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Das Geheimnis eines guten Wärmebilds

01 Aussagekräftige Wärmebilder ermöglichen eine sichere Fehlersuche in elektrischen Anlagen

01 Aussagekräftige Wärmebilder ermöglichen eine sichere Fehlersuche in elektrischen Anlagen

02 Fokussiertes Wärmebild (links) mit Maximaltemperatur _T_<sub>max</sub> = 89,7 °C und nicht fokussiertes Wärmebild (rechts) mit Maximaltemperatur _T_<sub>max</sub> = 73,7 °C

02 Fokussiertes Wärmebild (links) mit Maximaltemperatur Tmax = 89,7 °C und nicht fokussiertes Wärmebild (rechts) mit Maximaltemperatur Tmax = 73,7 °C

03 Wärmebild im automatischen Modus (links) und im manuellen Modus (rechts). Das angepasste Temperaturintervall erhöht den Kontrast im Bild und lässt die Fehlstelle deutlich werden

03 Wärmebild im automatischen Modus (links) und im manuellen Modus (rechts). Das angepasste Temperaturintervall erhöht den Kontrast im Bild und lässt die Fehlstelle deutlich werden

04 Graustufen-, Eisen- und Regenbogenpalette

04 Graustufen-, Eisen- und Regenbogenpalette

Wärmebildkameras haben sich in den letzten Jahren in vielen beruflichen Umfeldern verbreitet. Ihre Handhabung ist einfach, ein Wärmebild ist schnell gemacht. Dieses wird dann ebenso schnell einem Untersuchungsbericht, zum Beispiel über die Untersuchung einer elektrischen Anlage (Bild 1), als Nachweis der durchgeführten Arbeit oder gefundener Fehler beigefügt. Gerne wird dabei vergessen, dass ein Bild, das als Nachweis oder gar Beweis, etwa vor Gericht, dienen soll, bestimmten Anforderungen standhalten muss. Mit einem schnellen Schnappschuss ist es nicht getan – doch was macht ein gutes Wärmebild aus?

Während der praktischen Übungen in Thermografieschulungen ist immer wieder festzustellen, dass es manchen Teilnehmer schwerfällt, die Kamera optimal für die jeweilige Aufgabe einzustellen. Nicht jeder hat einen Hintergrund als Hobbyfotograf und um ein gutes und aussagekräftiges Wärmebild aufzunehmen, sind sowohl Hintergrundwissen als auch dessen praktische Anwendung wichtig. Somit ist es nicht verwunderlich, dass immer wieder Berichte mit Wärmebildern produziert werden, die jeder Aussage entbehren oder gar falsche Rückschlüsse untermauern. Erschreckenderweise finden sich solche Berichte nicht nur in kleinen Firmen, in denen die Thermografie nur eine begleitende „Nice-to-have“-Funktion erfüllt, sondern auch in großen Betrieben, bei denen diese Berichte Bestandteil zum Beispiel der Prozesskontrolle oder des Unterhaltsprogramms sind.
Parallelen zwischen Fotografie und Thermografie
Einer befreundeten Profi-Fotografin habe ich die Frage gestellt, was ihrer Ansicht nach ein gutes Bild kennzeichnet. Sie nannte daraufhin drei Punkte als die Wichtigsten:

  • Es muss etwas anrühren, das heißt, es muss ungewöhnlich, auffällig oder besonders sein, das Interesse und je nach Genre auch Gefühle wecken.
  • Die Komposition und das Gleichgewicht müssen stimmen, Bildausschnitt und -inhalt müssen ästhetisch zusammenpassen.
  • Die Belichtung muss interessant sein, entweder ein Gegenlicht oder schattenwerfendes Seitenlicht, Abendlicht oder angenehm ausgeleuchtet – einfach passend zur Gesamtaussage.

Inwieweit gelten diese Aussagen nun für die Thermografie? Das Motiv soll auch beim Thermografieren interessant sein, oder etwas umformuliert – wir haben Interesse an einem Objekt oder dessen Zustand, welcher abgebildet werden soll. Emotionen sind eher nicht gefragt – im Wärmebild stehen Fakten im Vordergrund, sofern es sich nicht um Kunstprojekte handelt. Im Arbeitsalltag geht es um die deutliche Darstellung von Wärmemustern und die Möglichkeit der Temperaturmessung.
Auch das Thermogramm muss einen geeigneten Bildausschnitt aufweisen und das Objekt in geeignete Größe und Position abbilden.
Ohne Belichtung ist visuelles Sehen und auch das Fotografieren nicht möglich, da hierbei Reflexionen wahrgenommen werden. In der Thermografie nimmt die Kamera sowohl emittierte als auch reflektierte Strahlung auf. Somit ist das Verhältnis und die Intensität sowohl der vom Objekt abgegebenen und als auch der aus der Umgebung stammenden Infrarotstrahlung wichtig. Helligkeit und Kontrast im Bild werden durch Anpassen des gezeigten Temperaturintervalls angepasst.
Wie in der Fotografie gibt es auch in der Thermografie zahlreiche Möglichkeiten ein aufgenommenes Bild nachzubearbeiten, sofern es als radiometrisches Bild gespeichert wurde. Doch nicht alle Einstellungen sind veränderbar und somit sind auch nicht alle Aufnahmefehler reparabel.

Grundlagen für ein gutes Bild: Fokus
Ein professionelles Wärmebild ist immer fokussiert und scharf. Das Objekt und das Wärmemuster müssen klar und deutlich zu erkennen sein. Ein unscharfes Wärmebild wirkt nicht nur unprofessionell und erschwert die Identifizierung des Objekts und der Fehlerstelle, es verursacht zudem Messfehler, die umso gravierender sind, je kleiner das Messobjekt ist (Bild 2). Auch wenn alle anderen Parameter richtig eingestellt sind, werden die Messwerte eines nicht fokussierten Wärmebilds mit hoher Wahrscheinlichkeit falsch sein.
Selbstverständlich spielt auch die Größe der Detektormatrix bei der Bildqualität eine Rolle. Bilder von Kameras mit kleineren Detektoren, das heißt, mit weniger Pixeln, sind unschärfer oder „grober“ und es entsteht leicht der Eindruck, sie seien nicht fokussiert. Dabei ist auch zu beachten, dass nicht jede Kamera fokussiert werden kann, und in diesem Falle der Abstand vom Objekt die einzige Fokussiermöglichkeit darstellt.

Grundlagen für ein gutes Bild: Temperaturmessbereich
Bei handgehaltenen ungekühlten Mikrobolometerkameras ist die „Belichtungszeit“ durch die Bildwiederholfrequenz sozusagen voreingestellt. Somit kann nicht frei gewählt werden, wie lange, und damit wie viel Strahlung auf den Kameradetektor fällt. Deshalb muss ein passender Temperaturmessbereich gewählt werden, der der einfallenden Strahlungsmenge entspricht. Bei Auswahl eines zu niedrigen Temperaturmessbereichs wird das Bild übersättigt, da Objekte höherer Temperatur mehr Infrarotstrahlung abstrahlen als kältere Objekte. Wird ein zu hoher Temperaturmessbereich gewählt, ist das Wärmebild sozusagen „unterbelichtet“ und wird undeutlich.
Für eine Aufnahme bzw. Temperaturmessung sollte daher der niedrigste mögliche in der Kamera verfügbare Temperaturmessbereich gewählt werden. Gleichzeitig muss dieser die höchsten Temperaturen im Bild abdecken (Bild 3).

Grundlagen für ein gutes Bild: Bildausschnitt und Abstand zum Objekt
Der Ausleuchtung in der Fotografie entspricht das Zusammenspiel von Objektstrahlung und reflektierter Umgebungsstrahlung, wobei letztere stört und zumindest Punktreflexionen vermieden werden sollten. Dies geschieht durch Aufsuchen einer geeigneten Aufnahmeposition. Sie sollte auch so gewählt sein, dass auf dem Bild das Objekt von Interesse zu sehen ist und nicht verdeckt wird. Dies mag selbstverständlich erscheinen, doch vor allem im Gebäudebereich sind in vielen Berichten Bilder zu sehen, in denen die zu untersuchenden Leitungen oder Fenster von Sofas, Zimmerpflanzen oder Gardinen verdeckt sind.
Wichtig ist auch, dass das zu untersuchende Objekt, bzw. dessen interessante Bereiche das Wärmebild ausfüllen. Dies gilt vor allem bei der Temperaturmessung von kleinen Objekten. Der Messfleck muss vom Objekt vollständig ausgefüllt sein, um korrekte Temperaturmessung zu ermöglichen. Da das Bildfeld und damit die Messfleckgröße durch die Entfernung zum Objekt und die Optik definiert sind, muss in diesen Fällen der Abstand zum Objekt verringert werden oder ein Teleobjektiv gewählt werden.

Bildoptimierung und Temperaturmessung: Level und Span
Nach Wahl des geeigneten Messbereichs erfolgt die Feinjustierung von Kontrast und Helligkeit im Wärmebild durch das Anpassen des angezeigten Temperaturintervalls. Im manuellen Modus können die in der Palette verfügbaren Falschfarben gezielt auf die Temperaturen des Objekts von Interesse verteilt werden. Im automatischen Modus wählt die Kamera dagegen die kälteste und wärmste scheinbare Temperatur im Bild als untere und obere Grenze des momentan angezeigten Temperaturintervalls.
Eine gute, das heißt, problemspezifische Skalierung des Wärmebilds ist ein wesentlicher Schritt bei der Interpretation des Bilds und wird leider häufig unterschätzt.

Bildoptimierung und Temperaturmessung: Paletten und Isotherme
Paletten stellen Intervalle mit jeweils gleichen scheinbaren Temperaturen in unterschiedlichen Farben dar. Sie übersetzen also eine bestimmte Strahlungsintensität in eine spezifische Farbe. Häufig verwendete Paletten sind die Grau-, Eisen- und Regenbogenpalette (Bild 4). Grautöne sind besonders geeignet, um kleine geometrische Details aufzulösen aber weniger gut für die Anzeige kleiner Temperaturunterschiede. Die Eisenpalette ist sehr intuitiv und damit auch für Laien leicht zu verstehen. Sie bietet eine gute Balance zwischen geometrischer und thermischer Auflösung. Die Regenbogenpalette ist bunter und wechselt zwischen dunklen und hellen Farben. Dadurch ergibt sich ein starker Kontrast, welcher bei Objekten mit unterschiedlichen Oberflächen oder vielen unterschiedlicher Temperaturen zu einem sehr unruhigen Bild führen kann.

Bildoptimierung und Temperaturmessung: Nachbearbeitung
Nicht nur das Wärmebild und seine visuelle Darstellung können bei radiometrisch gespeicherten Bildern nachbearbeitet werden. Es ist auch möglich, die Einstellungen zu ändern, die relevant für die Berechnung der Temperaturen sind. Für die Praxis heißt das, dass zum Beispiel der Emissionsgrad und die reflektierte scheinbare Temperatur im Nachhinein geändert werden können. Sollte man feststellen, dass diese Parameter falsch eingestellt waren oder möchte man später weitere Messpunkte auf anderen Oberflächen hinzufügen, so werden die Temperturmesswerte im Bild den Änderungen entsprechend neu und richtig berechnet.
Das Bearbeiten des Wärmebilds ist am Einfachsten am gespeicherten oder „eingefrorenen“ Bild. Da nicht alles direkt vor Ort gemacht werden muss, können Gefahrenbereiche direkt nach der Aufnahme schnell verlassen werden. Anwender sollten wenn möglich lieber einige Bilder mehr aufnehmen als eines zu wenig – auch aus unterschiedlichen Richtungen. So lässt sich später bei der Auswertung in Ruhe das Beste aussuchen.

Fazit
Um ein gutes Wärmebild aufzunehmen, bedarf es keiner Zaubertricks. Solides Handwerk und sauber ausgeführte Arbeit reichen aus. Viele der erwähnten Punkte mögen trivial klingen und – vor allem Hobbyfotografen – schon lange bekannt sein. Selbstverständlich spielt die Ausrüstung eine gewisse Rolle. Mit besseren, sprich hochauflösenden, Kameras können auch kleine Abweichungen schnell lokalisiert werden und ohne Fokussierungsmöglichkeit ist es schwieriger ein scharfes Bild aufzunehmen. Dennoch sind hochwertige Kameras keine Garantie für gute Bilder, wenn schlecht gearbeitet wird. Die Grundlage für gutes und professionelles Arbeiten sind Ausbildung und Training im Bereich Thermografie, Austausch mit anderen Thermografen und natürlich die eigene praktische Erfahrung. (mh)