Spektrale Infrarot-Thermografie
Spektrale IR-Thermografie erlaubt materialspezifische Präzisionsmessung
Konzentration der Messung auf hoch emissive oder transmissive Strahlungsbereiche
Thermografie auf und durch Glas sowie Temperaturmessungen durch Gase sowie Flammen mittels Spektralfilter
Detektion von verschiedenen Gasen
Erfassung von Temperaturen bzw. Charakterisierung großflächiger Flammen
Detektornahe Filter verhindern Warmblendeneffekte
Die spektrale IR-Thermografie ist eine Verfeinerung der klassischen Wärmebildtechnik: Die eingesetzte Kamera wird dabei gezielt an die spezifischen Eigenschaften des jeweiligen Messobjekts angepasst. Die Detektion konzentriert sich auf jene Infrarot-Wellenlängenbereiche, in denen Materialien IR-Strahlung besonders gut emittieren oder transmittieren. Dadurch lassen sich Messaufgaben lösen, bei denen klassische Verfahren an Grenzen stoßen – etwa bei Glas, spiegelnden Oberflächen, dünnen Folien oder bei Temperaturmessungen durch Gase und Flammen hindurch. Passend ausgewählte Spektralfilter reduzieren Störeinflüsse, unterdrücken Hintergrundstrahlung und heben relevante Messsignale gezielt hervor. Das schafft die Grundlage für präzisere Temperaturmessungen und zusätzliche Möglichkeiten der materialspezifischen Analyse.
Abb. 1: Die Thermografie arbeitet im Wesentlichen in drei Bändern innerhalb des IR-Spektrums, den sogenannten atmosphärischen Fenstern:
SWIR: (0,8…2) µm – short wave infrared / kurzwellige Infrarot-Strahlung
MWIR: (1,5…5,5) µm – mid wave infrared / mittelwellige Infrarot-Strahlung
LWIR: (7…14) µm – long wave infrared / langwellige Infrarot-Strahlung
Thermografiekameras arbeiten vor allem im SWIR-, MWIR- und LWIR-Bereich; ergänzend spielt NIR (near infrared, < 1 µm) bei sehr hohen Temperaturen eine wichtige Rolle.
Was unter spektraler Thermografie zu verstehen ist
Im weiteren Sinn beginnt spektrale Thermografie bereits dort, wo für eine Messaufgabe gezielt eine Kamera für den zu untersuchenden IR-Teilbereich ausgewählt wird, also etwa LWIR-Kameras für robuste Daueranwendungen oder MWIR-Kameras für anspruchsvolle Labor- und Prozessmessungen.
Im engeren Sinn spricht man von spektraler Thermografie dann, wenn der spektrale Empfindlichkeitsbereich einer Kamera zusätzlich durch Filter eingegrenzt und nur noch ein schmales, anwendungsrelevantes Band erfasst wird. Diese Vorgehensweise ist besonders dann sinnvoll, wenn breitbandige Messungen störende Strahlungsanteile mit aufnehmen würden, die nicht eindeutig dem Messobjekt zuzuordnen sind.
Die spektrale Thermografie konzentriert sich genau auf diejenigen Wellenlängenbereiche, in denen relevante Messsignale deutlich hervortreten und nicht durch andere Signale überlagert werden. Das günstige Verhältnis von Nutz- zu Störsignal ermöglicht eine besonders exakte Messung.
Typische Beispiele für den Einsatz der spektralen Thermografie sind:
Temperaturmessungen auf Glas und durch Glas hindurch
Temperaturmessungen durch Gase sowie Flammen hindurch
Erfassung von Temperaturen und Charakterisierung großflächiger Flammen
Detektion verschiedener Gase
Identifizierung von Materialien anhand ihres spektralen Fingerabdrucks
Erkennung von Materialunterschieden anhand spezifischer spektraler Emissionsgrade
Die spektrale Einschränkung verfolgt abhängig von der konkreten Anwendung eine von drei Strategien:
Messung in einem spektralen Bereich mit hoher Emission des Messobjekts, um die Temperatur seiner Oberfläche möglichst präzise zu erfassen
Messung in einem spektralen Bereich, in dem ein Medium eine hohe Transmission aufweist, um die Temperatur eines dahinterliegenden Objektes zu bestimmen
Unterdrückung von Störstrahlung, ausgelöst etwa von Sonnenreflexionen, Laserstrahlung oder durch Verbrennungsgase
Das wesentliche Merkmal spektraler Thermografie besteht also darin, dass nicht das gesamte verfügbare Signal genutzt wird, sondern nur ein ausgewählter, spektraler Anteil. Spektrale Thermografie ist somit eine anwendungsoptimierte, physikalisch selektive Messmethode.
Die Wahl des passenden Spektralbereichs
Im Rahmen einer konkreten Aufgabenstellung wird der für die Messung geeignete Spektralbereich von mehreren Faktoren bestimmt: von den Materialeigenschaften des Messobjektes, von Störgrößen aus Umgebung und Prozess, vom Temperaturbereich sowie von Detektortechnologie, Optikmaterial und eingesetzten Filtern.
Innerhalb der genannten Teilbereiche kann das Spektrum durch die Eigenschaften des verwendeten Detektortyps (Aufnahmeprinzipien, Detektormaterialien [InSb, MCT, XBn]) eingeschränkt werden, ebenso wie durch die Materialeigenschaften des eingesetzten Objektivs (z. B. Germanium, Saphir, Spezialglas).
| Spektralbereich | Thermografikameras |
| LWIR | Universalkameras, meist mit ungekühltem Mikrobolometer-Detektor |
| MWIR | typischerweise High-Performance-Kameras mit gekühltem Detektor |
| SWIR | Kameras für spezielle Spektralbedingungen, typischerweise mit InGaAs-Detektor |
| NIR | Kameras für Objekte mit hohen Temperaturen, in der Regel mit Si-Detektor |
Spektralfilter als Schlüssel der selektiven Messung
Die Feinabstimmung in der spektralen Thermografie erfolgt über Infrarot-Spektralfilter. Diese werden typischerweise zwischen Optik und Detektor in den Strahlengang eingebracht. Diese Spektralfilter erlauben es, die Kamera auf materialspezifische Emissions- oder Absorptionsbanden abzustimmen oder störende Wellenlängenanteile bewusst auszublenden.
Infrarot-Spektralfilter lassen sich unterscheiden in:
Tiefpassfilter (Transmission nur unterhalb einer Grenzwellenlänge – Cut-off-wavelength)
Hochpassfilter (Transmission nur oberhalb einer Grenzwellenlänge – Cut-on-wavelength)
Bandpassfilter (Transmission für einen geschlossenen Bereich innerhalb des IR-Spektrums)
Schmalbandfilter (Transmission nur in einem engen Wellenlängenbereich, Narrow Bandpass)
Neutralfilter (gleichmäßige/konstante Abschwächung der Strahlungsintensität über den gesamten Spektralbereich)
Bandsperrfilter (keine Transmission für einen geschlossenen Bereich innerhalb des IR-Spektrums, z. B. zur Reduktion von Sonnenreflexionen im MWIR)
Abb. 2: Verschiedene Filtertypen
Die spektrale Eingrenzung ermöglicht zwar die Messung in geeigneten Bereichen, doch je schmaler das durchgelassene Band ist, desto geringer ist auch die Strahlungsintensität am Detektor. Das heißt, das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert sich, was insbesondere bei niedrigen Temperaturen die Temperaturauflösung beeinträchtigen kann. Spektrale Thermografie lohnt sich daher vor allem dann, wenn der messtechnische Gewinn den Verlust an Signal deutlich überwiegt. Zu beachten ist dabei, dass der Einsatz von Filtern eine spezielle Kalibrierung des Systems für den vorgesehenen Temperaturbereich erfordert.
Abb. 3: Spektrale Eigenschaften von Glas in Abhängigkeit von der Wellenlänge im IR-Spektrum
Ein klassisches Einsatzfeld für die spektrale Thermografie sind Messungen auf Glas und durch Glas hindurch. Glas zeigt im IR-Spektrum abhängig von der Wellenlänge sehr unterschiedliche spektrale Eigenschaften.
Messung von Bereichen mit hoher Emission
Fokussiert sich die Messung auf einen Bereich hoher Emission, kann auch die Temperatur für Infrarotstrahlung (semi)transparenter Materialien zuverlässig bestimmt werden. Soll z. B. die Oberflächentemperatur von Glas gemessen werden, so empfiehlt sich die Beschränkung auf das obere MWIR-Band (5 bis 6 µm) oder auf Bereiche oberhalb von 10,5 µm im LWIR-Band. Ersteres ist für höhere, letzteres für niedrigere Glastemperaturen besser geeignet.
Messung in Bereichen hoher Transmission
Die Konzentration auf Spektralbereiche, bei denen die Transmission des Materials besonders hoch ist, erlaubt die thermografische Messung von Objekten hinter dem Material. So kann bei einer Glühlampe die Temperatur der Wendel gemessen werden, wenn dafür ein Spektralbereich verwendet wird, bei dem das Glas der Glühlampe keine Strahlung absorbiert und so die Messung nicht beeinflusst. Das Glas weist zwischen 0,4 und 2 µm eine hohe Transmission auf – ein Messbereich, der zur hohen Temperatur der Wendel passt.
Messungen durch Gase oder Flammen beruhen auf dem gleichen Prinzip. In Öfen oder bei Verbrennungsprozessen können Brenngase und Verbrennungsprodukte wie CO₂ und CO die Messung massiv beeinflussen. Deshalb wird ein spektrales Fenster genutzt, in dem diese Gase möglichst wenig absorbieren oder emittieren. Für methanhaltige Brenngase ist ein Filter um 3,8 bis 3,9 µm ein typisches Beispiel, weil dort die Transmission hoch ist und sich Temperaturen an Ofeninnenwänden oder Bauteilen hinter der Flamme präziser erfassen lassen. Umgekehrt kann die CO₂-Bande bei 4,25 µm gezielt genutzt werden, um Flammentemperaturen zu messen oder Gase sichtbar zu machen.
Abb. 4: Beispiel: Methan als Brenngas.
Zur typischen Methanabsorptionsbande (blau) kommen noch die Absorptionsbanden der Verbrennungsprodukte CO2 und CO hinzu. Für die Messung wird ein Filter mit einer zentralen Wellenlänge bei 3,8 µm (rot) gewählt, weil hier keines der im Brenngemisch enthaltenen Gase eine nennenswerte Absorption aufweist.
Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet der spektralen Thermografie ist die Temperaturmessung an dünnen Kunststofffolien. Viele Kohlenwasserstoffverbindungen wie Polyethylen, Polypropylen oder Polyamid besitzen bei 3,4 µm eine charakteristische CH-Bande. In diesem Bereich kann ein geeignetes Schmalbandfilter die materialspezifische Emission hervorheben und zugleich störende Hintergrundstrahlung unterdrücken. Dadurch wird die Oberflächentemperatur der Folie wesentlich zuverlässiger erfassbar als mit einer breitbandigen Standardmessung.
Für Hochtemperaturanwendungen, insbesondere an Metallen, verschiebt sich die optimale Messstrategie in Richtung kürzerer Wellenlängen. Das erklärt, warum NIR-Systeme für sehr heiße Metalle bevorzugt werden und in bestimmten MWIR-Anwendungen zusätzlich Short-Pass-Filter eingesetzt werden können, um Reflexionseinflüsse zu reduzieren. Gerade bei reflektierenden Oberflächen ist die spektrale Auswahl oft der entscheidende Hebel, um zwischen echter Objektemission und Umgebungsreflexion zu unterscheiden.
Weitere Anwendungen unter Nutzung spektraler Eigenschaften
Spektrale Thermografie erweitert die Einsatzmöglichkeiten der Thermografie deutlich über die klassische radiometrische Temperaturmessung hinaus. So lassen sich Gase wie CO₂ oder SF₆ anhand ihrer charakteristischen Absorptionsbanden detektieren und somit z. B. Gasleckagen feststellen. Wasserbanden können für die Feuchtedetektion genutzt werden. In der IR-Reflektografie wird die spektrale Thermografie angewandt, um Unterzeichnungen in Gemälden oder Materialunterschiede innerhalb eines Objektes sichtbar zu machen. Darüber hinaus können multispektrale Untersuchungen mit wenigen, gezielt gewählten Teilbändern typische IR-Signaturen erfassen und dadurch eine Materialidentifikation ermöglichen.
Damit wird deutlich: Spektrale Thermografie ist nicht nur eine präzisere Temperaturmesstechnik, sondern auch ein Verfahren zur Trennung, Identifikation und Charakterisierung von Materialien und Medien. Wo die Standardthermografie lediglich ein Summensignal sieht, kann spektrale Thermografie relevante Beiträge einzelner Komponenten auseinanderhalten.
Kameratechnik für die spektrale Thermografie
Für die genannten Anwendungen sind Kamerasysteme mit flexibler spektraler Anpassbarkeit besonders geeignet, da typischerweise wechselnde Materialien, Prozesse und Messobjekte untersucht werden müssen. Die Kameras der ImageIR®-Serie lassen sich dafür mit einem motorisierten Filter- und Blendenrad ausstatten. Dieses optional verfügbare Modul erlaubt es, verschiedene Filter softwaregesteuert in den Strahlengang einzuschwenken. Damit können die Kameras für wechselnde Zwecke, z. B. für verschiedene Typen von Kunststofffolien oder unterschiedliche Gase, eingesetzt werden. Dank der hohen Empfindlichkeit der gekühlten Photonendetektoren der ImageIR®-Kameras ist die mit dem Einsatz der Filter einhergehende Abnahme der Strahlungsintensität bei Messungen hinnehmbar.
Online-Events on demand: Spektrale IR-Thermografie
Spectral Thermography – Basics and Applications
Allgemeine Informationen zur Infrarot-Thermografie und InfraTec
Definition der Spektralthermografie
Vorteile und Herausforderungen der Spektralthermografie
Spezifische Anforderungen an Kamerasysteme für die Spektralthermografie
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Flugthermografie: Definition, Vorteile, Arten, Verbreitung und Zukunft
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„Der IGI EcoMapper – hochpräzise Luftvermessung in fünf Spektralbändern“ von Dr. rer. nat. Jens Kremer, Manager F&E, IGI mbH, Deutschland
"Utility and Environmental Inspections" von Adam Boniecki, Business Development, Trakka Systems AB
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Umfangreiches Sortiment an Spektralfiltern zur detektornahen Montage
InfraTec bietet ein breites Sortiment an speziellen Spektralfiltern für die Thermografiemessung der unterschiedlichsten Materialien und Einsatzzwecke an. Diese können darüber hinaus kundenspezifisch angepasst werden. Setzen Sie zum Beispiel eine speziell konfigurierte Wärmebildkamera von InfraTec ein, haben Sie die Möglichkeit, die spektralen Filter detektornah zu positionieren. Dies geschieht entweder in einem Filterrad oder einem Filterschieber. Ein Filterrad ist dabei besonders komfortabel, können die Filterradposition doch motorisch und damit ferngesteuert gewechselt werden. Warmblendeneffekte, die bei einer Montage vor der Optik extreme Messfehler hervorrufen können, werden durch die detektornahe Filterposition in den Wärmebildkameramodellen von InfraTec verhindert.
