem Wärmesensor.

Dieses Design funktioniert als Wärmebildkamera mit einem Zielbezeichner (Sie müssen jedoch separat Software für Arduino herunterladen und installieren – im Internet verfügbar und klein – etwa 7 MB, zusammen mit Anweisungen zum Installieren von Skizzen und Bibliotheken).

Wärmebildkamera von einer Videokamera

Technisch gesehen ist die Methode im Wesentlichen eine Kopie der Version mit einer Kamera – mit der Ausnahme, dass das Gehäuse einer solchen Wärmebildkamera praktischer ist und die Bildqualität klarer ist (bei einer Videokamera mit Infrarotbeleuchtung ist dies jedoch der Fall). erforderlich).

Andere Optionen

Auch die Möglichkeit, die gängigsten Smartphones zu nutzen, die mit den Fähigkeiten der Flir One-Wärmebildkamera ausgestattet sind, ist durchaus realistisch (und am komfortabelsten für alle, die sich mit Lötkolben, Schraubendrehern und Fachliteratur nicht besonders auskennen).

Für Reisende und Jäger steht der Bildschirm eines solchen Smartphones (bei Aktivierung des entsprechenden Modus) in der Bildqualität den einfachsten professionellen Wärmebildkameras in nichts nach. Und Sie haben auch die Möglichkeit, bei Regen zu arbeiten und jegliche IR-Strahlung im Bereich von 0 bis 100 °C zu visualisieren. Obwohl es Ihnen natürlich nicht erlaubt, auf Entfernungen von etwa einem Kilometer etwas zu unterscheiden. Aber – und dabei etwa zehnmal günstiger! Und das kostenlos (in Form von Zusatzkosten) für diejenigen, die sich einfach dazu entschließen, ihr Mobiltelefon auf ein solches Modell aufzurüsten.

Video: DIY-Thermoscanner

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich eine Reihe moderner Standardgeräte problemlos in Wärmebildkameras umwandeln lassen – und das mit minimalen Änderungen am Design. Und ohne große zusätzliche Investitionen zu erfordern, erweitern sie den Zeit- und Wetterbereich der Bedingungen, unter denen selbst selbstgebaute Wärmebildkameras die gewünschte Beute erkennen können, erheblich. Allerdings wird beim Fahren in der Nacht von der Verwendung selbstgebauter Geräte wie Nachtsichtgeräten in Autos immer noch abgeraten (und solche, die auf Webcams basieren, sind verboten).

Das Erkennen lokaler Erwärmungspunkte und damit Schwachstellen in unserer Umgebung war schon immer ein faszinierender Prozess in der modernen Wärmebildtechnik. Infrarotkameras haben im Hinblick auf die Verbesserung des Preis-Leistungs-Verhältnisses erhebliche Veränderungen erfahren, nicht zuletzt aufgrund immer effizienterer Herstellungsverfahren für optische Infrarot-Bildsensoren. Die Geräte sind kleiner geworden, die Geräte sind langlebiger und hinsichtlich des Energieverbrauchs unprätentiöser geworden. Wie funktionieren moderne Infrarotkameras?

Funktionsprinzip einer Infrarotkamera

Wärmebildkameras funktionieren wie normale Digitalkameras: Sie verfügen über ein Sichtfeld, das sogenannte Field of View (FOV), das 6° als Teleobjektiv, 23° als Standardoptik und 48° als Weitwinkelobjektiv betragen kann. Winkelobjektiv. Je weiter Sie vom Messobjekt entfernt sind, desto größer ist der abgedeckte Bildbereich und damit auch die Größe des Bildes, das ein einzelner Pixel erfasst. Dies hat den Vorteil, dass die Helligkeit des Leuchtens auf einer ausreichend großen Fläche nicht von der Entfernung abhängt. Dadurch hat der Abstand zum Messobjekt keinen wesentlichen Einfluss auf die Temperaturmessvorgänge.

Wärmestrahlung im mittleren Infrarotbereich lässt sich nur mit Optiken aus Germanium, Germaniumlegierungen, Zinksalzen oder oberflächenbeschichteten Spiegeln fokussieren. Diese im Vergleich zu herkömmlichen Großserienobjektiven im sichtbaren Spektralbereich verbesserten Optiken stellen nach wie vor einen erheblichen Kostenfaktor bei der Herstellung von Wärmebildkameras dar. Sie sind als sphärisches 3-Linsen-Objektiv oder als asphärisches 2-Linsen-Objektiv ausgeführt und müssen für thermometrisch korrekte Messungen speziell bei Kameras mit Wechselobjektiven hinsichtlich ihrer Wirkung auf jedes einzelne Pixel kalibriert werden.

Das Hauptelement jeder Wärmebildkamera: das Fokusbereichs-Array

Das Hauptelement jeder Wärmebildkamera ist normalerweise das Focal Area Array (FPA). Es handelt sich um einen eingebauten Bildsensor mit einer Größe von 20.000 bis 1 Million Pixel. Jedes Pixel ist selbst ein Mikrobolometer mit einer Größe von 17 x 17 bis 35 x 35 µm². Solche 150 Nanometer dicken Wärmeempfänger werden durch Wärmestrahlung innerhalb von 10 ms auf etwa ein Fünftel der Differenz zwischen der Temperatur des Objekts und seiner eigenen Temperatur erhitzt. Diese hohe Empfindlichkeit wird durch die sehr geringe Wärmekapazität in Kombination mit der hervorragenden Isolierung der Infrarotkamera gegenüber der freien Umgebung erreicht. Der Absorptionskoeffizient des teiltransparenten Empfängerbereichs erhöht sich durch die Wechselwirkung einer durchgelassenen und dann an der Oberfläche des Siliziumkristalls reflektierten Lichtwelle mit einer nachfolgenden Lichtwelle.

Um diesen Selbstinterferenzeffekt auszunutzen, muss die Bolometeroberfläche, bestehend aus Vanadiumoxid oder amorphem Silizium, in einem Abstand von ca. 2 µm vom Auslesekreis entfernt. Bezogen auf die Oberfläche und die Bandbreite erreicht die spezifische Detektionsfähigkeit der hier beschriebenen Matrix im Fokusbereich Werte von etwa 109 cm Hz1/2/W. Damit ist sie anderen verwendeten thermischen Sensoren, z B. bei Pyrometern. Durch die Eigentemperatur des Bolometers ändert sich dessen Widerstand erneut, was in ein elektrisches Spannungssignal umgewandelt wird. Schnelle 14-Bit-Analog-Digital-Wandler digitalisieren das vorverstärkte und serialisierte Videosignal. Das digitale Signalverarbeitungssystem berechnet den Temperaturwert für jeden einzelnen Pixel und generiert in Echtzeit die bekannten Pseudofarbbilder oder Thermodiagramme.

Wärmebildkameras erfordern eine recht aufwendige Kalibrierung, bei der jedem Pixel eine Reihe von Empfindlichkeitswerten für unterschiedliche Temperaturen des Chips oder des schwarzen Emitters zugewiesen werden müssen. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit werden die Matrizen im Fokusbereich des Bolometers auf bestimmte Temperaturen mit hoher Regelgenauigkeit thermostatisiert.

Übertragung und Analyse von Wärmediagrammen

Dank der Entwicklung immer leistungsfähigerer, kompakterer und gleichzeitig preiswerter Laptops, ultramobiler PCs, Netbooks und Tablet-PCs ist deren Nutzung mittlerweile möglich

große Displays zur Darstellung thermischer Diagramme,
optimierte Lithium-Ionen-Akkus zur Stromversorgung,
Rechenleistung für flexible, hochwertige Echtzeit-Signalpräsentation,
Speicherkapazität für praktisch unbegrenzte Videoaufzeichnung von Wärmediagrammen sowie
Schnittstellen, z. B. Ethernet, Bluetooth, WLAN und Software zur Integration des Thermografiesystems in die Benutzerumgebung.

Die standardmäßige und zugängliche USB 2.0-Schnittstelle ermöglicht Ihnen eine Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit

30 Hz mit einer Auflösung von 320 x 240 Pixeln und
120 Hz für Bildformate mit 20.000 Pixeln.

Die 2009 eingeführte USB 3.0-Technologie ist sogar für XGA-Wärmebildauflösungen bis 100 Hz geeignet. Durch die Anwendung des Webcam-Prinzips auf die Thermografie sind völlig neue Produkteigenschaften mit einem deutlich verbesserten Preis-/Leistungsverhältnis entstanden. Dabei wird die Wärmebildkamera in Echtzeit über eine Schnittstelle mit einer Datenübertragungsrate von 480 MBaud an einen PC mit Windows©-Betriebssystem angeschlossen, der gleichzeitig die Stromversorgung übernimmt.

Hardware für Wärmebildkameras

Der USB-Standard diente bisher nur als Kommunikationsmittel für Bürogeräte. Im Vergleich zum FireWire-Bus hat die sehr weite Verbreitung dieses Schnittstellenstandards zu zahlreichen Entwicklungen geführt, die den Grad der Industrietauglichkeit dieser Schnittstelle und damit die Einsatzmöglichkeiten von Endgeräten mit dem USB 2.0-Standard, allen voran Infrarot-USB-Kameras, deutlich erhöht haben . Diese beinhalten:

ein als Energiekette einsetzbares, bis zu 200 °C belastbares Kabel mit einer Länge bis zu 10 m;
Kabelverlängerungen bis 100 m CAT5E (Ethernet) mit Signalverstärkern;
Glasfaser-USB-Modems für Kabellängen bis 10 km.

Dank der hohen Signalbandbreite des USB-Busses ist es beispielsweise möglich, über ein 100 Meter langes Ethernet-Kabel fünf 120-GHz-Infrarotkameras über einen Standard-Hub an einen Laptop anzuschließen.

Die wasserdichten, vibrations- und stoßfesten Wärmebildkameras der optris PI-Serie entsprechen der Schutzart IP 67 und sind daher für den zuverlässigen Einsatz auf Prüfständen geeignet. Die Abmessungen von 45 x 45 x 62 mm³ und ein Gewicht von 200 g reduzieren den Montageaufwand für Kühlgehäuse und Blasdüsen deutlich.

Erforderlich: Offset-Kalibrierung

Aufgrund der thermischen Vorspannung von Bolometern und ihrer On-Chip-Signalverarbeitung müssen alle messenden Infrarotkameras in Abständen von mehreren Minuten voreingestellt werden. Dazu wird das geschwärzte Metallteil elektrisch vor den Bildsensor bewegt. Dadurch wird jedes Bildelement auf die gleiche, bekannte Temperatur eingestellt. Während dieser Offset-Kalibrierung sind die Wärmebildkameras natürlich nicht in Betrieb. Um die negativen Auswirkungen eines solchen Vorgangs irgendwie zu reduzieren, kann die Aktivierung der Offset-Korrektur zu einem bestimmten Zeitpunkt durch die Installation eines externen Steuerkontakts konfiguriert werden.

Darüber hinaus sind die Kameras so konzipiert, dass die Selbstkalibrierung möglichst schnell erfolgt: Durch den Einbau relativ schneller Aktoren ist eine Selbstkalibrierung innerhalb von 250 ms möglich. Diese kann mit der Dauer des Lidschlusses verglichen werden und ist daher für viele Messverfahren akzeptabel. In Produktionslinien, in denen unerwartete Hotspots erkannt werden müssen, können „gute“ Referenzbilder in Echtzeit häufig als Teil dynamischer Bilddifferenzmessungen verwendet werden. Dadurch ist ein Langzeitbetrieb ohne den Einsatz eines mechanischen Elements möglich.

Wenn die Kamera die CO2-Laser-Signalverarbeitungstechnologie mit einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometern nutzt, hat sich die Fähigkeit bewährt, den optischen Kanal durch externe Steuerung zu schließen und gleichzeitig den optomechanischen Schutzmodus der Kamera unabhängig zu signalisieren. Dank guter Filterblockung können Temperaturmessungen „in situ“ für alle anderen Bearbeitungslaser im Bereich von 800 nm bis 2,6 µm durchgeführt werden.

Anwendungsgebiete von Wärmebildkameras

Analyse dynamischer thermischer Prozesse in der Produktentwicklung und Fertigung
Stationärer Einsatz zur kontinuierlichen Überwachung und Regelung thermischer Prozesse
Einsatz teilweise als tragbares Messgerät bei Reparaturarbeiten und zur Erkennung von Wärmelecks
Flugmodus-Thermografie für vom Boden aus schwer erkennbare Oberflächen

Die Möglichkeit, 120-GHz-Videos aufzuzeichnen, bietet auch für Forschung und Entwicklung zahlreiche Vorteile. Dadurch können thermische Prozesse, die nur kurzzeitig in das Sichtfeld der Kamera gelangen, später bequem in Zeitlupe analysiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, aus solchen Videosequenzen zusätzlich Einzelbilder mit voller geometrischer und thermischer Auflösung zu erstellen.

Darüber hinaus ermöglichen Wechseloptiken inklusive Mikroskopaufsatz die Anpassung des Geräts an unterschiedliche Messaufgaben: Während die 6°-Sichtfeldobjektive eher für die Beobachtung von Details aus der Ferne genutzt werden, können mit dem Mikroskopaufsatz Objekte der Größe 4 x 3 vermessen werden mm² mit einer geometrischen Auflösung von 25 x 25 µm².

Bei fest installierten Wärmebildkameras bietet deren optisch isolierte Prozessschnittstelle den Vorteil, dass die aus dem Wärmediagramm gewonnenen Temperaturinformationen in Form einer Signalspannung weitergegeben werden. Darüber hinaus können über einen Spannungseingang oberflächenbezogene Emissionsgrade oder berührungslos oder kontaktgemessene Referenztemperaturen an das Kamerasystem übermittelt werden. Zur Produktqualitätskontrolle und Qualitätssicherungsdokumentation kann über einen weiteren digitalen Eingang der Snapshot-Modus oder der Videosequenzmodus aktiviert werden. Ähnliche produktspezifische Bilder können automatisch auf zentralen Servern gespeichert werden.

Optimierung technologischer Prozesse in der Polymerindustrie

Der Herstellungsprozess von Kunststoffen, z. B. Polyethylenflaschen, erfordert eine gewisse Erwärmung des sogenannten Vorformlings, um beim Blasformen der Flasche eine gleichmäßige Dicke des Materials zu gewährleisten. Die Produktionslinie bearbeitet in Testbetrieben Werkstücke mit einer Dicke von nur 20 mm bei voller Arbeitsgeschwindigkeit von etwa einem Meter pro Sekunde. Da die Durchlaufzeit der Prüfprobe variieren kann, ist eine Videoaufzeichnung mit 120 Hz erforderlich, um das Temperaturprofil des Vorformlings zu messen. Dabei wird die Kamera so positioniert, dass sie die Bewegung des Materials in einem schrägen Winkel aufzeichnet – wie der letzte Waggon eines fahrenden Zuges. Dadurch wird ein Temperaturprofil auf Basis des Infrarotvideos erstellt, das für die Einstellung der Heizparameter wichtig ist.

Anwendung der Einleitungskammer in Glashärtungsanlagen

Sobald Strukturglas in seine endgültige Form geschnitten wurde, muss die Oberfläche häufig gehärtet werden. Dies geschieht in Glashärteanlagen, in denen das geschnittene Glas in einem Ofen auf eine Temperatur von 600 °C erhitzt wird. Nach dem Erhitzen wird das Material mithilfe beweglicher Rollen vom Ofen zu einer Luftkühlstrecke transportiert, wo die Oberfläche schnell und gleichmäßig abgekühlt wird. Dadurch entsteht eine feinkristalline, vorgespannte Struktur, die für Sicherheitsglas wichtig ist. Diese Struktur und damit die Festigkeit des Glases hängt von einer möglichst gleichmäßigen Erwärmung der gesamten Produktoberfläche ab.

Da sich der Ofenkörper und der Luftkühlabschnitt in der Nähe befinden, ist die Kontrolle der Bewegung der Glasoberfläche aus dem Ofen nur durch einen kleinen Spalt möglich. Im thermischen Diagramm erscheint das Material nur in wenigen Zeilen. Die Software ermöglicht es Ihnen nun, ein spezielles Bild der Glasoberfläche zu erhalten, das aus Linien oder Liniengruppen erstellt wird. Die Kamera vermisst den Spalt diagonal, so dass bei einer Optik mit 48° Sichtfeld ein 60° Sichtfeld entsteht. Da Glas je nach Oberflächenbeschichtung unterschiedliche Emissionsgrade aufweisen kann, misst ein Infrarot-Thermometer die genaue Oberflächentemperatur auf der unteren, unbeschichteten Seite des Glases bei der für die Glasoberfläche optimalen Wellenlänge von 5 µm.

Luftthermografie mit leichten Kameras

Neben Standard-Schnittstellenkonzepten ist es nun möglich, Infrarotkameras in Leichtbauweise herzustellen, die in Kombination mit einem Mini-PC, z. B. optris PI NetBox, problemlos auf ferngesteuerten Flugzeugen (z. B. Quadrocoptern) installiert werden können. Auf diese Weise ist es möglich, thermische Diagramme in der Luft zu erstellen, die insbesondere zur Überwachung großer Objekte, z. B. Photovoltaikkraftwerke, eingesetzt werden.

Die mitgelieferte Thermografiesoftware bietet Flexibilität

Da USB-Infrarotkameras ab Windows XP bereits installierte Standard-USB-Video-Class- oder HID-Treiber verwenden, ist keine Treiberinstallation erforderlich. Auf dem PC werden in Echtzeit pixelgenaue Korrekturen der Videodaten und Temperaturberechnungen durchgeführt. Die für einen 20.000-Pixel-Sensor erstaunlich gute Bildqualität wird durch einen aufwendigen softwarebasierten Rendering-Algorithmus erreicht, der Temperaturfelder im VGA-Format berechnet. Anwendungssoftware ist äußerst flexibel und portabel. Zusätzlich zu den Standardfunktionen verfügt die Thermografiesoftware optris PIX Connect über folgende Eigenschaften:

Umfangreiche Daten- und Wärmeexportfunktionen zur Unterstützung von Berichten und Offline-Analysen
Gemischte skalierbare Farbskalen
Horizontale oder vertikale Liniendarstellungen
Beliebig viele Sichtfelder mit separaten Alarmoptionen

Referenzbildbasierte Differenzdarstellung von Videodaten

Darüber hinaus bietet die Software einen Layoutmodus, der verschiedene Datenpräsentationsmodi speichert und wiederherstellt. Mit dem Videoeditor können Sie radiometrische Dateien mit der AVI-Erweiterung verarbeiten. Solche Dateien können mit einer mehrfach parallel genutzten Software und im Offline-Modus analysiert werden. Zu den Videoaufzeichnungsmodi gehören intermittierende Betriebsmodi, mit denen Sie langsame thermische Ereignisse aufzeichnen und diese dann schnell überprüfen können. Die Datenübertragung an andere Programme in Echtzeit erfolgt über sorgfältig dokumentierte DLLs, die Teil des Software Development Kits – Software Development Kits – sind. Über die DLL-Schnittstelle können Sie beliebige weitere Kamerafunktionen steuern. Optional kann die Software mit dem seriellen Com-Port kommunizieren und so beispielsweise direkt die RS422-Schnittstelle nutzen.

Literatur

VDI/VDE Richtlinie, Technische Temperaturmessungen - Spezifikation von Strahlungsthermometern, Juni 2001, VDI 3511 Blatt 4.1
Trouilleau, C. et al.: Hochleistungsfähiges ungekühltes amorphes Silizium-TEC ohne XGA IRFPA mit 17 μm Pixelabstand; „Infrarottechnologien und -anwendungen XXXV“, Proc. SPIE 7298, 2009
Schmidgall, T.; Glänzend gelöst – Fehlerdetektion an spiegelnden Oberflächen mit USB 2.0 - Industriekameras, A&D Kompendium 2007/2008, S. 219
Icron Technology Corp.; Optionen zur USB-Erweiterung, White Paper, Burnaby; Kanada, 2009

– ein Gerät zur Bestimmung der Wärmestrahlung auf der untersuchten Oberfläche. Die Forschungsmethode ist berührungslos und gewährleistet einen unterbrechungsfreien Betrieb bei der Untersuchung bewegter Objekte. Ein Gerät zur Überwachung der Temperaturverteilung der untersuchten Oberfläche.

Das Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera basiert auf der Umwandlung der Energie der Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal, das verstärkt und auf dem Anzeigebildschirm wiedergegeben wird. Die Temperaturverteilung wird auf dem Display der Wärmebildkamera als Farbfeld angezeigt, wobei einer bestimmten Temperatur eine bestimmte Farbe entspricht. In der Regel zeigt das Display den durch die Linse sichtbaren Temperaturbereich der Oberfläche an.

Arten von Wärmebildkameras

Abhängig von den Funktionen, die das Tool ausführt, gibt es verschiedene Typen:

Messen – Erstellen eines radiometrischen Bildes, mit dessen Hilfe die Temperaturindikatoren aller Objekte im Beobachtungsbereich bestimmt werden können. Diese Art von Geräten wird in der Medizin, im Baugewerbe, in der Industrie, beim Testen elektrischer Geräte und mechanischer Kommunikation eingesetzt.
Beobachtungszwecke – sie dienen lediglich der Visualisierung von Objekten; sie werden in militärischen Angelegenheiten, Sicherheits- und Strafverfolgungsbehörden, bei Rettungseinsätzen usw. verwendet.
Visuelle Pyrometer sind eine Art Beobachtungsinstrumente, die Bereiche mit anormalen Temperaturbedingungen identifizieren können.

Vor einigen Jahren war der Einsatz von Wärmebildkameras nur militärischen Abteilungen vorbehalten. Heutzutage werden diese Geräte in vielen Bereichen der industriellen Tätigkeit eingesetzt, da sie die Lösung vieler technischer Probleme ermöglichen.

Die Produktion wurde nicht nur in Form einzelner Geräte, sondern auch als integraler Bestandteil ziviler Ferngläser, Visierungen für Jagdwaffen und anderer optischer Mechanismen ausgeweitet.

Der Messbereich ist einer der Faktoren, die die Temperaturfähigkeiten bestimmen und die Modelle bedingt in 3 Typen einteilen:

Konstruktion: reagieren auf Temperaturen bis zu +350 0, werden zur Prüfung von Gebäudestrukturen, zur Bestimmung der Qualität der Isolierung und zur Suche nach Stellen mit Wärmelecks aus Gebäuden verwendet.
Industrie: Die Temperaturgrenzen liegen über +350 °C und werden zur Diagnose elektrischer Netzwerke und industrieller Systeme verwendet.
Hochtemperatur: Bestimmen Sie thermische Parameter von mehr als +1000 0, diagnostizieren Sie technologische Prozesse mit hoher Erwärmung.

Ihre Verwendung ist im modernen Leben weit verbreitet, sowohl für industrielle Zwecke als auch für zivile Zwecke.

Anwendungsbereiche

Der Einsatz von Wärmebildkameras in militärischen Angelegenheiten

Der Anwendungsbereich hängt mit der Fähigkeit zusammen, Wärmestrahlung in ein vom menschlichen Auge wahrnehmbares Spektrum umzuwandeln und die unbedeutendsten Objekte zu erkennen, die elektromagnetische Wellen aussenden. Wenn Sie die Intensität der Strahlung bestimmen, können Sie die Temperatur des untersuchten Objekts berechnen und davon ausgehen, wie hoch diese ist. Mit dem Gerät werden Temperaturunterschiede ermittelt, sie reagieren nicht auf Störungen, können von Ortungssystemen nicht erfasst werden und haben eine große Reichweite: von 100 m bis 3 km. Diese Wirkprinzipien ermöglichen den Einsatz in den unterschiedlichsten Bereichen.

In militärischer Ausrüstung

Heute wird eine neue moderne Technologie in Betrieb genommen, die über integrierte Wärmebildkameras verfügt. Ihr Einsatz ermöglicht die Durchführung von Kampfhandlungen bei schlechten Sichtverhältnissen sowie die Erkennung von Feinden und Ausrüstung. Darüber hinaus werden die Geräte in unbemannten Flugzeugen und ferngesteuerten Geräten installiert.

Die Fähigkeit, Objekte nachts zu „sehen“, ist der Hauptindikator für die Bedeutung von Geräten im militärischen Bereich. Das Prinzip des erfolgreichen Betriebs der Geräte ist die eindeutige Erkennung der Wärmestrahlung. Für die Armee werden spezielle Geräte in Form von Ferngläsern und Visieren für Waffen hergestellt und mit Leitsystemen ausgestattet. Sie sind mit leistungsstarken optischen Mechanismen ausgestattet, was die Leistungsfähigkeit militärischer Wärmebildkameras um ein Vielfaches steigert.

Bei Schiffsinstrumenten

Ein See- oder Flusshafen ist ein komplexer Verkehrsknotenpunkt und seine Sicherheit kann nur durch modernste Sicherheitsausrüstung gewährleistet werden. Marine-Wärmebildkameras sollen die Sicherheit von Wasser- und Küstenanlagen gewährleisten: Häfen, Liegeplätze, Lagerhäuser, Flussterminals.

Jagd

Eine Wärmebildkamera für die Jagd ist eine gute Hilfe für alle, die leidenschaftlich gerne Beute aufspüren. Mit dem Gerät können Sie das vorsichtigste Tier zu jeder Tageszeit verfolgen, unabhängig von Wetter und Sicht.

Gebäudevermessung

Mithilfe von Wärmebildsensoren ist es möglich, jede Struktur zu inspizieren, um den Ort von Wärmelecks zu bestimmen. Die Ergebnisse der Studie werden ein schlagkräftiges Argument für die schlechte Qualität der Wanddämmung sein. Für Mitarbeiter von Versorgungsbetrieben ist der Einsatz einer Wärmebildkamera zur Inspektion von Gebäuden eine gute Möglichkeit, Problembereiche richtig zu identifizieren und Maßnahmen zur Isolierung bestimmter Bereiche zu ergreifen.

Anwendung der Wärmebildtechnik in der Medizin

Medizin

Der Einsatz von Wärmebildkameras in der Medizin reicht bis in die Sowjetzeit zurück. Die Geräte ermöglichen es, die Art der Krankheit zu erkennen und eine infizierte Person unter gesunden Menschen anhand der für eine bestimmte Krankheit charakteristischen Körpertemperatur zu erkennen.

Die Untersuchung mit speziellen Geräten, die auf elektromagnetische Wellen reagieren, hilft dabei, den Entzündungsprozess mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich zu erkennen und den pathologischen Bereich zu lokalisieren. Mit dem Gerät können Sie feststellen, ob der Patient krank oder gesund ist, die Ursache der Krankheit erkennen und eine Diagnose stellen.

Notfallsituationen und ASR

Merkmale der Anwendung

Einsatz bei Feuerlösch- und Notfallrettungseinsätzen

Vergleich von Wärmebildkamera und Nachtsichtgerät

Wir sehen Menschen durch den Rauch

Verbleibende Wärmespur

Anwendung von Wärmebildkameras in der Industrie

Verwendung einer Wärmebildkamera bei der Suche nach brennbaren und giftigen Flüssigkeiten (Flüssiggasen) in Behältern

Energieanwendungen testen spannungsführende Leitungen

Die Wärmebildkamera ist in der Lage, versteckte elektrische Leitungen unter Spannung zu erkennen und eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in elektrischen Leitungen zu erkennen

Chancen unter verschiedenen Bedingungen

Glas

IR-Strahlung dringt nicht durch das Glas, das erhitzte Glas erscheint jedoch als hellerer Bereich.

Beheiztes Glas ist leichter

Spiegel

IR-Strahlung wird durch den Spiegel reflektiert

Wasser

IR-Strahlung dringt nicht durch Wasser; in manchen Fällen dringt sie durch Nebel oder Nieselregen ein.

Infrarotstrahlung dringt nicht durch Wasser

Je nach Dichte kann IR-Strahlung den Dampf durchdringen oder auch nicht.

Beispielsweise ist Nebel für eine Wärmebildkamera kein Hindernis.

Eine militärische Wärmebildkamera ist ein unersetzlicher und sehr wichtiger Gegenstand. Durch den Einsatz moderner integrierter Sicherheitssysteme wird eine der wichtigsten Aufgaben unserer Zeit gelöst – der Schutz von Objekten für verschiedene Funktionszwecke. Strategisch wichtige Einrichtungen – Flughäfen, Seehäfen, Stützpunkte, Regierungs- und Abteilungsstrukturen und viele andere – erfordern einen angemessenen Schutz, insbesondere an Orten militärischer Konflikte.

Die Wirksamkeit eines solchen Regimes sollte unabhängig vom Zeitraum und den Wetterbedingungen stets konstant hoch bleiben. Diese Aufgabe wird von fortschrittlichen intelligenten Videoüberwachungssystemen perfekt erfüllt. Zu diesen Komplexen gehören spezielle Wärmebildkameras, die von Tag zu Tag effizienter und qualitativ hochwertiger werden.

Militärische Wärmebildkamera: Einführung

Was ist eine Standard-Wärmebildkamera? Hierbei handelt es sich um ein Gerät, dessen Hauptfunktion darin besteht, ein Ziel im automatischen Modus zu erkennen und zu erkennen. In seinem Sichtfeld können sich gewöhnliche Menschen, Autos und andere militärische Ausrüstung sowie wichtige Gegenstände befinden. Um ein möglichst großes Gebiet abzudecken und Ziele korrekt zu finden, werden häufig automatische Radar-optische Systeme eingesetzt, deren Radarstationen die Funktionen der Anzeige und Erkennung übernehmen. Dies ermöglicht es dem Militär, auch nachts präzises Feuer abzufeuern und den Feind in völliger Dunkelheit, der sich hinter Hindernissen versteckt, problemlos zu erkennen.

Einstufung

Militärische Wärmebildkameras werden in zwei Typen unterteilt:

Stationäre Modelle. Sie sind recht voluminös und erfassen Temperaturschwankungen im Bereich von -20 bis +20.000 Grad. Solche Geräte gehören zur Entwicklung der dritten Generation. Um einen unterbrechungsfreien Betrieb der Wärmebildkamera zu gewährleisten, wird eine Stickstoffkühlung eingesetzt.
Tragbare Geräte. Eine militärische Wärmebildkamera dieser Art gilt als die erfolgreichste Entwicklung. Sie sind praktisch, mobil und funktional und stehen ihren Vorgängern in nichts nach. Die empfangenen Informationen können sofort auf Computern entschlüsselt werden.

Vorteile des Gerätes

Der Hauptvorteil solcher Stationen ist die hohe Betriebsgeschwindigkeit, dank der ein Objekt schnell erkannt, die Kategorie des Ziels und seine Flugbahn bestimmt werden. Mit anderen Worten: Durch den Einsatz von Radargeräten ist es möglich, äußerst wichtige Objekte zu schützen und die erforderlichen Aufgaben so genau und schnell wie möglich auszuführen.

Nachteile einer Wärmebildkamera

Eine militärische Wärmebildkamera hat einen gravierenden Nachteil: die Kosten. Die wichtigsten Faktoren, die die Preispolitik bestimmen, sind das Objektiv (Visier) und die Matrix. Natürlich wird viel daran gearbeitet, die Produktionskosten zu senken. Experten versichern, dass Matrixmethoden bereits gefunden wurden. Bei einem Anblick ist jedoch alles viel komplizierter. Für seine Herstellung werden sehr teure Materialien verwendet, die zudem recht selten sind. Versuche, einen alternativen Ersatz zu finden, waren bisher nicht erfolgreich, aber die aktive Suche hört nicht auf. Und das gibt Anlass zur Hoffnung, dass Wärmebildkameras bald deutlich erschwinglicher werden.

Arbeitsprinzip

Das empfangene Zielerkennungssignal wird sofort und automatisch an Wärmebildkameras übertragen, die zusammen mit Videokameras in einem einzigen modularen System integriert sind. Dadurch ist es möglich, ein möglichst informatives und klares Bild des Objekts zu erhalten und es dann in Echtzeit auf dem Monitor des Bedieners anzuzeigen. Genau das ist die Hauptaufgabe eines solchen Geräts wie einer militärischen Wärmebildkamera. Das Funktionsprinzip dieses Systems ermöglicht es, die Bewegung verdächtiger Objekte im Voraus zu erkennen, bevor diese möglicherweise den Schutzbereich verletzen. Das bedeutet, dass das Militär genügend Zeit hat, die Situation zeitnah zu lösen, wenn sie komplizierter wird.

Wie werden Wärmebildkameras eingesetzt?

Der Einsatz stationärer Wärmebildkameras, die häufig auf Drehscheiben oder militärischen Geräten installiert sind, ermöglicht die Gewährleistung höchster Zuverlässigkeit beim Schutz kritischer Einrichtungen oder bei der Erkundung von Territorien. Darüber hinaus werden Informationen über wahrgenommene Bedrohungen von außen mit hundertprozentiger Wahrscheinlichkeit empfangen, unabhängig von Wetterbedingungen und Sichtverhältnissen.

Militärische Wärmebildkameras werden auch in Sicherheitssystemen eingesetzt. Dadurch ist es möglich, den Umkreis von Ministerien, Behörden und vielen anderen wichtigen Einrichtungen zu schützen. Neben Personen sind solche Geräte in der Lage, Fahrzeuge und verdächtige Gegenstände zu erkennen, Rauch und viele andere Notfallsituationen rechtzeitig zu erkennen, sodass Sie schnell alle erforderlichen Maßnahmen ergreifen können.

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