Die Thermografie ist ein bildgebendes Verfahren, das für zahlreiche Anwendungen wissenschaftlich genutzt wird, z.B. in der Infrarot-Thermografie (IRT), der Wärmebildtechnik und für Wärmevideos. Bei dieser Technik werden Wärmebildkameras eingesetzt, um Strahlung im langwelligen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums (ca. 9.000-14.000 Nanometer, d.h. 9-14 µm) zu erfassen und Bilder dieser Wärmestrahlung, so genannte Thermogramme, zu erstellen.
Das Gesetz der Schwarzkörperstrahlung besagt, dass alle Objekte mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts Infrarotstrahlung aussenden, was bedeutet, dass man mit der Thermografie ohne sichtbare Beleuchtung „sehen“ kann, indem man Temperaturschwankungen abliest. Mit zunehmender Temperatur eines Objekts steigt auch die Menge der von ihm abgegebenen Strahlung, was bedeutet, dass die Thermografie Temperaturschwankungen erfassen kann.
Bei der Verwendung einer Wärmebildkamera heben sich warme Objekte unabhängig von der Tageszeit von kühleren Hintergründen ab, was die Thermografie für das Militär und für Überwachungskameras interessant macht. Auch in der medizinischen Industrie wird die Thermografie häufig eingesetzt, z. B. bei Infrarotthermometern.
Thermografische Inspektion einer Windturbinenflügelprobe im TWI Technology Centre (Wales).
Die Thermografie kann in zwei verschiedene Arten unterteilt werden: passiv und aktiv. Bei der passiven Thermografie wird die natürliche Temperatur eines Teils genutzt, um ein Bild zu erzeugen, während bei der aktiven Thermografie die Oberfläche eines Objekts erhitzt und dann der Wärmeabfall beim Abkühlen beobachtet wird. Die aktive Thermografie zeigt Materialfehler durch Schwankungen in der Temperaturabfallrate auf. Bei der aktiven Thermografie werden verschiedene Prüfverfahren eingesetzt, um Energie auf die untersuchte Probe zu übertragen: gepulste Thermografie, Stufenerwärmung, Lock-in-Thermografie und Vibrothermografie.
In der Technik wird die Thermografie zur zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) in der Luft- und Raumfahrt, in der Verteidigungstechnik und in vielen anderen Industriezweigen eingesetzt, um Fehler in Strukturen zu erkennen. Mit dieser zerstörungsfreien Prüfmethode können große Bereiche untersucht werden, ohne dass ein Kontakt mit dem zu prüfenden Objekt erforderlich ist, und es können Defekte wie Korrosion, Risse, Delaminationen, Bindungsablösungen, Diffusionsfähigkeit, Aufprallschäden, Feuchtigkeitseintritt, Porosität, systemische Wandverdünnung und Hohlräume festgestellt werden. Sie kann auch zur Prüfung elektrischer und mechanischer Geräte eingesetzt werden, da die meisten defekten Komponenten einen Temperaturanstieg aufweisen, der von der Kamera erfasst werden kann.
Wie funktioniert das Verfahren?
Bei der Thermografie kommen Wärmebildkameras zum Einsatz. Dabei handelt es sich um hochentwickelte Geräte, die die natürliche Emission von Infrarotstrahlung von einem erhitzten Objekt messen und ein Wärmebild oder -video erzeugen. Moderne Infrarotkameras sind tragbar und einfach zu bedienen, so dass sie für viele verschiedene Anwendungen eingesetzt werden können.
Objekte geben bei Erwärmung elektromagnetische Energie ab, wobei mit steigender Temperatur mehr Energie freigesetzt wird. Diese Energie wird in Form von Wellen ausgesandt, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Das menschliche Auge reagiert auf sichtbares Licht im Bereich von 0,4 bis 0,75 Mikrometern, doch die meisten Infrarot-Temperaturmessungen liegen im Bereich von 0,2 bis 20 Mikrometern. Eine Wärmebildkamera ist in der Lage, diese Energie auf einen Detektor zu fokussieren, ähnlich wie eine normale Kamera, nur dass sie auf die Infrarotstrahlung und nicht auf sichtbares Licht reagiert. Dieses Bild wird in verschiedenen Farben dargestellt, um die Temperaturinformationen zu vermitteln.
Da Infrarotenergie von einem Objekt emittiert, übertragen und reflektiert wird, verwenden Infrarotkameras Algorithmen zur Interpretation der Daten, um eine genaue Interpretation der Betriebstemperatur zu erstellen.
Dies wird durch die folgende Formel erklärt:
Einfallende Strahlungsleistung = emittierte Strahlungsleistung + übertragene Strahlungsleistung + reflektierte Strahlungsleistung
Die einfallende Strahlungsleistung ist das Profil, das durch eine Wärmebildkamera betrachtet wird, die ausgesandte Strahlungsleistung ist die Energie, die gemessen werden soll, die übertragene Strahlungsleistung ist die Energie, die von einer entfernten Wärmequelle durch das Objekt hindurchgeht, und die reflektierte Strahlungsleistung ist die Energie, die von einer entfernten Wärmequelle vom Objekt reflektiert wird. Dies wird als Strahlungswärmeaustausch bezeichnet.
Thermografische Untersuchung eines Solarpanel-Bauteils: Von Rolle zu Rolle (R2R) gedruckte leitende Ag-Gitterlinien auf PET-Substrat, durchgeführt für das OLEDSOLAR-Verbundprojekt. Das Substrat wurde vom VTT Technical Research Centre of Finland Ltd. zur Verfügung gestellt.
Die Fähigkeit eines Objekts, Strahlung zu emittieren, wird als Emissionsvermögen bezeichnet und die Fähigkeit, Strahlung zu absorbieren, ist das Absorptionsvermögen. Spiegelnde Oberflächen, wie z. B. metallische Oberflächen, reflektieren Infrarotstrahlung. Das bedeutet, dass Wärmekameras auch Energie aus der Umgebung aufnehmen, die von der spiegelnden Oberfläche reflektiert wird. Eine Kamera muss auch die Energie berücksichtigen, die durch transparente Objekte hindurchgeht und von ihnen übertragen wird. Bei der Kontrolle des Emissionsgrads werden diese Reflexionen und Übertragungen berücksichtigt, um ein genaues Thermogramm zu erstellen.
Eine Wärmebildkamera berücksichtigt auch Umweltfaktoren wie die Abkühlung durch Wind, um ein Thermogramm zu erstellen, das in der Regel als JPEG-Datei angezeigt wird.