InfraTec-Kameras überzeugen in zahlreichen Anwendungsgebieten

Thermische Optimierung im Mikrometer-Bereich

Überprüfung elektronischer Bauelemente mittels Thermografie

Steigende Leistungsvorgaben für elektronische Bauelemente führen dazu, dass auf immer kleineren Flächen enorme Anforderungen an das Wärmemanagement gestellt werden. Das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) unterstützt Unternehmen als Entwicklungspartner, diesen wachsenden Anforderungen optimal gerecht zu werden.

Bei der Analyse von elektronischen Komponenten muss das ISIT kleinste Temperaturunterschiede detektieren. Die Thermografiekameras der High-End-Kameraserie ImageIR ® unterscheiden schon Differenzen von 15  mK präzise und machen thermische Probleme bereits in deren Anfangsstadium sicher sichtbar. Entwicklungsfehler können somit frühzeitig vermieden werden. Die Kameras sind in verschiedenen Detektorformaten mit bis zu (1.024 x 1.280) IR-Pixeln verfügbar. Sie lösen bei einem Detektorpitch von 15 µm zusammen mit den unterschiedlichen, lichtstarken Mikroskopobjektiven kleinste Strukturen –herab bis zu einer Größe von 2 µm – auf.

Bei seinen Temperaturmessungen profitiert das ISIT von der Präzisionskalibrierung der ImageIR ® mit mehreren Nebenkennlinien. Die darauf beruhende exakte Driftkompensation der Thermografiekamera sorgt für höchste Messgenauigkeit selbst bei schwankenden Messbedingungen. Wie bei allen thermografischen Untersuchungen elektronischer Komponenten und Schaltkreise werden die Messwerte jedoch von den unterschiedlichen Emissionseigenschaften der einzelnen Bauteilmaterialien beeinflusst.

Mit der direkt in die Steuer- und Analysesoftware IRBIS ® 3 integrierten automatischen pixelweisen Emissionsgradkorrektur bietet InfraTec eine sehr effiziente Lösung für dieses Messproblem an. Sie ermöglicht es dem Anwender, deutlich präzisere Aussagen zu Temperaturverteilungen
und -entwicklungen über der Zeit zu gewinnen. 

Thermografie zur Optimierung von installierten Windkraftanlagen

Thermografie zur Optimierung von installierten Windkraftanlagen; © visdia/Fotolia.com

Die zunehmende Verknappung von geeigneten Standorten für Windkraftanlagen(WKA) und der gesellschaftliche Druck auf die ungezügelte Subventionierung der Errichtung erneuerbarer Ernergiequellen haben in jüngster Vergangenheit Aktivitäten ausgelöst, die eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Rotorblätter von WKA zum Ziel haben.

Ein möglichst hoher Wirkungsgrad ist von großem Interesse, denn er hat unmittelbaren Einfluss auf den erzielbaren Energieertrag einer WKA und damit auf den Gewinn des Betreibers. Natürlich sind die Rotorblätter moderner WKA als Resultat teilweise jahrzehntelanger Aerodynamik-Forschung in ihrem Wirkungsgrad bereits stark optimiert: Ihre Profile sind auf Superrechnern designed und in Windkanälen optimiert. In der Fertigung werden Technologien angewandt, die aus dem Hochleistungs-Flugzeugbau entlehnt sind. Ziel dieser Maßnahmen ist ein möglichst großer und kontrollierter Anteil laminarer Strömung an den Grenzflächen zwischen Rotorblatt und anströmendem Wind. Turbulente Strömung hingegen führt zu einer Verringerung des Wirkungsgrades und muss auf das unumgängliche Maß reduziert werden.

Thermografie des Rotorblattes

Im praktischen Betrieb von WKA gibt es jedoch eine ganze Reihe von Einflussfaktoren, die den Wirkungsgrad negativ beeinflussen: Das beginnt bei der Ausrichtung der Blätter und führt über Verschmutzungen der Blattvorderkante, Blattoberflächenerosionen und Blattschäden bis hin zu Fehlern an aerodynamischen Hilfsmitteln, wie Grenzschichtzäunen, Vortex-Generatoren und Zig-zag-Band-Turbulatoren.

Seit vielen Jahren wird die Thermografie bei aerodynamischen Optimierungen zur Untersuchung des Grenzschichtverhaltens an Tragflügeln verwendet. Dabei macht man sich die Tatsache zunutze, dass der Wärmeübergangswiderstand der Grenzschicht bei turbulenter Strömung deutlich niedriger ist, als bei laminarer Strömung. Ist nun z. B. die umströmende Luft kälter als der Tragflügel, wird sich ein thermisches Muster auf dem Tragflügel ausbilden, das den Zustand der Strömung anzeigt: Turbulent umströmte Bereiche sind kälter als laminar umströmte. Wenn man dieses thermische Muster mit einer Thermografiekamera aufnimmt, hat man eine elegante Möglichkeit, den Grenzschichtzustand in Echtzeit zu visualisieren.

Die Verwendung von thermisch hochempfindlichen High-Speed-Thermografiekameras und lichtstarken Teleobjektiven ermöglicht die Visualisierung des Grenzschichtzustandes an den Rotoren von laufenden WKA im MW-Bereich. Aus mehreren hundert Metern Entfernung gewonnene qualitative Informationen über die Strömungsverhältnisse an den Rotorblättern gestatten einen raschen Vergleich zwischen den verschiedenen Betriebszuständen und Konditionen. 

Beim Einsatz der gekühlten High-Speed Kamera ImageIR ® 8300 mit Focal-Plane-Array-Photonendetektor im Format (640 x 512) IR-Pixel und einer thermischen Auflösung von unter 20 mK können in Kombination mit dem Teleobjektiv 200 mm hochauflösende Wärmebilder von laufenden Rotorblättern erfasst werden. Dank extrem kurzer Integrationszeiten sind auch bei Blattgeschwindigkeiten von 75 m/s nur geringe Bewegungsunschärfen zu verzeichnen.

Mit freundlicher Unterstützung von:
C. Dollinger, N. Balaresque, M. Sorg: Thermographic Boundary Layer Visualisation of Wind Turbine Rotorblades in Operation.
EWEA 2014, Bacelona, Spain: Europe’s Premier Wind Energy Event. EWEA The European Wind Energy Association, Barcelona, 2014.

Thermografie an Windkraftwerken
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