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Infrarotkameras messen Wärme an PC-Komponenten

01  Kompakte Infrarotkamera Optris PI 640 kommt im Testlabor zur Wärmemessung an Leiterplatten zum Einsatz

01  Kompakte Infrarotkamera Optris PI 640 kommt im Testlabor zur Wärmemessung an Leiterplatten zum Einsatz

02  Die Optris PI 640 ist in einer Baugröße von 46 mm × 56 mm × 90 mm ausgeführt und verfügt über eine ­Auflösung von 640 × 480 Pixel

02  Die Optris PI 640 ist in einer Baugröße von 46 mm × 56 mm × 90 mm ausgeführt und verfügt über eine ­Auflösung von 640 × 480 Pixel

03  Zur seriösen Temperaturmessung im Computerinneren wird eine möglichst dünne Folie über das offene Chassis ­gelegt, um möglichst identische Wärmeverhältnisse zum geschlossenen Gehäuse zu erreichen

03  Zur seriösen Temperaturmessung im Computerinneren wird eine möglichst dünne Folie über das offene Chassis ­gelegt, um möglichst identische Wärmeverhältnisse zum geschlossenen Gehäuse zu erreichen

04  Das Wärmebild eines in Betrieb befindlichen Motherboards, erzeugt von der Optris-Wärmebildkamera

04  Das Wärmebild eines in Betrieb befindlichen Motherboards, erzeugt von der Optris-Wärmebildkamera

Für Interessenten, die sich im Internet über PC-Hardware informieren möchten, stellt Tom’s Hardware die richtige Anlaufstelle dar. Die Autoren dieser Website testen seit mehr als zwei Jahrzehnten Grafikkarten, Motherboards, Prozessoren und andere Hardware auf Herz und Nieren. Zum Einsatz kommt dabei auch die Infrarotkamera Optris PI 640.

Tom’s Hardware wurde im Jahr 1996 in den USA von dem deutschen Mediziner Thomas Pabst gegründet. Gestartet als Hobbyprojekt, erreicht die Seite heute Leser rund um die Welt in sechs Sprachen. Sie weist mehr als 33 Mio. Pageviews pro Monat aus. Das Unternehmen hat Niederlassungen in Russland, Deutschland, Frankreich, ­Italien und England. Seit Juli 2013 gehört es zum Online-Me­diennetzwerk Purch Group.
Die Wärmeabfuhr an Chips, Bauteilen und im Computergehäuse insgesamt ist inzwischen eines der wichtigsten Probleme bei der Entwicklung und Konstruktion von PC-Hardware. So werden einerseits die Recheneinheiten auf Motherboard und Grafikkarte immer leistungsfähiger, wodurch mehr Abwärme entsteht, die abgeführt werden muss. Andererseits wächst die Packungsdichte von Transistoren und Siliziumchips in den Prozessoren, sodass die Wärme immer punktueller entsteht und zunächst einmal verteilt werden muss, um dann über Kühlkörper und Gebläse weitergeleitet zu werden.
Das thermische Design beeinflusst auch direkt die Leistung von Prozessoren, da diese heute so hoch takten, wie es die Temperatur zulässt. CPU wie GPU fahren den Takt auf einen höheren Wert, wenn nicht alle Recheneinheiten genutzt werden und die Grenztemperatur nicht erreicht ist. Bessere Kühlung heißt also mehr Leistung.
Gleichzeitig bringt dies zusätzliche Fragestellungen beim Benchmarking: Bricht die Leistung ein, weil die GPU an ihrer Leistungsgrenze ist oder wird sie wegen Überhitzung vom System gedrosselt? Die eingebauten Temperatursensoren moderner Grafikkarten helfen da nicht weiter, weil sie zum einen zu träge und zum anderen falsch positioniert sind, um mehr als eine Durchschnittstemperatur anzeigen zu können.
Und nicht zuletzt rücken inzwischen auch andere Bauelemente in den Fokus, wenn es um die Kühlung geht, beispielsweise Speicher und Spannungswandler. Aber auch einzelne Leiterbahnen und Pins können überhitzen, wenn sie für die anliegende Spannung zu gering dimen­sioniert sind.

Anforderungen an die Infrarotmesstechnik
Der Grafikkarten- und Gehäusespezialist Igor Wallossek beschäftigt sich seit neun Jahren mit Hardwaretests, seit vier Jahren arbeitet er selbstständig in seinem eigenen Labor und veröffentlicht seine Expertisen im Bereich der Temperatur- und Leistungsaufnahmemessung von Computerhardware und -Peripherie in Fachpublikationen. Darüber hinaus bietet er sein Know-how auch Herstellern an, um Produkte gezielt zu verbessern. „Man muss bei der Infrarot-Temperaturmessung sehr genau wissen, was man tut, sonst ‚misst man Mist‘“, berichtet er aus seiner Praxis. „Allein die richtige Ermittlung und Berücksichtigung der Emissions- und Transmissionskoeffizienten ist eine Wissenschaft für sich.“
Der Emissionsgrad von Metallen schwankt je nach Art und Reinheit des Metalls, zudem beeinflusst die Oberflächenbearbeitung den Emissionsgrad und nicht zuletzt ändert er sich je nach Temperatur. Die Auswertungssoftware der meisten IR-Kameras ist auf Emissionsgrade von 1,0 oder 0,95 voreingestellt, die je nach Messobjekt angepasst werden müssen.
I. Wallossek nutzt ein für solche Messungen hergestelltes Mess-Tape und einen speziellen, temperaturunempfindlichen Lack aus der Oberflächenveredelung, deren Emissionsgrad jeweils bekannt ist. Werden Bereiche der Grafikkarte damit beschichtet, lassen sich genaue Messungen durchführen. Der Experte ließ den Emissionsgrad des Lacks in dem relevanten Temperaturbereich detailliert ausmessen, um in jedem Fall mit dem richtigen Emissionsgrad arbeiten zu können.
„Die meisten Handheld-Infrarotthermometer sind völlig ungeeignet für solche Messungen“, erklärt er und begründet: „Das ist nicht nur deshalb so, weil sie meist nur fest vorgegebene Emissionsgrade haben, sondern auch, weil die gemessene Fläche einfach zu groß ist.“ Der einzelne Mess­punkt einfacher Infrarotthermometer erreicht bei typischen Messentfernungen bis zu Briefmarkengröße.

Infrarotkamera als optimale Lösung
Infrarotkameras verfügen – analog zu den Sensorchips von Digitalkameras – sozusagen über eine Matrix aus Infrarotthermometern und können mit der passenden Optik wesentlich feiner auflösen. So zeigen sich Hot- und Coldspots, die ansonsten im Mittelwert der groben Auflösungen untergehen, sehr differenziert und genau. Die Optris Infrarotkameras arbeiten auf der Basis eines Bolometers im Bereich zwischen 7,5 µm bis 13 µm. Bei diesen Bolometern wird die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands ausgenutzt, der sich bei der Absorption von Wärmestrahlung ändert und damit auch die an ihm abfallende Signalspannung.
Damit diese Werte am Ende auch als zweidimensionales Abbild umgesetzt werden können, werden viele solcher neben- und untereinander liegender Widerstände in Form einer Matrix benötigt. Diese sogenannte FPA (Focal Plane Arrays) werden für die Infrarotkameras auf der Basis von Dünnschichtbolometern hergestellt. Allerdings sollten an die Auflösung von Infrarotkameras nicht die gleichen Ansprüche gestellt werden, die man von Digitalkameras kennt: Die Optris PI 640 (Bild 1 und 2) erreicht mit 640 × 480 Pixeln im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten eine recht hohe Auflösung.
Leider ist es mit niedrig auflösenden Kameras nicht möglich, so nah an das zu messende Objekt heranzugehen, wie es sinnvoll ist, um trotzdem bestimmte Details besser erfassen zu können. Hier sind durch die jeweilige Optik physikalische Grenzen gesetzt. I. Wallossek nutzt bei seinen Messungen je nach Messobjekt, Detailgrad und Objektiv Abstände zwischen 20 cm und 150 cm.
Der Testspezialist wechselt je nach Messaufgabe zwischen vier Objektiven mit unterschiedlichen Brennweiten, um sowohl feinste Details an einer Grafikkarte als auch deren komplette Leiterplatte oder ein ganzes Gehäuse abbilden zu können. In jedem Fall ist es wichtig, die richtige Kombination aus Entfernung, Brennweite und Ausrichtung zu finden, um sinnvolle Messwerte zu erhalten.
Damit der Experte in geschlossene Computergehäuse „hineinsehen“ kann, setzt I. Wallossek eine möglichst dünne Folie (Bild 3) ein, deren Transmissionsgrad beziehungsweise Wärmedurchlässigkeit noch hoch genug ist, um plausible Messungen durchführen zu können. Derart „eingepackt“ bleibt der Luftfluss im Gehäuse unverändert und auch die Abwärme kann nicht so einfach durch eine geöffnete Seitenwand entweichen. Auf diese Weise lassen sich gesamte Systeme ausmessen.
Mit einer Rate von 32 Hz liefert die Infrarotkamera Echtzeit-Wärmebilder (Bild 4), die via USB auf ein separates System übertragen werden, sodass jede Vorschau auch als Bild oder Video aufgezeichnet werden kann. Mit einer thermischen Empfindlichkeit von 75 mK eignet sie sich speziell zur Erkennung minimaler Temperaturunterschiede, was dem Tester entgegenkommt.

In der Praxis
In einem Fall konnte I. Wallossek dank der detaillierten Wärmebilder dem Hersteller einer Grafikkarte zeigen, dass eine Reihe kleiner Widerstände viel zu heiß wurde. Diese befanden sich auf der Rückseite genau unterhalb eines recht wärmeempfindlichen Steuerungschips und heizten diesen so indirekt mit auf. Diese Hotspots hatten die Elektronikentwickler mit ihren geringer auflösenden Messmethoden nicht gefunden und sie beim Kühlkonzept für die Karte nicht berücksichtigt.
„Das ist schon ein Höhepunkt, wenn man mehr sieht als der Hersteller“, sagt I. Wallossek. „Der Fall zeigt aber auch, dass man eben wissen muss, was die eigene Messtechnik kann – und was eben nicht. Mit der Optris PI 640 bin ich jedenfalls auf der sicheren Seite. Wir sind inzwischen weltweit als Referenz für Temperaturmessungen an PC-Komponenten anerkannt und an diesem guten Ruf haben die Optris-Infrarotkameras einen großen Anteil.“ (ih)

Dipl.-Ing. Ralf Steck ist freier Fachjournalist für die Bereiche CAD/CAM, IT und Maschinenbau in Friedrichshafen. rsteck@die-textwerkstatt.de

Dipl.-Ing. Ralf Steck ist freier Fachjournalist für die Bereiche CAD/CAM, IT und Maschinenbau in Friedrichshafen. rsteck@die-textwerkstatt.de