Elektrothermografie

Die Thermografie findet in der Industrie und Gewerbe immer mehr Anwendung zum Check von Elektroanlagen.
Dabei ist die Brandgefahr nur ein Thema, fast noch bedeutender ist die Instandhaltung, um Produktionsausfällen vorzubeugen.
Immer bedeutender wird die Elektrothermografie auch für die Produktentwicklung und Qualitätssicherung.
Viele elektrische Anlagen sollen immer kompakter und auch nach außen abgeschlossen sein, so daß ihre Kühlung
zum Problem werden kann. Auch hier hilft Elektrothermografie weiter.


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Was ist Elektrothermografie ?

Grundlagen
Elektrothermografie hat eine verblüffend einfache Funktionsgrundlage: Wenn ein elektrischer Strom auf einen Widerstand trifft, so wird dort Wärme erzeugt, die die Temperatur lokal ansteigen lässt. Das kann entweder so vorgesehen sein, dann ist ein elektrisches Bauteil in Ordnung oder die Temperatur weicht von der Norm ab und dann kann das ein Hinweis auf einen Fehler sein. Denn Fehler erhöhen in der Regel die Wärmeproduktion. Und die Temperatur auf der Bauteiloberfläche kann man einfach mit einer Thermokamera nachweisen.

Das Besondere an der Thermografie von Elektroanlagen ist, daß sie berührungslos arbeitet, das Bauteil wird also nicht beeinflusst. Damit kann es weiter betrieben werden, also ob es nicht unter Spannung und Last stünde. Oftmals ist die berührungsfreie Thermografie sogar die einzige Methode, die Temperatur eines Gerätes zu messen, weil eine Berührung unmöglich oder lebensgefährlich wäre. Andernfalls müsste man das Gerät abschalten, um zu messen, aber das wär ja dann nicht mehr im Betrieb.

Gerade weil Elektrothermografie berührungsfrei ist und den laufenden Betrieb nicht stört, ist sie so leicht einsetzbar. Außer dem Bediener und einer kleinen Kamera ist nichts weiter vor Ort. Deshalb kann Elektrothermografie immer und überall eingesetzt werden - Einzige Voraussetzung ist, daß ein elektrisches Gerät oder Bauteil unter Last steht und sich überhaupt erwärmen kann.

Wichtig: Elektrothermografie ist sicherheitsrelevant und eine Sache für Elektrofachkräfte.
Machen Sie das nicht im Alleingang, wenn Sie nicht in der der Elektrotechnik zuhause sind.
Sie bekommen dazu auch Informationen beim VDE und beim VATh e.V.

Elektrothermografie gibt es auch als Dienstleistung vom Wohnhaus bis zum mittelständischen Gewerbebetrieb.
Ich mache Ihnen gerne ein Angebot, bei Bedarf auch eine Testmessung.


Elektrische Leistung
und Wärme
P = U * I = U² / R, so berechnet sich die elektrische Leistung. Ein Teil der Leistung wird dabei von elektrischer in thermische Energie verwandelt: Pthermisch = Pelektrisch * (1 - Wirkungsgrad). Dieser thermische Anteil führt dann zur Erwärmung des elektrischen Bauteils.

Mit zunehmender Temperatur wird natürlich auch die Abfuhr der Verlustwärme an die Umwelt erhöht. Die Temperatur steigt dabei solange an, bis ein dynamisches Gleichgewicht erreicht ist. Diese Temperaturerhöhung kann dann von außen mit der Thermokamera sichtbar gemacht werden. Wenn man ungefähr weiß, wie sich die Wärme im inneren des bauteils bis zur Oberfläche ausbreitet, kann man auch auf den inneren Zustand eines elektrischen Bauteils schließen.



Wärmeausbreitung 

Die im Bauteil erzeugte Wärme muß sich erstmal zur Oberfläche ausbreiten, ehe sie dort die Temperaturerhöhung erzeugt, die wir dann mit der Thermografiekamera sehen können. Bei kompakten Bauteilen, wie Kabeln, Widerständen oder festen Spulenwicklungen ist das ein einfacher Prozeß, aber innerhalb von geschlossenen Gehäusen, gefüllt mit komplexen Teilen, Luft oder auch Öl ist die Wärmeausbreitung alles andere als trivial. Da gibt es:

Wärmeleitung, also den Wärmetransport durch feste Materialien. Dabei kann die Wärmeleitung sehr unterschiedlich sein: Elektrische Leiter leiten auch die Wärme gut, Isolatoren und nichtleiter aber mehr oder weniger schlecht, wobei die Bandbreite hier sehr hoch ist.

Konvektion, also die Aufheizung von Luft, Gas oder einer Flüssigkeit wobei diese wegströmt und an einem anderen kühleren Ort die aufgenommene Wärme wieder abgibt, um dann zurück zu strömen.

Strahlung, also der Transport von Wärmeenergie durch Infrarotlicht. Dieser wärmetransport sollte nicht unterschätzt werden, das kann den Löwenanteil am Wärmetransport ausmachen. In evakuierten Röhren gibt es nichts anderes.

Konvektion und Strahlung ermöglichen es aber dann doch, die Erwärmung eines Bauteils zu bemerken, auch wenn es von ein Plexiglasplatte oder Abdeckung bedeckt ist. Ca. 5 - 10% des Signals kommen dann doch durch die Abdeckung durch - genug, um neugierig zu werden.


Durch diese vier Prinzipien der Wärmeübertragung dringt die Wärme vom Erzeugungsort zur Oberfläche des Bauteils vor. Durch die kenntnis, wie sich Abwärme ausbreitet, kann man von der Oberfläche auf das Bauteilinnere schließen - zumindest ein bißchen.


Materialien in der Elektrotechnik



In der Elektrotechnik haben wir es mit verschiedenen Materialgruppen zu tun, die sich im thermischen IR völlig unterschiedlich verhalten:

Metalle:  In der Regel kann man auf blanken metallen überhaupt nicht messen. Sie sind keine bis schlechte IR-Emittenten , dafür spiegeln sie die Umgebung je nach Form unentwirrbar komplex. Metalle müssen präpariert werden.

Nichtleiter:  Kunstoffe, keramik, isoliermaterial usw. sind Nichtleiter und damit so gute IR-Strahler, daß oft noch nicht mal mehr eine Emissionskorrektur notwendig ist. Alle Temperaturmessungen erfolgen immer auf nicht leitenden Oberflächen.

Glas und transparente Kunststoffe: Im sichtbaren Licht kann man klar durch sie hindurchsehen, nicht aber im Infraroten. Glas und die meisten Kunststoffe, insbesondere das in der Elektrotechnik häufige Plexiglas sind völlig unduchsichtig, man misst die Temperatur des Glases/Kunstoffes. Lediglich Polyethylenfolie ist transparent.

Abbildung links: Hier sind drei frei liegende Keramik-Hochlastsicherungen dargestellt. Auf Kabelisolierung und Keramik kann man hervorragend messen, auf blanken Kabelschuhen und den Messerkontakten überhaupt nicht.


Temperaturbereiche 

Ab -40 °C: Elektrische Anlagen sind in der Kältetechnik gang und gäbe. Die Thermografie im Kältebereich ist für hochwertige IR-Kameras kein Problem, nur sollten sie für den entsprechenden Temperaturbereich geeignet und kalibriert sein, damit auf die erfassten Temperaturwerte Verlaß sein kann.



Im Bild links ist eine Kältemaschine dargestellt, die bis zu -20°C kaltes Glycol-Wasser-Gemisch abkühlen kann.
Raumtemperatur: Die allermeisten elektrischen Geräte und Anlagen arbeiten im Raumtemperaturbereich. Dabei liegt die oberste Betriebstemperatur fast aller Bauteile unter +100 °C. Das besondere an der Elektrothermografie ist, daß man es fast immer mit sehr deutlichen temperaturänderungen in der Größenordnung von mehreren (zehn) Grad zu tun hat. Hier arbeiten auch sehr einfache Kameras ohne spezielle Stabilisierung, es kommt aber eher auf gute Ortsauflösung an.

Im Bild ist eine Elektronikplatine im Betrieb unter Normallast dargestellt.
Über 100 °C: Auch im Hochtemperaturbereich kann erfolgreich Elektrothermografie betrieben werden, Zum Beispiel an Beleuchtungskörpern oder Heizanlagen. Hier ist darauf zu achten, daß die benutzte IR-Kamera auch umschaltbare Kalibrierbereiche hat.



Im Bild ist ein aufgeheizter Quarzstrahler dargestellt, wobei die höchste Temperatur etwas oberhalb +400 °C auf dem Quarzkolben liegt.


Messen im Sommer
und im  Winter
Es ist schon ein Unterschied, ob man eine Elektrothermografie im Winter bei kühlen Umgebungsbedingungen oder im Sommer durchführt. Speziell im Sommer herrschen dann in den Räumen und Schaltschränken Temperaturen vor, die so langsam an die obere Grenze dessen gehen, was der Hersteller für die elektrischen Baugruppen angibt.

Im Sommer selber kann man die Warnschwelle so legen, wie es die Bauteile halt vorgeben.

Im Winter dagegen muß man schon eine Sicherheitsmarge einkalkulieren und darf eben nicht bis an die Herstellergrenzen gehen. Der nächste Sommer wird ja kommen und dann wird es wieder warm in Halle und Schaltschrank.



G
eeignete
IR-Kameras 

In meinem Ingenieurbüro kommt eine VarioCAM hr mit einer Auflösung von 640 * 480 Pixeln und einer thermischen Auflösung von 0.03 K zum Einsatz, ausgestattet sowohl mit Weitwinkel als auch Sachobjektiv. Gerätetechnisch stelle ich Ihrer Aufgabe also alles zur Verfügung, was so gebraucht wird. Die Kamera ist mit vier umschaltbaren Kalibrierbereichen ausgestattet, die quantitative und genaue Temperaturmessungen von -40 °C bis +1700 °C zulassen.

Was man nicht machen darf, wenn man selber eine Elektrothermografie durchführt, ist auf Ortsauflösung zu verzichten. Gerade sehr billige IR-Kameras, die genau für diesen Zweck angeboten werden, tuen das aber:

Eine IR-Kamera mit 320*24 Pixeln ist sogar SMD-bestückte Platinen geeignet und praxistauglich. Schon mit der halben Auflösung von 160*120 Pixeln kann man kleine Strukturen nicht thermografieren. Die Auflösung von Billigstkameras mit zB. 80*60 Pixeln ist völlig unbrauchbar.

Grenzen  Die Thermografie hat natürlich auch ihre prinzipbedingten Grenzen:

IR-Licht durchdringt keine undurchsichtigen Körper. Wir können nicht durch geschlossene Schranktüren schauen. Wir müssen die Schaltfelder schon öffnen. Durch die Berührungsfreiheit kann aber immer ein sicherer Abstand gemäß VDE eingehalten werden.

Leider sind auch Glas, vor allem aber auch Plexiglas im thermischen Infrarot undurchsichtig. Obwohl wir die Baugruppen visuell sehen können, erreicht uns das Infrarotlicht nicht oder nur sehr indirekt. Erfreulicherweise überträgt ein Bauteil einen Teil seiner Abwärme auf die Glas/Plexiglasoberfläche, so daß eben indirekt ein Signal entsteht, wenn mit 5 - 10 % auch ein schwaches.

Gerade moderne Schaltanlagen schalten sich automatisch durch das Öffnen der Tür oder der Abdeckung ab. Man kann das durch Anbringen von Inspektionsöffnungen bei einer Wartung, durch indirektes Messen oder auch dadurch umgehen, indem man ganz unmittelbar nach dem Öffnen der Abdeckung die noch betriebswarme Anlage thermografiert. Das geht natürlich nur, wenn eine ganz kurzzeitige Betriebunterbrechung keine Störungen hervorruft.

Wir können nicht auf blanken Metallen messen. Auch die so oft propagierte Emissionskorrektur nutzt nichts, weil das Abstrahlverhalten auch (und ganz maßgeblich) von Korrosionszustand, Verschmutzung, Oberflächenrauhigkeit und Formgebung abhängt. Das ist aber alles kein Problem, sobald auf einem Nichtleiter direkt nebenan gemessen wird, also auf der beginnenden Isolierung.

Geschlossene Gehäuse stellen auch ein Hindernis für die Elektrothermografie dar. Wir können eine Aussage nur für die Temperaturen auf der Gehäuseoberfläche machen und wissen nicht oder nur sehr indirekt, was sich im inneren eines geschlossenen Gehäuses tut. Bei Standardbauteilen kann man aber vom Hersteller erfahren, wie sich ein Bauteil verhalten sollte und vor allem, was es thermisch verträgt.

Generell ist es so, daß bei der Konstruktion einer elektrischen Anlage sehr genau
auf die Berührsicherheit geachtet wird, aber in der Regel nie an die Prüfbarkeit per Thermografie
.

Spannungsebenen

Kleinspannung &
Elektronik

0 - 60 Volt: Dies ist die normale Spannung für Elektronik und Steuerelektrik. Diese Spannungsebene ist weitgehend berührsicher, hier kommt es eher auf die Ortsauflösung, also viele Pixel der Thermokamera an, denn die Schaltungen sind oft sehr komplex und umfangreich. Das Arbeiten mit einem Weitwinkelobjektiv in Kombination mit einem hochauflösenden Sensor ist hier sehr empfehlenswert. Setzt man natürlich eine preiswerte Kamera mit begrenzter Sensorgröße ein, ist man auf das etwas konzentrierte Sachobjektiv angewiesen.


Niederspannung

230 / 400 Volt: In dieser Spannungsebene wird elektrische Leistung transportiert und umgewandelt. Es fließen also oftmals hohe Ströme, die auch schon an kleinen Widerständen zur Erwärmung führen. Zudem ist diese Spannungsebene nicht mehr berührungssicher, die Sicherheitsabstände sind also strikt einzuhalten. Dafür bewegen sich die kleinsten Details schon in einer Größe von einigen Millimetern, sind also auch aus sicherer Entfernung von 50 cm und mehr auch mit einfachen IR-Kameras sicher erkennbar.



Mittelspannung 

10 - 25 kV: Wenn die elektrische Energie eines ganzen Ortsteils oder eines Gewerbebetriebs transportiert werden muß, werden in der Niederspannungsebene die Ströme zu groß. Dazu geht man in die Mittelspannungsebene. Hier wäre jede Berührung tödlich, somit sind solche Anlagen abgesperrt oder nur aus der Entfernung einsehbar. Dafür sind typische Schaltanlagen für Mittelspannung schon sehr groß, daß auch Details aus sicherer Entfernung ganz sicher zu erkennen sind. Wenn ein optischer Zugang zur Anlage geschaffen werden kann. Empfehlenswert ist das Normal- oder Sachobjektiv.



Hochspannung

110 - 380 kV: Die Hochspannungsebenen dienen dazu, große Energiemengen über weite Strecken zu transportieren, in der Regel vom Kraftwerk zu den Umspann- und Schaltwerken. In der Regel sind Hochspannungsanlagen unter freiem Himmel aufgebaut, unterliegen also der Witterung, Pollenflug, Verschmutzung und Korrosion. Dafür sind Hochspannungsanlagen in der Regel optisch gut einsehbar, ohne daß man sich ihnen tatsächlich nähern müsste. Damit auch unerreichbar weit entfernte (z.B. an sehr hohen Masten befindliche) Details aufgelöst werden können, empfiehlt sich der Einsatz eines Teleobjektivs.

Wichtig: Elektrothermografie in Mittel- und Hochspannungsanlagen ist nur deshalb unbedenklich,
weil solche Arbeiten ganz grundsätzlich nur aus den entsprechenden Sicherheitsabständen gemäß VDE-Richtlinie
und nur in Begleitung durch eine Elektrofachkraft erfolgt, die mit der Anlage vertraut ist.


Elektroanlagen, Transformatoren und Schaltschränke

Transformatoren



Im sichtbaren Licht ist nichts außer einem Gerät zu sehen, daß schon etliche Jahre in Betrieb ist. Das Thermogramm zeigt dagegen etwas anderes: Dieses Exemplar ist ein Fall für den Service: Durch Funkenschlag und durch erodiertes Isolierpapier hat sich im Kühlöl Schlamm gebildet, der sich in den Kühlrippen des Transformators abgelagert hat und jetzt den Durchfluß und damit die Kühlfunktion sehr unterschiedlich behindert.

Man erkennt besonders stark blockierte Rippen daran, daß ihre Temperatur und damit ihre Infrarothelligkeit von oben herab sehr schnell abnimmt. 

Weiter sind zwei Kühlrippen ganz abgeschiebert und tragen gar nicht zur Kühlung bei. Wird soetwas vergessen, kann daß schnell zur Zerstörung des Transformators und damit zum Stromausfall in einem ganzen Stadtteil führen.

Konzentriert man die Temperaturskala  wird auch der Ölstand im Ausgleichskessel für ölgekühlte Transformatoren sichtbar. Das Trafoöl ist hier aber nur leicht erwärmt, der Temperaturunterschied zwischen Ausgleichsgefäß und Zuleitung mit dem Buchholzrelais ist deutlich. Das weist auf einen geringen Austausch hin, der für einen störungsfreien Trafobetrieb typisch ist.



Anlagen und 
Stromschienen
für Hochspannung

Fernkontrolle ist ein absolutes Muß bei Hochspannungsanlagen. Schließlich ist es unmöglich, sich während des Betriebs über den Zustand von Leitungen und Kontakten, die zwischen 10 und 380 Kilovolt durch ein normales Meßgerät mit Abgriffen ein Bild zu machen.

Viele Kontakte sind ankorrodiert. Visuell und im Stillstand ist nichts zu sehen und die kommende Schadensstelle wird bei einer Routine überprüfung nicht entdeckt. Thermografie spürt solche schleichenden Korrosionen aber zuverlässig auf. 

Die Schadensstelle erwärmt sich durch den erhöhten ohmschen Widerstand. Wird der Widerstand einmal zu groß, so verbrennt der Kontakt und die Phase fällt aus: Mit allen Folgen für die Stromversorgung. 

Thermografie gibt mit einem Blick Auskunft über das Gleichgewicht der Phasen: Wäre eine der Stromschienen über eine größere Länge erwärmt, so ist die Phasenlast aus dem Gleichgewicht.




Schaltschränke



Ganze Schaltschrankanlagen mit einem Meßgerät zu untersuchen, ist ein sehr mühevolles Unterfangen. Dazu besteht immer die Gefahr, daß ein schadhafter Kontakt sich durch bloßen Augenschein nicht verrät. Dazu kann man im Betrieb etliche Anlagenteile aus Sicherheits- oder Einbaugründen garnicht berühren.

Mit Thermografie können ganze Schaltschrankreihen in wenigen Tagen lückenlos kontrolliert werden. 

Dazu gibt es gleicht auch eine bildliche Dokumentation des Zustands der Anlage zum Prüfzeitpunkt.

Durch die integrierte Temperaturmessung kann unterschieden werden, ob eine Erwärmung in einer Schaltanlage eine so vorgesehene Ursache hat, oder ob sie in eine Schadenskategorie gehört. Entsprechend kann dann ein Wartungs- oder Reparaturplan aufgestellt werden.




Verkabelungen

 


Verkabelungen wachsen oft über Jahre und Jahrzehnte. Dokumentation ist dabei im privaten und Kleingewerbe-Bereich häufig ein Fremdwort. Und so kommt es immer wieder zu Störungen, Ausfällen oder gar zur Brandgefahr. Aber auch bei gut dokumentierten Großanlagen kommt es zu Fehlern und Fehlfunktionen, die sich nur im Betrieb nachweisen lassen.

Kabel verraten ihre Stromlast durch eine Erwärmung. Sie sind dadurch sogar unter Putz auffindbar. Vorraussetzung ist alleine eine empfindliche Thermografiekamera mit hoher Bildqualität. 

Mit der Prüfung von Verkabelungen lassen sich verborgene und unvermutete Stromverbraucher entdecken, die nur die Stromrechnung in die Höhe treiben. 

Kurz- und Nebenschlüsse müssen nicht immer die Sicherungen ansprechen lassen und führen so zu einer erheblichen Stromschlags- und Brandgefahr. Mit einer thermografischen Untersuchung ist so etwas ausschließbar. 

Blindströme durch hohe induktive oder kapazitive Belastung eines Kabels führt ebenfalls zur nachweisbaren Erwärmung. 




Phasengleichgewichte



Drehstromanlagen werden so ausgelegt, daß alle drei Phasen gleichmäßig belastet werden, damit keine Probleme bei Hoch- und Mittelspannungsanlagen und den Transformatoren auftreten.

Phasenungleichgewichte verraten sich durch unterschiedliche Erwärmung der Leitungen, auch bei recht geringen Ungleichgewichten. 

Phasenungleichgewichte lassen sich bei allen Leitungsquerschnitten, ob Stromschiene, ob isoliertes Kabel orten.

Wirklisch kritisch wirds, wenn der Nulleiter oder sogar die Schutzerde eine erhöhte Temperatur zeigen: Dann fließt dort ein Strom, der nicht sein darf. Beim Nulleiter kann eine Phasenschieflast vorliegen oder aber Oberwellen! Und besonders bedenklich ist, wenn Strom durch die Schutzerde fließt, ohne das der Fehlerstromschutzschalter auslöst.



Sicherungen





Riskieren Sie  Produktionsausfälle, weil Ihnen eine Sicherung durchbrennt? Wissentlich wohl kaum. Dennoch lauert in vielen Schaltanlagen die Gefahr, daß eine Sicherung durch zu schwache Dimensionierung, Phasenungleichgewicht oder Überlastung ständig zu heiß wird und irgendwann mal unvorhersehbar ausfällt. Eine thermografische Kontrolle von Sicherungen im laufenden Betrieb kann so eine "Überraschung" ausschließen.
 
Schmelzsicherungen werden durch hohe Last heiß. Aber auch durch schlechten Sitz oder Korrosion der Fassung 

Sicherungsautomaten oder Motorschutzschalter werden auch warm, aber wenn sie heiß werden, ohne auszulösen, kann das auf verminderte Funktion hinweisen..

Sicherungen können so heiß werden, daß sie vor allem in engen, geschlossenen Gehäusen zur Brandgefahr werden können.



Die beiden Abbildungen zeigen den selben Schaltkasten, einmal noch mit Plexiglasabdeckung, darunter dann offen. Obwohl Plexigals im thermischen Infrarot nicht durchsichtig ist, heizt sich die Abdeckung doch so gut auf, das die schadhaften Sicherung trotzdem nachgewiesen werden können.


Platinen

Bei der Thermografie auf Elektronikplatinen kommt es auf die hohe Ortsauflösung an., damit auch sehr kleine Strukturen noch sicher nachgewiesen werden können:

Die Ortsauflösung einer Thermografiekamera ist in Millirad pro Meter angegeben, das heißt, daß bei einem Millirad ein Objekt von einem Millimeter Größe auf einem Pixel der Kamera erscheint, wenn die Entfernung einen Meter beträgt. Für gute Kameras sind Werte zwischen 0,8 und 1,6 Millirad üblich.

Für die Aufnahme extrem kleiner Strukturen ist dazu eine Nahlinse erforderlich, die dann Aufnahmen bis herunter zu 50 µm erlaubt.


Kühlungen

Elektrische Anlagen produzieren je nach Betriebsart eine ganze Menge Abwärme. Wenn so eine Anlage z.B. in einem heißen Umfeld betrieben wird, aber nur bestimmte Betriebstemperaturen auftreten dürfen, dann muß gekühlt werden. Thermografie klärt schnell ob das funktioniert und auch wie gleichmäßig gekühlt wird.


Gehäuse

Etliche Anwendungen verlangen auch, daß elektrische Baugruppen vollständig in Gehäuse eingeschlossen werden müssen. Mittels der Thermografie kann geklärt werden, ob beim Hochlaufen und während des Betriebs auffallend warme Zonen entstehen und ob die Wärmeabfuhr an der Gehäuseoberfläche ausreicht, die Abwärme aus dem Inneren hinreichend abzuführen.



Legen Sie sich nicht Ihre Produktion lahm. Weder durch Abschaltung zur Prüfung noch durch einen Schadens- oder Sicherungsausfall. Thermografie verschafft Ihnen jederzeit ohne jeden Stillstand den Überblick über den Zustand Ihrer Anlagen.
 
Forschung & Entwicklung für die Industrie

Bilder sagen mehr als tausend Worte. Begleiten Sie Ihre Produktentwicklung mit einem echten bildgebenden Temperaturmeßverfahren, auch wenn Sie Berechnungen und Simulationen vornehmen. Denn Wärmeübergänge und Temperaturverteilungen hängen immer stark von der komplexen Umwelt ab, die in allen Berechnunegn nur grob berücksichtigt werden kann. Thermografie unterstützt Sie bei:

Wärmeübertragungsfragen
Feststellung von Temperaturverteilungen
Prüfung auf Überhitzung bzw. Unterkühlung
Verlaufsmessung von Abkühl- und Aufheizprozessen sowohl räumlich wie auch als Zeitreihe
Sicherheitsprüfungen
 


Abkühlung und Aufheizung

Die Gleichförmigkeit von Abkühlprozessen (analog natürlich auch Aufheizphasen) kann entscheidend für die Produktqualität und Funktion sein. Thermografie mit Scannerkameras liefert Ihnen genaue Meßdaten über

Temperaturverteilungen über den Ort oder die Fläche
Temperaturverlauf über die Zeit
Erfassung der Temperaturverteilung als zweidimensionale Bildserie
Lineare Temperaturverteilung durch Zeilenscan (extrem schnell !)




Berührsicherheit



Praktisch alle Produkte kommen mit Mensch und Tier in Berührung und müssen deshalb berührsicher sein. Mit Thermografie kann bei thermisch arbeitenden Geräten, Maschinen und Anlagen sichergestellt werden, daß niemand sich verletzt. Sicherheitsprüfungen durch Thermografie betreffen:

Anheizprozesse
Abkühlungsphasen
Den stationären Betrieb
Ortung von Hot Spots

Die Wärmebildkamera von Dittié Thermografie ist vom Hersteller kalibriert, wobei die Kalibration bis auf die PTB zurückgeführt werden kann. Gehen Sie auf Nummer sicher.


K
ühlungen






Viele elektrische Anlagen und elektronische Baugruppen erzeugen Abwärme, und dürfen dabei selber nur bis zu einer bestimmten Temperaturgrenze betrieben werden. Mit Hilfe der Thermografie kann schnell geklärt werden, wie die Abfuhr funktioniert und wie sich die Wärme verteilt.

Wird die Thermografie noch durch Strömungsmessonden begleitet, kann eine sehr genaue Vermessung in einer anlage erfolgen. Auch ein geschlossenes Gehäuse oder eine Schranktür kann durch IR-transparente Fenster simuliert werden.

Die Wärmeabfuhr geschieht durch:

Wärmeleitung (auf Montagebleche oder Kühlkörper ...)

Natürliche Auftriebskonvektion durch die Luft im Gehäuse/Schrank

Zwangskonvektion durch Anbalsen mit Kühlluft

Flüssigkeitskühlung als Extremform der Zwangskonvektion

Wärmeabstrahlung



In den beiden Beispielbildern links ist oben die Kühlwirkung durch Einblasen von Kaltluft aus einer Klimaanlage für Schaltschränke dargestellt. Unten wird gezeigt, wie hochwirksam die Wasserkühlung höchstbelasteter Computerbauteile sein kann.



Messen, Bildbearbeitung, Auswertung, Dokumentation

Das radiometrische Bildformat
Thermografiekameras sollten immer ein radiometrisches Format benutzen. Das heißt, das Sensorsignal wird samt Kalibrierwerten einfach erstmal ganz aufgezeichnet und die Graustufen/Farbwerte werden erst im Nachhinein beim Darstellen dazu berechnet, so daß man verlustfrei immer die Darstellung nachkorriogieren kann. Es gibt aber (sehr billige) Thermografiekameras, die gleich bei der Aufnahme Farbwerte zuordnen und sogleich eine fertige Grafik produzieren. Sind dann noch nachträgliche Korrekturen wie ein Umskalierung notwendig, dann hat man ein Problem: Man versucht das dadurch zu lösen, indem man bei den Grafiken halt zwangsweise obere und untere Temperatur konstant läßt (weil die Kalibrierdaten und zuerst nicht dargestellte Sensordaten ja weg sind) und dafür die Skala deformiert. Sowas ist nicht praxistauglich, weil schon vor Ort sicherheitsrelevate Information verloren gehen kann.

Hinweis:  Meine Thermokamera läßt nichtlineare Skalierungen erst gar nicht zu. Da Fornax ohnehin (aus historischen Gründen) nur mit Kameras von Jenoptik und InfraTec zusammen arbeitet, ist diese Gefahr nicht gegeben, da all diese Kameras echte radiometrische Thermogramme produzieren, die sich verlustfrei nachbearbeiten lassen.


Darstellungsregeln
 

Um direkt auf dem Display der IR-Kamera zu erkennen, ob bei einem Bauteil oder einer elektrischen Anlage eine auffallende Temperatur vorliegt, ist es sehr empfehlenswert, sich dazu Regeln zu geben. Das gilt ganz besonders nacher für die Dokumentation, denn die dient dazu, daß ein Techniker sich um den Befund kümmert und den befund auch als solchen erkennen kann:

Alle Thermogramme sollten grundsätzlich die selbe Farbpalette nutzen.
Die untere Temperatur sollte immer etwas unterhalb der Umgebungstemperatur liegen.
Die obere Temperatur sollte bei der höchsten erlaubten Grenztemperatur für eine Bauteilklasse liegen.

Thermografie eines typischen Schaltschranks bei Vollast. Die Regeln der Darstellungneutralität wurden hier eingehalten.

Dazu läuft dieser Schrank auch noch mit einer recht hohen Innentemperatur von 30 °C. Zumindset die kammrelais in der obersten Reihe erreichen mit knapp 70 °C das gerade noch erlaubte thermische Limit. Wenn's im Schrank noch wärmer würde, dann könnten thermische Probleme auftreten, auf die in einer Elektrothermografie hingewiesen werden muß.

Alle unten stehenden Themogramme sind exakt dasselbe Thermogramm, nur fehlerhaft umskaliert
Exakt dasselbe Thermogramm, diesmal nur viel zu eng und damit kontrastreich skaliert: Wer würde hier nicht zuerst zum Notaus hechten ? Sogar die beiden Schaltspannungstrafos unten scheinen zu glühen. Mit dieser Skalierung ist eine thermische Bewertung des Anlagenzustands nicht möglich, da praktisch alles Alarm auslöst.




Skalieren Sie mit Augenmaß.
Vermeiden Sie unnötigen Alarmismus.
Wieder dasselbe Thermogramm, nur diesmal viel zu weit skaliert: Jetzt ist exakt derselbe Schaltschrank thermisch so langweilig wie ein Unterverteiler in einem Wohnhaus. Auch das ist eine möglicherweise folgenschwere Fehlinterpretation, weil jetzt nicht auffällt, daß die Kammrelaisreihe zwar ordentlich funktioniert, aber schon an der oberen Temperaturgrenze arbeitet.
Diesmal wurde zwar der Kontrast des Thermogramms auf vernünftigen 50 K belassen, aber das Temperaturniveau ist viel zu tief eingestellt, so daß das Thermogramm viel zu heiß erscheint - schon wieder ist eine realistische Interpretation nicht möglich.
Dasselbe mit vernünftigem Kontrast, aber mit zu hoch eingestelltem Temperaturniveau. Nun erscheint alles viel zu kalt, der Betrieb der Kammrelais an der zulässigen Temperaturgrenze fällt nicht weiter aus. Außerdem kann man vor lauter Schwarz kaum erkennen, was da eigentlich thermografiert wurde.




Regelwerke Für die Thermografie von Elektroanlagen gibt es einige Regelwerke, die die Prüfung von Elektroanlagen betreffen.

Norm DIN 54191: Thermografische Prüfung elektrischer Anlagen

Die Norm beschreibt detailliert, wie eine Thermografie von elektrischen Anlagen aufgenommen und wie die Prüfung durchgeführt wird. Weiterhin ist die Klassifizierung und Bewertung von thermischen und auch nichtthermischen Auffälligkeiten geregelt. Dazu wird auch die Dokumentation und der Ergebnisbericht beschrieben. Durch anwendung der DIN Norm ist gewährleistet, daß eine Thermografie von elektrischen Anlagen sowohl im Brandschutz als auch in der Instandhaltung mit der notwendigen Qualität ausgeführt werden.

Richtlinie VdS 2858: Thermografie in elektrischen Anlagen

Das Regelwerk des Verbandes der Schadensversicherer umfasst in etwa den Inhalt der DIN 54191, ist aber etwas weniger ausführlich.

Richtline VdS 2860:  Untersuchungsbericht zur Elektrothermografie

Das Regelwerk des Verbandes der Schadensversicherer zum Untersuchungsbericht ist mit der Normung aus DIN 54191 vergleichbar und auf die Bedürfnisse des VdS (Brandschutz) abgestimmt.

Richtline zur Elektrothermografie des VATh e.V.

Die Richtlinen des VATh e.V. sind das laufend fortgeschriebene Resultat eines Arbeitskreises im Verband für angewandte Thermografie e.V.  und von erfahrenen Thermografen in der Elektrothermografie festgelegt. Diese richtlinen enthalten viele Details und technische Angaben zur Elektrothermografie.


In meinem Ingenieurbüro wird zur Bewertung und bei elektrischer Sicherheit ganz grundsätzlich nach den Regelwerken von
VATh e.V., 
VDS und VDE gearbeitet. Zur Durchführung und Dokumentation wird die DIN 54191 Elektrothermografie angewandt.
 
Schulungen zur Elektrothermografie

Schulungen &
Ausbildung


Wenn Ihnen diese Webseite gefällt und Sie sich wirklich tief in die Elektrothermografie einarbeiten möchten, ist es empfehlenswert, einen Kurs zu besuchen. In einer kleinen Liste wird das Angebot der Technischen Akadenie Esslingen angeführt, für die ich als Referent tätig bin. Der besondere Vorteil eines Kurses ist, das viele thermografische Verfahren und Details direkt vorgeführt werden und man auch manches selber ausprobieren kann. 

Vor allem ist es empfehlenswert, vor der Anschaffung einer Infrarotkamera eine Schulung zu besuchen. Dann weiß man nämlich, ob man überhaupt eine braucht und wenn ja, was die denn so können sollte. Gut informiert kauft man besser.

Der Unterschied zwischen dem zweitägigen Intensivkurs und dem eintägigen Kompaktkurs ist der, daß im Intensivkurs viele Vorführungen und praktische Beispiele durchgeführt werden. Hier kann auch die eigene Kamera zum Trainingseinsatz kommen. Der Kompaktkurs ist für diejenigen gedacht, die sich informieren möchten oder die einfach eine Einweisung in die Elektrothermografie haben möchten.

Der Thermografie Zertifikatslehrgang ist für angehende Thermografen geeignet, die der Thermografie als solche ganz genau auf den Grund gehen möchten und die dazu den anfangs nicht notwendigen hohen Aufwand einer zertifizierung Stufe 1 nach ISO 9712 nicht auf sich nehmen möchten.

Technische Aklademie Esslingen 22. Oktober 2015 Kompaktkurs Elektrothermografie
Technische Aklademie Esslingen 27. Juni 2016 - 29. Juni 2016 Thermografie Zertifikatslehrgang - TAE-Zertifikat
Technische Aklademie Esslingen 25. April 2016 - 26. April 2016 Intensivkurs Elektrothermografie

Logonutzung und Hinweise auf die einzelnen Schulungen mit freundlichen Genehmigung der Technischen Akademie Esslingen. Die Kurse der Teschnischen Akademie Esslingen sind strikt herstellerneutral.

Hinweis: Ich freue mich sehr darüber, wenn die Inhalte dieser Webseite an Universitäten, Hochschulen und Schulen benutzt werden, um die Ausbildung zu begleiten. Das möchte ich ausdrücklich kostenlos gestatten, solange die Ausbildung keine komerziellen Zwecke verfolgt, ich freue mich über eine kleine Information. Bitte daran denken, das hier ist nur eine kleine Webseite und kein Thermografie-Lehrbuch.

 
Paßt Thermografie zu Ihrer Anforderung ? Reden wir miteinander:dittie(at)thermografie.de oder direkt 02244 / 9049806  (at) bitte durch @ ersetzen
 
Hinweis
Diese Webseite dient der Information, was Thermografie ist und kann keine richtige Schulung oder erst recht ein Lehrbuch ersetzen. In den Schulungen wird das ganze Know How, was hinter dieser Webseite steht, vermittelt. Ich lade Sie herzlich ein, an den Tagungen, Seminaren, Kursen und Schulungen zum Thema Thermografie, ihren Anwendungen und Einsatzgebieten teilzunehmen.

Infoecke

- Was Sie schon immer über Thermografie wissen wollten ...


 
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