Geschwindigkeit zählt

Problematiken bei High-Speed-Wärmebildaufnahmen

Wärmebildkameras erfassen Tausende von Punkte einer thermischen Hochgeschwindigkeitsmessung und zeigen exakt auf, wo und wie schnell Wärme auftritt. Im Allgemeinen werden heutzutage zwei Arten von IR-Kameras verwendet: hochleistungsfähige, gekühlte Photonenkameras und kostengünstige, ungekühlte Mikrobolometer-Kameras. Die Mehrzahl, der auf dem Markt erhältlichen Wärmebildkameras, verwendet zudem einen Detektor aus Indium-Antimonid (InSb).
Gekühlte Kameras zählen die Energiephotonen in einem bestimmten Wellenbereich (üblicherweise im mittelwelligen Infrarotbereich bei rund 3 bis 5µm). Die Photonen treffen auf die Bildelemente und werden in Elektronen umgewandelt, die in einem Integrationskondensator gespeichert werden. Das Bildelement wird durch Öffnen oder Kurzschließen des Integrationskondensators elektronisch verschlossen. Bei einer InSb-Kamera von Flir liegt die typische Integrationszeit für Objekte mit -20 bis 350°C je nach Modell zwischen 6ms und 50µs. Diese relativ kurze Integrationszeit gestattet Stop-Motion-Aufnahmen und ermöglicht die präzise Messung extrem schneller Transienten. Ungekühlte Kameras sind dagegen preiswerter, kleiner und leichter und haben eine geringere Leistungsaufnahme. Die Bildelemente bestehen aus einem Material, dessen Widerstand je nach Temperatur erheblich variiert. Die gebräuchlichsten Materialien für derartige Anwendungen sind Vanadiumoxid oder amorphes Silikon. Die thermische Energie wird auf das Bildelement fokussiert, das sich infolgedessen physikalisch erwärmt oder abkühlt. Da der Widerstand des Bildelements je nach Temperatur variiert, lässt sich sein Wert messen und über einen Kalibrierungsvorgang ein Zieltemperaturmuster abbilden. Zudem haben die Bildpunkte eine begrenzte Masse und damit eine thermische Zeitkonstante. Die Zeitkonstanten moderner Mikrobolometer-Kameras liegen in der Regel zwischen 8 und 12ms, d.h. aber nicht, dass sich ein Bildelement alle 8 bis 12ms auslesen lässt und eine präzise Aussage liefert. Bei einem hochwertigen System dauert es nach einer Schritteingabe erfahrungsgemäß fünf Zeitkonstanten, bis ein stabiler Zustand erreicht ist.

Grenzen von Mikrobolometern

Um sich eine Vorstellung von der Reaktionszeit eines Mikrobolometer-Detektors zu machen, stellen wir uns zwei Eimer mit Wasser vor. In dem einen Eimer ist Eiswasser mit 0°C und im anderen kochendes Wasser mit 100°C. Nun richten wir das Mikrobolometer auf das Eiswasser und dann sofort auf das kochende Wasser (eine 100°C-Schritteingabe) und erfassen die resultierende Temperatur. Wenn wir die thermische Zeitkonstante von 10ms in eine Halbzeit umwandeln, um die Berechnung zu vereinfachen, kommen wir auf rund 7ms. Hier sieht man, dass das Mikrobolometer 50°C bei 7ms oder eine Halbzeit, 75°C bei zwei Halbzeiten, 87,5°C bei drei Halbzeiten usw. anzeigt. Was würde passieren, wenn man versucht, dieses Mikrobolometer bei entsprechend 100fps oder 10ms abzulesen? Die Kamera würde 63°C zurückmelden und einen Fehler von 37°C. Sie würde exakt die Temperatur des Bildelements anzeigen, wobei das Bildelement jedoch nicht die Temperatur der betrachteten Szene erreicht hätte. Grundsätzlich ist es daher nicht sinnvoll, Mikrobolometer mit mehr als etwa 30fps zu betreiben.

Realistische Daten

Werfen wir einen Blick auf ein Druckverfahren, das erforderlich ist, um einen Bogen Papier auf bis zu 60°C zu erwärmen. Das Papier verlässt die Walzen mit etwa 130cm/s und muss in Breite und Länge eine einheitliche Temperatur aufweisen. Die angezeigten Daten wurden mit einer gekühlten Photonenkamera und einer Mikrobolometer-Kamera erfasst. Wie Bild 2 zeigt, weichen die Daten der beiden Kameras erheblich voneinander ab. Die Daten der Mikrobolometer-Kamera zeigen eine große, relativ konstante Delle im Temperaturverlauf. Die Daten der Photonenkamera zeigen deutliche Schwankungen im Temperaturverlauf. Wie die gekühlte Kamera andeutet, hat sich die Heizwalzeneinheit durch den Kontakt mit dem Papier während der ersten Umdrehung abgekühlt. Der On/Off-Controller hat den Temperaturabfall erfasst und als Reaktion darauf die Heizsteuerung wieder vollständig aktiviert. Daraufhin hat sich die Walze bis zum Sollwert wieder aufgeheizt und dann abgeschaltet, und der Vorgang wurde wiederholt. Diese eine Kurve hat gereicht, um den Forschungs- und Entwicklungsingenieur von zwei Sachen zu überzeugen: Zum Testen des Produkts wird eine photonenzählende Kamera benötigt, und an Stelle des einfachen On/Off-Controllers muss die Heizwalze mit einem PID-Steuerungssystem versehen werden, falls die gewünschten Konstruktionsziele erreicht werden sollen. Im zweiten Beispiel betrachten wir die Schaufeln eines sich schnell drehenden Lüfterrads und versuchen, mithilfe einer Stop-Motion-Aufnahme deren Temperatur exakt zu messen. Erwartungsgemäß wäre das Bild bei zu kurzen Belichtungszeiten unscharf und man könnte keine Stop-Motion-Aufnahme machen, um zuverlässige Temperaturmesswerte zu erhalten (Bild 1). Bemerkenswert ist, wie durch die kurze Integrationszeit der gekühlten Kamera die Schaufelbewegung eingefangen und dadurch sowohl eine präzise Messung der Schaufeloberfläche als auch der Heizspiralen möglich wurde. Bei der ungekühlten Kamera bewegen sich die Schaufeln dagegen zu schnell, um erfasst zu werden. Damit würden Temperaturmessungen bei diesen Spulen zu niedrig ausfallen, weil sie von den sich drehenden Schaufeln abgeblockt werden.

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