Thermografie ist die bildgebende Darstellung von Oberflächentemperaturen auf Basis von gemessenen Wärmestrahldichten, die Spezialkameras in Infrarot- oder Wärmebilder umsetzen. Neben den Geräteparametern beeinflussen vor allem strahlungsphysikalische Eigenschaften wie der Emissionsgrad von Materialien oder der atmosphärische Strahlungsweg bei großen Entfernungen zwischen Kamera und Objekt die Messgenauigkeit. Die wesentlichen Vorteile des zerstörungsfreien Mess- und Prüfverfahrens sind:

■ Die Messung findet unter realen Betriebs- und Belastungsbedingungen statt – eine Unterbrechung der Produktion beziehungsweise Freischaltung der elektrischen Anlagen ist nicht notwendig.
■ Sicherheitsabstände zu den technischen Anlagen können eingehalten werden.
■ Schlecht erreichbare Bauteile lassen sich aus der Distanz messen.
■ Die bildgebende Darstellung erlaubt gegenüber einzelnen Temperaturmessstellen eine bessere Beurteilung von Gesamtsituationen.
■ Thermografiebilder zeigen die Differenzen zwischen ungestörtem Bauteil und Fehlerstelle.
■ Fest installierte IR-Kameras mit PC-basierter Auswertung minimieren den menschlichen Einfluss und schaffen permanente Sicherheit.

Eine der treibenden Branchen ist momentan die Solarindustrie (Photovoltaik), die mit Thermografie eine Vielzahl von Prüf- und Steuerungsaufgaben realisiert. Dabei werden nicht nur klassische, temperaturmessende Systeme für die Qualitätsüberwachung im Werk oder die Instandhaltung installierter Module genutzt, sondern auch Sonderanwendungen wie Lock-In-Prüfung oder NIR-Elektrolumineszenzprüfung (NIR: Naher Infrarotbereich). Bei der Lock-In-Prüfung triggert man die Kamerabildaufnahme mit einer variablen Anregungsquelle und gewinnt aus dem sich ergebenden Temperatur-Zeit-Verhalten über Berechnungsverfahren Informationen zur Güte der Struktur der Solarmodule und -zellen.

Die Elektrolumineszenz-Prüfung nutzt den Effekt, dass die Solarzellen bei Bestromung im NIR-Bereich leuchten. Die Gleichmäßigkeit der emittierten Strahlung ist ein Indikator für die Güte der elektrischen Verbindungen. Mit Auflichtverfahren lassen sich strukturelle Defizite von Verbindungen unterhalb der Glasschichten erkennen und somit die Produktqualität optimieren.

Punkt- und Zeilensensoren – die Spezialisten

Infrarotbild eines Mülllagerplatzes zur Erkennung von Brandgefahren.

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Neben Infrarot- oder Wärmebildkameras sind so genannte Line-Scanner (Zeilensensoren) und Pyrometer (Einzelpunkt-Sensoren) typische Thermografie-Sensoren. Diese haben im Vergleich zu IR-Kameras Vorteile hinsichtlich Baugröße, Eingrenzung des Messbereichs auf bestimmte Wellenlängen, Dynamik der IR-Temperaturmessung, integrierbare Schnittstellen zum Automatisierungssystem sowie dem Preis. Typische Einsatzbeispiele für diese Gerätekategorie sind die Echtzeit-Temperaturmessung an Blechen und Stählen, die Überwachung von Drehrohröfen, die Bestimmung von Teigtemperaturen oder Temperaturmessungen an Fertigungsstraßen für Dünnschicht-Solarmodule.

Das „Kleingedruckte“ beachten

Einen wesentlichen Einfluss auf dieQualität der Messungen haben Parameter wie die thermische und geometrische Auflösung (Kombination aus Sensorelement und Optik). Bei dynamischen Messungen gilt es, auch die Detektor-Zeitkonstante nicht zu vernachlässigen. Vor allem mo­bile IR-Kameras unter 5000 Euro zeigen bei diesen wichtigen Parametern teilweise deutliche Schwächen. Vielen Dienstleistern und Auftraggebern für thermo­grafische Messungen beziehungsweise für stationäre thermografische Überwachungssysteme sind die Unterschiede in der Gerätetechnik und die daraus resultierenden Einflüsse auf das Mess-Ergebnis oft nicht bewusst. Bereits beim wichtigen Parameter „geometrische Auflösung“ – der kleinste messbare Punkt, auch IFOV (Instantaneous Field of View) genannt, zeigt sich, dass viele Hersteller diesen wichtigen Aspekt bei einfachen Kameras nicht spezifizieren. Gerade dieser Parameter macht aber oft den Unterschied zwischen Temperatur „messen“ und Temperatur „visualisieren“ aus.

Wenn ein Fehler anhand der gemessenen Temperaturen klassifiziert wird, besteht die Gefahr, dass bei unzureichender Kameratechnik die Temperatur einer defekten Stelle als deutlich zu niedrig gemessen wird und der Fehler daher in eine falsche Fehlerklasse einsortiert wird. Eventuell dringend notwendige Reparaturen würden unterbleiben und das Ausfallrisiko drastisch steigen, da Fehlmessungen von 50 °C oder mehr durchaus vorkommen können. Aus diesem Grund schreiben Organisationen wie VdS (früher: Verband der Schadenversicherer, heute: Vertrauen durch Sicherheit) oder der VATh (Bundesverband für angewandte Thermografie) entsprechende Kamera-Spezifikationen als Grundbedingung für eine seriöse Messung vor. Typische Applikationen für hochauflösende IR-Kameras sind die VdS-anerkannte Elektrothermografie und die Hotspot-Analyse von feuerfesten Isolierungen sowie die Thermografie von Hochspannungsanlagen.

Für die Qualität des Mess-Ergebnisses von fest installierten IR-Kameras lassen sich die genannten Faktoren noch feiner spezifizieren. Hier ist ein wesentlicher Aspekt der Abgleich zwischen der Prozessgeschwindigkeit mit der möglichen Aufnahmegeschwindigkeit der IR-Kamera. Wenn Schweißprozesse im Millisekundenbereich erfolgen, muss die IR-Kamera diesem Prozess im gleichen oder feineren Zeitraster folgen. Nur dann kann auch der Anfangs-Peak und dessen Maximaltemperatur erfasst werden. Gelingt es nicht, das starre Zeitraster einer vergleichsweise günstigen Langwellen-Mikrobolometer-Kamera mit dem Prozesstakt zu synchronisieren, muss gegebenenfalls auf eine besser zu triggernde und deutlich schneller messende gekühlte Kamera zurückgegriffen werden. Diese liefert Bildraten bis in den Mikrosekundenbereich, liegt preislich aber etwa um den Faktor 3 bis 8 höher als die erste Variante.

Infrarot-Kameras in der Inspektion

In den Leitstand eines Stahlwerkes integrierte Lösung zur IR-Schlackendetektion.

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Zu den am häufigsten durchgeführten manuellen thermografischen Inspektionen zählen Elektrothermografie nach VdS-Standard (Richtlinie 2858), die Prüfung technischer Isolierungen, die Überwachung von Feuerfest-Isolierungen, die Prüfung von installierten Photovoltaik-Anlagen und die Detektion von Gasleckagen mit speziellen IR-Kameras.

Für die von Versicherungen anerkannte thermografische Inspektion elektrischer Schaltanlagen hat VdS in der Richtlinie 2859 verschiedene personelle und gerätetechnische Anforderungen definiert. Sie stellen sicher, dass nur geschultes Prüfpersonal mit geeigneter IR-Technik und dem notwendigen Fachwissen diese Prüfungen durchführt. Durch die direkte Erkennung von atypischen Temperaturen an Bauteilen und Verbindungen kann der zertifizierte Thermografie-Sachverständige sehr gut unterscheiden, ob Klemm-/Schraubverbindungen defekt sind, eine Überlastung von einzelnen Phasen (L1-L3) oder eine Fehldimensionierung von Bauteilen vorliegt. Dabei wird zwischen betriebsbedingten Erwärmungen und Übertemperaturen infolge lokal erhöhter Übergangswiderstände unterschieden. Im Prüfbericht werden Handlungsanleitungen zur Behebung der Fehler gegeben. Geeignete Prüf-Intervalle stellen sicher, dass beginnende Fehler rechtzeitig erkannt werden.

Mit der patentierten GasFindIR-Technologie lassen sich effizient und schnell Leckagen von Gasen und flüchtigen Kohlenwasserstoffen an Rohrleitungen, Pumpen oder Behältern erkennen. Je nach Wellenlänge der eingesetzten Kamera können dies unter anderem Methan, Ethanol, Benzol, SF6, Ammoniak oder CO sein. Aufgrund des sehr hohen Gerätepreises bietet sich für viele Betreiber die Beauftragung eines entsprechend ausgestatteten Dienstleisters an. Bei der Analyse technischer Isolierungen gilt es zwischen einer aktuellen, einmaligen Zustandsanalyse und regelmäßigen Trendanalysen zu unterscheiden. Typische Situationen für den ersten Fall sind Abnahmemessungen nach der Inbetriebnahme eines Kraftwerkes oder einer Anlage. Bei Anlagen mit einer Feuerfest-Isolierung entstehen Probleme in der Regel über eine län­gere Zeitspanne. Hier sind Schäden nur durch wiederkehrende Messungen rechtzeitig zu erkennen. Im Rahmen einer zustandsorientierten Instandhaltung lassen sich dann anbahnende Durchbrüche an Öfen und Verbrennungs­anlagen rechtzeitig erkennen und die Befahrungsintervalle der Öfen in Abhängigkeit vom Zustand ausdehnen. Durch den Thermografen ist eine an­gepasste Prüfvorschrift auszuarbeiten, die eine Vergleichbarkeit der einzelnen Messungen und die Ableitung von Trend­informationen gewährleistet.

Thermografie als Prozesssensorik

Überprüfung des Wärmedesigns und der Produktqualität einer CPU-Baugruppe.

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Wenn sich die typischen Fehler im Bereich von Tagen, Stunden oder noch kürzeren Intervallen aufbauen, sind proaktive Fehlererkennungen durch Hand gehaltene Thermografie nicht mehr sinnvoll oder für die Sicherheitsanforderungen unzureichend. Dann ist eine fest installierte Sensorik notwendig. Weitere Einsatzkriterien sind schlecht erreichbare oder für den Menschen gefährliche Messstellen oder die Notwendigkeit, thermografisch basierte Informationen in ein Überwachungs- oder Prozesssteuerungssystem zu integrieren.

Oft dient die gemessene Temperatur eines Objekts auch als Prozesswert für Regelungen, so dass sie permanent mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst werden müssen. Bei dieser automatisierten Messung sind weitere Randbedingungen zu beachten:

■ Lassen sich Prozess- und/oder Anlagenzustände mit Infrarotthermografie (das heißt über Temperatur- oder Wärmestrahlungsunterschiede) erfassen?
■ Liegen die zustandsbedingten Signal­änderungen außerhalb der Schwankungen des Detektors, der normalen Produktschwankungsgrößen oder der Regelcharakteristik des Prozesses?
■ Wie groß ist die Änderungsgeschwindigkeit der IR-Größen?
■ Welche Störeinflüsse liegen vor: Strahlung, Luftströmung, unterschiedliche Materialien?
■ Ist es möglich, das Fehlerkriterium softwaretechnisch zu beschreiben?
■ Ist die Kamera vor dem Prozess zu schützen (Schutzgehäuse, Kühlung)?
■ Muss der Prozess vor der Messstelle geschützt werden (vakuumdichte Schutzscheiben, Spülgas des Kameraschutzgehäuses)?
■ Welche Schnittstellen sind notwendig?
■ Kann der Betreiber kritische Zustände simulieren, um die Funktion des Systems zu testen und die Auslösezeitpunkte (Triggerung) zu optimieren?

In Stahlwerken hat sich die infrarote Detektion des Schlackenmitlaufs beim Stahlabstich durchgesetzt. Als neue Applikation etabliert sich gerade die Hotspot-Detektion an Pfannen für den Transport von Flüssigstahl, wo typischerweise IR-Kameras im langwelligen Strahlungsbereich zum Einsatz kommen. Je nach Bewegungs-Charakteristik der Pfannen (ruhend, in Bewegung am Kran) werden unterschiedliche IR-Kameras eingesetzt. Für die Echtzeit-Analyse vorbeifahrender Pfannen ist ein Bildverarbeitungssystem mit Anbindung der IR-Kameras über GigE notwendig. Eine sinnvolle Anordnung besteht in der Regel aus vier oder fünf IR-Kameras im Schutzgehäuse. Eine Kamera muss dabei schräg von unten auf den Pfannenboden schauen, um diesen kritischen Bereich mit abzudecken. Die Kommunikation mit dem Leitsystem erfolgt in der Regel über Ethernet und direktes Schreiben der Trenddaten in ein Datenbanksystem. Wichtig ist, dass das System die jeweiligen Pfannen identifizieren kann, um die Trenddaten entsprechend zuzuordnen.

Ähnliche Anforderungen bei der Früherkennung von Bränden

Die Überwachung von Lagerplätzen und Transportprozessen zur Früherkennung von entstehenden Bränden stellt ähnliche Anforderungen. Eine leichte Trendanalyse wird hierbei nur zur Kompensation des witterungsbedingten Außentemperaturganges genutzt. Typischerweise kommt es darauf an, anhand definierter, aber witterungsflexibler Kriterien eine Vorwarnung und später einen Alarm auszulösen. Störquellen und permanente Wärmequellen wie Förderantriebe und Beleuchtung müssen zuverlässig ausgeblendet werden, um Fehlalarmierungen zu vermeiden. Die Kommunikation mit den hierfür geeigneten IR-Kameras kann mittels SPS erfolgen, welche die Daten für die jeweiligen Überwachungsflächen ausliest und an das Leitsystem weitergibt.

Eine in der chemischen und petrochemischen Industrie häufig auftretende Aufgabe ist die Überwachung von Fackeln – auch unter widrigen Bedingungen. Dabei nutzt man die unterschiedliche Durchdringung der Messstrecke vom Installationspunkt der Kamera bis zur Fackel aus. Bedingt durch die Wärme-Emission einer mit unterschiedlicher Intensität brennenden Fackel lassen sich verschiedene Betriebszustände charakterisieren. Da sich die von der Fackel emittierte Infrarotstrahlung aus verschiedenen Konzentrations- und Temperaturschichten ergibt, ist eine exakte Messung von Fackeltemperaturen physikalisch unmöglich. Man kann sich jedoch durch Anpassung an definierte Betriebsbedingungen an den aktuell wahren Wert „herantasten“. Bei geänderten Betriebsbedingungen kann dieser Wert aber schon wieder falsch sein. Demzufolge lassen sich aus unkorrekten Temperaturwerten auch keine exakten Wärmestrahlungswerte berechnen. Ziele der Fackelüberwachung sind unter anderem die Erkennung von Betriebszuständen, die Bewertung der Wirkung von Dampfzugaben oder die Warnung vor zu intensiver Wärmestrahlung.

Autor: Frank Zahorszki ist Geschäftsführer der Firma itema in Merseburg