Industriethermografie

Die Thermografie findet in der Industrie immer mehr Anwendungen. Sei es für Forschung und Entwicklung, 
zum Check von wärmetechnischen Anlagen oder in Marketing und Werbung.


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Forschung & Entwicklung für die Industrie

Thermografie ist eine berührungslose Meßmethode, die das Objekt bei Messen in keiner Weise beeinflußt. Durch die heute übliche Genauigkeit, Ortsauflösung und Flexibilität durch Wechseloptik und Zeitreihenfunktion entstehen zahllose Einsatzfelder in der industriellen Anwendung. Die Beispiele im Folgenden sind nur als Anregung zu sehen, wie Thermografie einsetzbar ist.



Messen auf
blankem Metall
Bekanntermaßen macht das Thermografieren auf blanken Metallen erhebliche Schwierigkeiten:  Die Emission von thermischem IR-Licht ist sehr stark vom Material selber, von etwaiger Verschmutzung, von der Form und von der Oberflächenrauhigkeit abhängig. Dieses Phänomen kann man auf verschiedene Weise in den Griff bekommen:

Präparieren durch Lackieren, Beschichten, Abkleben (auch temperaturfest)
Thermische Berücksichtigung und Vorbereitung der Meßumgebung
Messung und Berücksichtigung des Emissionskoeffizienten

Wichtig: Thermografie direkt auf blanken Metalloberflächen ist aus physikalischen Gründen prinzipiell nicht möglich..

Extruder aus blankem Edelstahl im Dauerbetrieb. Um eventuelle Temperaturschwankungen in Längsrichtung sichtbar zu machen, mußte die Flanke mit hochtemperaturfestem Klebeband präpariert werden.

Hinweis: Die Wärmeabgabe einer Metalloberfläche durch Wärmeabstrahlung in die Umgebung wird durch das Präparieren beeinflußt. Die Art der Präparation muß diesen Effekt berücksichtigen.



Optimieren
von Anlagen
Thermografie nutzt den Vorteil, daß eine Anlage gleich flächig abgebildet wird und somit neben der Übersicht der temperaturverhältnisse gleichzeitig an sehr vielen Stellen gemessen werden kann. Dazu ist Thermografie auch berührungsfrei, so daß eine Temperaturmessung nicht das Meßobjekt stört und somit eine Temperaturmessung verfälscht wird.

Diese Kompressorkühlung führt nur sehr unvollkommen die Kondensatwärme auf der Hochdruckseite ab, wodurch der Druck im Kreislauf steigt und der Wirkungsgrad sinkt.
Durch Einführen eines wirksamen Kühlgebläses kann die Kondensatortemperatur und damit das obere Druckniveau zugunsten des Wirkungsgrads deutlich gesenkt werden.

Hinweis: Sehr nützlich ist auch die Zeitreihenfunktion der IR-Kamera, wenn es um Entwicklungs- und Optimierungsaufgaben geht. Beobachtungsziele sind hier:

thermische Trägheit
Totzeiten
Aufwärm- und Abkühlverhalten
thermische Schwingungen


Wärmetechnische Anlagen

Das besondere an der Thermografie ist, daß sie berührungs- und damit völlig störungsfrei innerhalb des ganz normalen Anlagenbetriebs eingesetzt werden kann. Weiterer Vorteil ist die richtige Abbildung der Temperaturwerte als Bild, dadurch werden alle Temperaturen im Sichtfeld dargestellt, Abweichungen vom Sollzustand können hier kaum übersehen werden. Typische Einsatzfelder in der Wärmetechnik sind:

Suche nach lokalen Leckagen
Überprüfung der allgemeinen Wärmedämmung
Prüfung auf Unterkühlung / Überhitzung
Sicherung der Vollständigkeit von thermischen Prüfungen



Kessel und Turbinen Kessel- und Turbinenanlagen bergen aufgrund der technisch üblichen Druck- und Temperaturniveaus Gefahrenquellen. Darüber hinaus sorgt eine unkontrollierte oder zu große Wärmeabgabe an die Umwelt Energie- und damit Wirkungsgradverluste, etwas, was die Wirtschaftlichkeit einer Anlage maßgeblich beeinflußt.

Thermografie eines neuen Gaskessels für eine Prozeßdampferzeugung. Bis auf wenige Armaturen ist der Kessel trotz Vollastbetrieb gut gedämmt.
Das Gehäuse einer älteren Kleindampfturbine dämmt trotz langer Betriebsjahre immer noch ganz zufriedenstellend. Wärmeverluste treten aber an den Wellendichtungen und an den Rohranschlüssen auf, weil hier die Isolierung einfach nicht mehr zeitgemäß ist.
Das Wellenlager eines Turbogenerators zeigt keine vom Erwartungswert abweichende Temperatur. Die Ölumlaufschmierung sorgt für eine sehr gleichförmige Verteilung der Wärme im Lagergehäuse.
Bei diesem Beispiel war zu klären, ob der beobachtete Dampfaustritt aus einem gerissenen Turbinengehäuse in einem Heizkraftwerk erfolgt: es konnte aber nur eine defekte Labyrinthdichtung an der Welle festgestellt werden, so daß die Turbine nicht ausgebaut werden mußte.



Wärmetauscher Auf der Oberfläche von Anlagen wie Wärmetauschern, Wärmepumpen oder Kondensatoren zeichnen sich die Betriebtemperaturen durch die innere Strömung der Fluide auf der Oberfläche deutlich ab. Erst eine äußere Wärmeisolierung überdeckt diese Erscheinung. Mit der Bewertung der Temperaturen auf der Anlagenoberfläche kann auf Zustand und Funktion einer wärmetechnischen Apparatur geschlossen werden.

Thermogramm einer Absorptionswärmepumpe, die etwas unzureichend wärmegedämmt ist: Oben ist der mit Fernwärme beheizte Austreiber, unten der der Kondensator zu sehen.
Thermogramm eines Kondensator für einen Dampfturbinenkreislauf: Am Enddeckel des Kondensatorkessels läßt sich sehr schön der Kondensatpegel sehen.
Thermogramm eines Wärmetauschers (Warmseite oben / Kaltseite unten ): Bis auf die nicht gedämmten Enden ist der Wärmetauscher gut isoliert, so daß der Gesamtwirkungsgrad recht hoch ist.

Hinweis:
Was im Inneren  eines Wärmetauschers vor sich geht, ist mit der Thermografie nur indirekt oder gar nicht erfahrbar. Thermografie ist ein Verfahren, das die Temperaturen der abgebildeten Oberfläche erfaßt. Gerade bei strömenden Gasen und Flüssigkeiten ist der direkte Wärmetransfer aus dem inneren einer Maschine zur Oberfläche stark gestört. Dafür erhält man aber sehr gute Informationen über die Temperaturniveaus.



Drehrohröfen und Ausmauerungen In Drehrohröfen werden teilweise extrem hohe Prozeßtemperaturen erreicht, die z.B. in der Zementindustrie bis zu 2000°C erreichen können. Um die tragenden Metallteile der Anlagen vor diesen Temperaturen zu schützen, werden diese Öfen mit feuerfesten Materialien ausgekleidet. Durch den betrieb und die Drehbewegung verschleißt diese feuerfeste Schicht teilweise ungleichmäßig. Mittels Thermografie ist es möglich, die Wirkung, Zustand und Verschleißgrad der feuerfesten Schicht im Betrieb des Ofens zu überprüfen.

Übersichtsthermogramm eines großen Zementdrehrohrofens. Die verschiedenen Temperaturzonen lassen sich in Längsrichtung gut erkennen. Wenn man genau hinschaut, so kann in der Bildsequenz die Drehung des Ofens erkannt werden, wobei hier wenig Temperaturschwankungen auftreten: Die Ausmauerung des Ofens ist noch sehr gleichmäßig.
Wird eine Thermografie zur Qualitätssicherung der Ausmauerung durchgeführt, so kann mit einer Zeitsequenz nach und nach der gesamte Umfang des Drehrohres geprüft werden.
Die beiden Thermogramme zeigen die Brennkammern eines großen Drehrohrofens für die Zementherstellung. Es treten Temperaturen auf der Oberfläche von bis zu 360 °C aus, wobei aber lokale Hot Spots fehlen.
Das Thermogramm zeigt die schon stark und ungleichmäßig abgenutzte Ausmauerung eines Zementdrehrohrofens: An den Stellen mit stark abgenutzter Ausmauerung tritt erheblich mehr Wärme aus als an noch etwas dickeren Stellen.


Instandhaltung
 
Thermografie ist für die Instandhaltung prädestiniert: Dadurch, daß ein ganzes Feld gleichzeitig mitt all seinen Details und Temperaturen abgebildet wird, ist es sehr unwahrscheinlich, eine auffallende Normabweichung, die einen Defekt anzeigt oder ankündigt, übersehen wird. Das macht den Einsatz von Thermografie gerade in der Instandhaltung besonders sicher.

Das wird mit zwei unersetzlichen Eigenschaften der Thermografie kombiniert: Durch die völlige Berührungsfreiheit und dem Fehlen jeglicher Vorbereitung befindet  sich das Prüffeld in seinem normalen Betriebszustand. Weiter sind heute Kameras auch mit großen Speicherkapazitäten ausgestattet, die die Dokumentation der Prüfergebnisse unterstützen.


Antriebstechnik
Deutlich sichtbar heißgelaufenes Lager eines großen Brennluftgebläses. Das Lager ist zwar noch nicht defekt, aber die Laufflächen sind so rauh, daß sich der Ausfall ankündigt. Mit Thermografie lassen sich auch weit entfernte oder unerreichbare Lager sicher prüfen.

Der mittlere der drei Motoren zum Antrieb der Kühlwasserpumpen einer Kühlturmanlage ist trotz gleicher Pumpenleistung deutlich erhitzt. Ursache ist hier ein deutlich erhöhter Drehwiderstand gewesen, der einen Pumpenlagerschaden andeutet.



Kühlungen und Kühltürme Gerade bei Kühlungen und Kühltürmen ist die Thermografie als Meßmittel besonders geeignet:

Kühltürme sind teilweise sehr groß, Der Meßaufwand ist ansonsten zu groß
Temperaturmessung bei schlechter Erreichbarkeit
Temperaturmessung in unzugänglicher Umgebung (Hochspannung, Temperaturbereich)

Zwei Zellenkühltürme im thermografischen Vergleich: Der rechte funktioniert ordnungsgemäß, während der linke stellenweise kalte Streifen zeigt. Ursache ist eine stellenweise Verstopfung der Wasserverrieselung im linken Kühlturm, die dessen Kühlleistung herabgesetzt hat.
Thermogramm eines Naßkühlturms für eine 5-MW-Dampfturbinenanlage. Der Kühlturm ist voll funktionstauglich, läuft aber am thermischen Auslegungspunkt.
Kühlzellen für einen größeren Lebensmittelmarkt auf einen nicht zu betretenden Bitumenpappedach: Im Thermogramm ist sofort die jeweilige Auslastung der einzelnen Kühlkreisläufe erkennbar. Insbesondere der zweite von hinten arbeitet schon am thermischen Vollastpunkt.
Das Thermogramm dokumentiert die ordnungsgemäße Funktion einer Ölkühlanlage eines großen Kraftwerkstransformators bei der Inbetriebnahme im Hochspannungsbetrieb bei 380 kV.


Fernwärmenetze

Fernwärmeleitungen zu prüfen ist so eine Sache. Denn Fernwärmeleitungen liegen in der Regel im Boden, was sie einerseits schützt, andererseits aber auch nur schwer zugänglich macht, wenn eine Störung, z.B. eine Undichtigkeit auftritt. Um Fernwärmenetze vorbeugend instand zu halten und um den Ort einer Undichtigkeit einzugrenzen, ist die Thermografie das Mittel der wahl. Denn Störungen sind mit dem Austritt von heißem Wasser verbunden, zumindest wird die Wirkung der Wärmedämmung herabgesetzt. So eine thermografische Prüfung kann auf  verschiedene Weisen durchgeführt werden:

Abgehen der Leitungen am Boden
Befliegung des Leitungsverlaufs mit dem Helikopter
Abfliegen und Prüfen des Leitungsverlaufs mittels Drohnen

All diese Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile: Das Abgehen am Boden ist natürlich die gründlichste, aber auch aufwendigste Methode. Im Gegensatz zur Befliegung kann man unter parkende Autos schauen und auch ins Gebüsch, dafür muß aber die gesamte Länge des Netzes meist zu Fuß abgegangen werden. Von einer Prüfung vom Auto aus ist abzuraten, da es sehr häufig vorkommt, daß Leitungen durch enge Wege verlaufen, die für Fahrzeuge unzugänglich sind. Die Befliegung per Helikopter bzw. Drohne ist geeignet, sehr ausgedehnte Netze zu prüfen. Nur dürfen die Leitungen nicht durch gebiete verlaufen, die eine Befliegung nicht zulassen (enge Bebauung z.B.), außerdem kann man von Flugobjekten nicht unter parkende Autos und in die Büsche schauen. Eine Befliegung alleine wird in der Regel immer unvollständig sein. Beim Helikopter kommt noch der Fluglärm und die hohen Kosten dazu.

Im Normalfall zeichnet sich eine Fernwärmeleitung im Boden nur sehr schwach ab, schließlich sollte es ja der Normalfall sein, daß die Rohre sehr gut wärmeisoliert sind. Die typische Temperaturdifferenz beträgt etwa 0,5 bis 1 Grad. Besonders kritisch wirds, wenn eine Leitung unterhalb von feuchtem Gras oder Herbstlaub verläuft. Hier ist besondere Aufmerksamkeit und eine rauscharme, hochwertige IR-Kamera erforderlich.
Wenn aber mal eine Störung auftritt, dann zeichnet sich diese in der Regel mit einem mehr als deutlichen Signal ab.
Das Thermogramm zeigt, wie eine Fernwärmeleitung sich bei einer Befliegung in geringer Höhe abzeichnet. Der Verlauf der (intakten) Fernwärmeleitung zeichnet sich ab, aber es wird auch der dämpfende Einfluß der Verlegetiefe und von mehr oder minder nassem Gras sichtbar.


Industriebauwerke und thermische Isolierung / Kühlhäuser

Bau- und Industriethermografie haben durchaus Berührungsflächen, dabei geht es nicht nur umd die simple Prüfung der allgemeinen Wärmedämmung von Bürogebäuden und Werkshallen. Gerade wenn ganze umbaute Volumen weit über oder unter der Umgebungstemperatur gehalten werden müssen, ist eine thermografische Überprüfung der Wärmedämmung notwendig:

Vermeidung einzelner Wärmelecks, die zu Kondensat oder Eisbildung führen
Ortung von Stoffaustritten
Überprüfung von Rohrleitungen mit heißen oder kalten Medien
Minimierung von Wärmeabgaben oder Kühlaufwand



Wärmeisolierungen
Viele Verfahren bedingen die Speicherung oder den Transport von Stoffen, Gasen oder Flüssigkeiten, deren Temperatur entweder weit oberhalb oder unterhalb der Umgebung leigen und die nicht unzulässig auskühlen oder aufheizen dürfen. Hier bietet sich die Thermografie alleine schon aus Gründen der Größe von solchen Anlagen an:

Vollgedämmtes Silo für Heißprodukte. Trotz eines Temperaturunterschiedes von über 100 K zwischen Inhalt und Umwelt stellen lediglich die Stahlstreben für den Umgang oben kleine Wärmebrücken dar.
Thermogramm eines Bündels von Heißdampfleitungen mit bis zu 65 bar und 300 °C. Einzige thermische Schwachstellen sind die Stahlstützen, die durch die Rohrisolierung hindurch das Gewicht der Dampfleitungen tragen.



Kühlhäuser
Kühl- und Tiefkühlhallen und -räume sind aus der Wirtschaft nicht mehr wegzudenken: Insbesondere in der Logistik, in Lebensmittel- und Pharmaindustrie sind sie weit verbreitet. Dabei liegen die typischen Innentemperaturen z.B. im Kühlbereich um den Gefrierpunkt, bei Tiefkühlhallen sogar bei -24 bis -27 °C. bedingt durch die Größe solcher Gebäude entsteht dadurch ein erheblicher Aufwand zur Kühlung. Daneben muß aber auch der eintritt von feuchter Außenluft in das Bauwerk vermieden werden, um zerstörerische Eisbildung zu verhindern.

Übersichtsthermogramm einer Kühlhalle in der Lebensmittellogistik: Deutlich sind die Blasfahnen der Verdampfer zu sehen, Wärmequelen wie lampen und Lüftermotoren, aber auch Wärmelecks wie die LKW-Ports und der luftundichte Dachanschluß.

Für eine detaillierte Großansicht bitte aufs Bild klicken ...
Bei dieser Meßaufgabe ging es darum, die Rahmenheizung bei allen Fluchttüren in einer Tiefkühlhalle auf Funktion zu prüfen. Ohne Rahmenheizung würde Kondensat zu Eis erstarren und die Tür blockieren.


Werbung & Marketing / Medienproduktion

Thermografie ist als bildgebendes Verfahren sehr plakativ, vor allem wenn man die an sich schwarzweißen Thermogramme auch noch künstlich einfärbt. Gerade das hat zusammen mit den stark gesunkenen Preisen für sehr einfache IR-Kameras für den massenweisen Einsatz  gesorgt, um Produkte zu bewerben.

Gerade hier muß aber auf die bestmögliche Bildqualität geachtet werden. Eine simple Kamera liefert nur 120 mal 80 Pixel und der mehr als knappe Informationsgehalt kann nicht durch Aufblasen und grellbunte Einfärbung gesteigert werden. Die besten derzeit verfügbaren Thermografiekameras haben eine Auflösung des Sensors von 640 mal 480 Pixeln. Diese Auflösung läßt sich aber bei statischen Motiven nochmals erhöhen, indem 4 jeweils um einen halben Bildpunkt verschobene Aufnahmen gemacht werden, was dann eine echte Auflösung von 1280 mal 960 Bildpunkten ergibt, also etwas mehr als ein Megapixel. Das hört sich immer noch wenig an, aber die Physik des Lichts läßt kaum mehr zu: Im thermischen IR ist die Wellenlänge des Lichts eben zwanzig mal so lang wie im Sichtbaren und damit ist alles ganz prinzipiell zwanzigmal unschärfer.

Videoaufnahmen sind mit Thermografie ebenfalls möglich: Die VarioCAM hr, die ich benutze, kann direkt einen normgerechten Videostrom ausgeben. Dieser erfüllt die FBAS-Norm so gut, daß das Thermovideo mit jedem Videorecorder aufgenommen werden kann, vom einfachen USB-Grabber bis hin zu einer professionellen MAZ in der Fernsehproduktion.

Die VarioCAM hr kam schon bei diversen Fernsehproduktionen des WDR Fernsehens zum Einsatz:

Einsatz im Rahmen einer Liveproduktion von "Kopfball" in der Zeche Zollverein
Studioeinsatz zur Produktion von Quarks & Co

Quarks & Co
Die Sendung mit der Maus
Kopfball
Lokalzeit Bonn und Lokalzeit Düsseldorf
Produktion der WDR-Sparshow mit Jörg Schönenborn

Eine weitere Möglichkeit ist natürlich die Erstellung von Zeitsequenzen mit Hilfe der Zeitreihenfunktion der Kamera. Hierbei steht auch die volle Auflösung der Kamera zur Verfügung. Bei all diesen Funktionen kann das Thermogramm sehr weitgehend eingefärbt werden.


 Daten und Dokumentation

Mit dem starken Preisverfall bei den Thermografiekameras hat leider auch der Trend eingesetzt, in Ausbildung und Qulitätssicherung bei Thermografieaufnahmen ebenfalls nicht mehr viel zu investieren. Gleichzeitig ist das Angebot an Billiganbietern exponentiell gestiegen. Gerade in der Industriethermografie ist es mit eben mal einem netten Thermobildchen in Briefmarkengröße nicht getan, alleine der Wert von Anlage und Produktion verbieten hier unsachgemäßes Arbeiten.



Bildqualität
Für Ihre Meßaufgabe kommt eine hochwertige Thermografiekamera zum Einsatz. Ich setze eine kalibrierte VarioCAM hr von Jenoptik mit Wechseloptik ein. 

Natürlich gibt es auch einfache Kameras, die ihren günstigen Preis dadurch erlangen, daß sie die Bildauflösung teils drastisch reduzieren und es auch mit Kalibration und Stabilität etwas hapert.Was für Polizei, Feuerwehr und Grenzschutz völlig ausreicht, reicht für eine quantitative Analyse oder schwierige Meßaufgaben nie und nimmer.



Thermogramm mit einer Hochleistungskamera mit 640 mal 480  Pixeln aufgenommen. Sehr schnell wird im scharfen Überblick sichtbar, wo in der anfänglich verwirrenden Vielfalt von Anlagenteilen heiße, nicht oder nur schlecht isolierte Bauteile sitzen.


Die gleiche Dampfturbine nochmals mit einer "preiswerten" Kamera mit 160 mal 120 Pixeln Auflösung, dafür aber schön bunt. Man muß hier schon systematischer arbeiten und vor allem darf man hier nichts beim unvermeidlichen Abscannen auslassen. (Maßstab identisch mit Beispiel oben)

Neben der hohen örtlichen Auflösung von 640 * 480 Bildpunkten (1280 * 960 bei statischen Motiven im Super resolution modus) dient auch das sehr geringe Rauschen und damit der hohen thermischen Auflösung von 30 Millikelvin der Bildqualität. Wichtig ist auch die thermische Stabilisierung der Kamera, so daß die Verläßlichkeit der Meßwerte auch über einen längeren Zeitraum gewährleistet werden kann.



Dokumentation und Auswertung
Keine Thermografie ohne Auswertung: Je nach Aufgabe wird die Dokumentation nach den individuell vereinbarten methoden vorgenommen. Dabei existieren aber einige verbindliche Standards, die die Auswertung und Dokumentation sowie die Durchführung in der Qualität sichern:

Die Thermografierichtlinien des Verbands für angewandte Thermografie VATh e.V.
Die DIN 54190 zur Dokumentation von Thermogrammen
Die DIN 54192 für die Thermografie von elektrischen Anlagen
Der Entwurf DIN 54192 für die aktive Thermografie

Die Lieferung der Auswertungergebnisse kann per Datenstrom, auf CD / DVD und auf Papier erfolgen. Typisch für Industrieanwendungen ist die interaktive Auswertung und Dokumentation zwischen Thermografieexperten und Aufraggeber. Das ist vor allem bei kleinen und mittelständischen betrieben wichtig, weil eine eigene Kamera im Haus einen unwirtschaftlichen Aufwand bedeutet.


 Wenn Sie mehr über Thermografie lernen wollen:

Lehrgänge  mit
Georg Dittié

Wenn Sie sich wirklich tief in die Thermografie einarbeiten möchten, ist es empfehlenswert, einen Kurs zu besuchen. In einer kleinen Liste wird das Angebot  der Teschnischen 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.

Technische Aklademie Esslingen 16. - 17. November 2015 Thermografie in der industriellen Praxis
Technische Aklademie Esslingen 29. Juni 2015 - 01. Juli 2015 Thermografie Zertifikatslehrgang - TAE-Zertifikat

Logonutzung und Hinweise auf die einzelnen Schulungen mit freundlichen Genehmigung der Technischen Akademie Esslingen


Beantwortet das Ihre Fragen ? Reden wir miteinander: dittie(at)thermografie.de oder direkt 02244 / 90 49 806  (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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