Ein Thermogramm kommt selten alleine. Die moderne Wärmebildtechnik bietet viele Möglichkeiten, Aufheiz- und Abkühlungsprozesse in Natur und Technik in Zeitreihenaufnahmen festzuhalten.

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 Grundlagen und Kamerafunktionen

Was sind Zeitreihen ? Immer wenn es darum geht, nicht nur die Temperaturverteilung mit einem Thermogramm festzuhalten, sondern die Entwicklung von Temperaturen über die Zeit zu beobachten, dann liegt es nahe, aus einer Serie von Thermogrammen einen Film zu machen. Je nach Anwendungsfall kann dieser Film dann in Zeitraffer, in Zeitlupe oder auch ganz normal abgespielt werden:

Darstellung als Filmsequenz als animated GIF, Flashvideo oder AVI

Zeitreihen sind aber noch wertvoller: Weil die Abstände zwischen den einzelnen Thermogrammaufnahmen bekannt sind, kann auf Wärmeleitung, Wärmeab- und Wärmezufuhr im vermessenen Objekt geschlossen werden, eine wichtige Information für jeden Entwicklungsingenieur. Hier stehen verschiedene Auswertungsverfahren zur Verfügung:

 Diagrammdarstellungen Meßpunkt(e) über die Zeit
 3D-Gebirge aus Zeilen- oder Spaltenmessung über die Zeit
 Tabellen (Excel-Kompatibel)
Technik der Zeitreihen Zeitreihen können mit einer modernen Thermografiekamera in drei verschiedenen Weisen aufgenommen werden, die die unterschiedlichsten Anforderungen abdecken:

 Langzeitbeobachtungen mit Sekunden bis Stunden Bildabstand mit Timersteuerung
 schnelle Kurzzeitsequenzen bis zu 800 Bildern im internen Speicher der Kamera
 Die Kurzzeitsequenzen können mit der vollen kamerageschwindigkeit aufgezeichnet werden.
Kameraeigenschaften Die Kamera VarioCAM hr bieteteinen breiten Spielraum für den individuellen Zuschnitt einer Zeitreihenmessung. Die Grenzen der Aufnahmetechnik werden nur von der Speicherkapazität und dem schnellsten Rythmus der Aufzeichnung festgelegt:

 Aufzeichnungsfrequenz  50 Hertz (20 Millisekunden pro Bild)
 Abtastfrequenz Alle 0,2 / 0,4 / 0,8 Sekunden (50 / 100 / 200 Zeilen pro Bild)

 
 Maximale Auflösung: 640 mal 480 Pixel / 30 Millikelvin
 Bilder bei schnellen Sequenzen: ca 840 Bilder
 Bildanzahl bei Langzeitsequenzen:  zigtausende (hängt nur von der verwendeten Speicherkarte ab ...)

 
 Zeitabstand schnelle Aufzeichnung: ab 20 Millisekunden und vielfache davon
 Zeitabstand Langzeitsequenzen: Ab 10 Sekunden und länger
Kalibrierung Alle Zeitreihen können mit einer automatischen Rekalibrierung kombiniert werden.

Eine genaue Beschreibung der technischen Eigenschaften der Thermografiekamera findet man hier.

Planung und Service Zeitreihenaufnahmen sind ein Spezialgebiet, wo Sie auf viel Erfahrung mit den unterschiedlichsten Meßverfahren zugreifen können. Dabei ist jede Meßaufgabe entsprechend dem Ziel sehr individuell. Um Ihr Projekt optimal vorzubereiten gibt es die Angbote:

 Beratung bei Auswahl von Aufnaheabständen, Bildfeldern, Temperaturskalen
 Beratung bei Planung und Vorbereitung des Meßaufbaus
 Fertig vorbereitete Auswertungssoftware für zügige Ergebnisse
 Bei größeren Projekten oder Projekten mit experimentellem Charakter ist eine Probemessung inklusive 

Thermografie ist eine komplexe Dienstleitung von Fachingenieuren: 
Individuelle Beratung und Planung sind grundsätzlich immer mit dabei.


 Auswertung von Zeitreihen

Schnelle Sequenzen Aufheiz- und Akühlungsprozesse können sehr schnell sein. Hier reicht es, wenn eine kurze Sequenz von Bildern aufgenommen wird, die als Kurzfilm die Temperaturänderung zeigt. Für die Aufnahme von Kurzzeitsequenzen wird der in der VarioCAM hr eingebaute Speicher genutzt, in dem die Thermogramme in Echtzeit abgelegt werden.

Es stehen insgesamt bis zu 840 Bilder für eine Sequenz zur Verfügung:

 Aufnahmezeit 16,8 Sekunden mit voller Ortsauflösung und 20 Millisekunden Bildabstand
 Aufnahmezeit eine knappe Stunde mit maximalem Bildabstand von 4 Sekunden
 Die Aufnahmefrequenz kann 20 ms oder ein Vielfaches davon betragen bis maxial 4 Sekunden

Dabei bleibt das Bildformat mit 640 mal 480 Pixeln konstant. Bei sehr schnellen Bildsequenzen ist es möglich, auf den Kalibrierchopper während der Aufnahme zu verzichten, um eine Unterbrechung der Aufnahme zu vermeiden. Die kamera bleibt nach einer Temperaturangleichung an die Umgebungstemperatur bis zu meheren Minuten driftfrei.
Langzeitbeobachtung Ganz andere Vorgänge mit Temperaturveränderungen gehen so langsam vor sich, daß hier mit Zeitraffer gearbeitet wird, um die gewünschte Information zu bekommen. In genauen Abständen wird hier Thermogramm für Thermogramm von einem Startzeitpunkt ab aufgenommen. Die Anzahl der Bilder ist dabei unbedeutend, da hier genug Zeit zur Ablage auf einem externen Datenträger zur Verfügung steht. Nur die Speicherkapazität des Mediums begrenzt die Anzahl bzw. die Länge der Aufnahmereihe.

 Die Bildauflösung kann mit 640 mal 480 Bildpunkten ganz optimal gewählt werden.
 Die minimale Zeitabstand zwischen zwei Bildern beträgt ab 10 Sekunden, bedingt durch die Speicherdauer.
 Zum langen Ende gibt es keine Grenze.
Jede Serienaufnahme kann mit einem Chopperschritt zur Rekalibration kombiniert werden.
Ab einer Minute Aufnahmeabstand ist auch Auflösungsverdopplung auf 1280 mal 960 Pixel möglich
Filmsequenzen Der Mensch ist ein Augentier: Viele Prozesse werden schon durch die Darstellung als Filmsequenz klar und gegen die gewünsche Auskunft über einen zeitlichen Vorgang. Durch die Möglichkeiten moderner Multimediatechnik stehen hier viele verschiedene Formen der Darstellung zur Verfügung:

 Darstellung als animated GIF, Flashvideo, AVI oder MPEG auf DVD oder via Internet
 Darstellung als Videoclip auf Videokasette im Format Mini-DV

Dabei kann jedes Bild auch nachbearbeitet werden, z.B. durch nachträgliche Driftkompensation, Rauschfilterung oder durch spezielle Einfärbung der Thermogrammaufnahmen.
Diagramme Wenn man Trends mit genaueren Informationen über die Temperaturwerte verbinden will, bieten sich Diagramme als Darstellungsform der Ergebnisse ab. Je nach Aufgabenstellung sind hier die verschiedenen Kombinationen aus Zeit, Orts- und Temperaturskala denkbar.

 Die Temperatur an einem bestimmten Ort wird über die Zeit in einem klassischen 2D-Diagramm dargestellt.
 Gibt es mehrere Meßpunkte in einem Thermogramm, so entsteht eine Kurvenschar im 2D-Diagramm. Die einzelen Kurven können mit verscheidenen Farben markiert werden.
 Interessiert eine bestimmte Bildzeile oder -spalte im Diagramm, so bietet sich ein 3D-Diagramm in Projektion, z.B. als Gebirge an. Die drei Achsen markieren dann Zeit, Ort und Temperatur.
 Eine alternative Darstellung von zeitlichen ond örtlichen Temperaturmeßwerten ist eine Isothermendarstellung, genau wie die Höhenlinien in einer Landkarte.

Wählen Sie aus, welche Darstellung für Ihre Zwecke am geeignetsten erscheint. Ich berate Sie gerne.
Zahlentabellen Zeitreihenaufnahmen können neben einer visuellen Information auch genaue numerische Eingangsdaten für Simulationen, für Berechnungen und für weitere Auswertungen liefern. Dabei entsteht eine vierdimensionale Matrix aus Daten: Spaltenposition, Zeilenposition, Zeitpunkt, Temperatur. Weil zur numerischen Auswertung keine visuelle Vorstellung von Nöten ist, kann hier alleine das Interface zu Ihrem Auswerteprogramm das Ausgabeformat bestimmen.


 Aktive Thermografie

Grundlagen Unter aktiver Thermografie versteht man die Aufnahme von Thermogramme, bei denen die Temperaturunterschiede vorher oder während der Aufnahme von außen aktiv angeregt werden. Durch die Anregung wird eine Temperaturveränderung hervorgerufen, die dann mit einer Serie von Thermogrammen aufgezeichnet wird. Anregungsarten können sein:

Aufheizen
Abkühlen
Ansaugen oder Ausblasen von verschieden warmen Gasen (i.a. Luft)
Erzeugung von Verdunstung

Dadurch wird eine Wärmewelle im Material erzeugt. Die verschiedenen thermischen Eigenschaften im Material beschleunigen, verzögern, dämpfen und reflektieren diese Wärmewelle nun, so daß diese unterschiedlichen Zonen im Material zeitweise im Thermogramm sichtbar werden. Dabei gilt in etwa:

Je flacher ein Detail unter der Oberfläche liegt, desto deutlicher und schneller  tritt es hervor.
Tiefe Untersuchungen erfordern lange Anregung und lange Aufnahmezeiten, aber geringe Aufnahmefrequenzen
Untersuchungen flacher Schichten erfordern kurze Anregung und Aufnahmezeiten, aber hohe Aufnahmefrequenzen

Hinweis: In einfachen Fällen genügt als Auswertung, die Reihe der Thermogrammaufnahmen durchzuschauen und nach dem besten Abbildungskontrast der gewünschten Details zu schauen. Das wird aber dadurch schnell begrenzt, daß der Effekt sehr schwach sein kann und im Rauschen und anderen thermografischen Störeinflüssen untergeht. Dann sind mathematische Auswerteverfahren erforderlich, die Störeinflüsse eliminieren oder zumindest abmildern können.

Wichtig: Aktive Thermografie macht man nicht gerade mal eben so. Man muß sich schon mit den verschiedenen reaktionen auf verschiedene Anrefgungsarten und -dauern beschäftigen und die Wirkung der verschiedenen Störeinflüsse kennen. Hier sei auf die diversen Ausbildungsgänge beim VATh und der DGZfP hingewiesen sowie auf den Normentwurf der DIN 54192 zur aktiven Thermografie.

Wird eine Anregung immer wieder wiederholt, bildet sich eine stabile thermische Schwingung heraus. Hier spricht man von Lock-In-Thermografie. Wird die Anregung nur einmalig ausgeführt und anschließend die Auswertung mit Fourieranalyse ausgeführt, so spricht man von Puls-Phasen-Thermografie. Unter Blitzthermografie versteht man aktive Thermografie mit einer sehr kurzen impulshaften Anregung.
Anwendungen Die wichtigste Eigenschaft der aktiven Thermografie ist, daß man mit diesem Verfahren zerstörungsfrei etwas unter die zugängliche Oberfläche in einen Gegenstand hinein schauen kann. Typische Anwendungen sind:

Industrie Auffinden von Lunkern und Hohlräumen in Gußteilen
Nachweis von fehlstellen und Delaminationen in Faserverbundwerkstoffen
Prüfung von Schweißverbindungen
Elektrotechnik Prüfung auf Induktionserwärmung
Test von Kühlungen
Bauwesen Nachweis von Feuchtigkeit anhand höherer Wärmekapazität
Hohlraumsuche
Luftdichtheitsprüfung mit Gebläsetür
Putz- und Fliesenablösungen
Kärung des inneren Aufbaus komplexer Konstruktionen
Untersuchung von Wärmedämmverbundsystemen

Hinweis: Diese Liste ist unvollständig und auch nicht repräsentativ. Überall dort, wo Temperaturänderungen zu lokal unterschiedlichen Reaktion führen können, ist aktive Thermografie aussichtsreich. Wegen der sehr individuellen Anforedrung an Anregungsart, Anregungsdauer, Aufnahmezeit und -frequenz ist die individuelle Meßaufgabe immer vorher zu planen und zu besprechen.
Auswertung
mit Fourieranalyse
 Reicht das eigentliche Durchsehen der Aufnahmereihe nicht aus, steht mit der Foriertransformation ein mathematisch sehr wirksames Verfahren zur Verfügung, einerseits sehr schwache Details besser sichtbar zu machen, andererseits eine zumindest klassifizierende Aussage über die Tiefe einer Störung zu erhalten.

 Zur Auswertung wird für jeden Pixel aller Thermogramme der Aufnahmereihe ein Forierspektrum berechnet. Nun erhält man dadurch ein Amplitudenbild für jede Frequenz und das dazu gehörige Phasenbild:

Im Amplitudenbild ist eine Information über die Tiefe eines Details unter der Oberfläche enthalten. Flach liegende Details werden in den Bildern mit hoher Frequenz, tieferliegende bei geringeren Frequenzen sichtbar.
Das Phasenbild reduziert Störeinflüsse wie ungleiche Erwärmung oftmals stark, so daß auch sehr schwach ausgeprägte Details sichtbar werden.

Die Auswertung per Fourieranalyse ist ganz typisch für die Lock-In-Thermografie, die Blitzthermografie und insbesondere die Puls-Phasen-Thermografie.
Auswertung
der Abkühlraten		 Eine weitere Auswertungart ist die Berechnung der lokalen Abkühlraten für die einzelnen Bildpunkte im Thermogramm. Die Abkühlung folgt dabei einer Exponentialfunktion, die sich asymptotisch der Umgebungstemperatur mehr oder weniger schnell annähert:

T( t ) = TUmgebung * (TAnregung - TUmgebung) * exp( - Abkühlrate * t )

Im Resultatbild wird jeder Abkühlrate eine Helligkeit zugeordnet, so daß z.B. schnell abkühlende Stellen dunkel und langsam abkühlende hell erscheinen. adurch kann der Einfluß ungleicher Anregung sehr gut eliminiert werden.


 Aufheiz- und Abkühlprozesse von Anlagen

Zeitserienaufnahmen im industriellen Anwendungsbereich sind so zahlreich wie es Aufheizungs- und Abkühlprozesse gibt. Aufnahmedauer und Aufnahmefrequenz werden dabei nur von der Kamerakapazität und den thermischen Eigenschaften des Meßobjekts bestimmt.

Wichtig: Die optische Zugänglichkeit muß natürlich gewährleistet sein. Das macht gerade bei stark eingebauten oder eingeschlossenen Meßobjekten Probleme, weil der Wärmeaustausch mit der Umgebung bei Freilegung stark verändert wird. Solche Meßaufgaben benötigen eine vorhergehende Planung und Vorbereitung des Meßaufbaus.

In diesem Beispiel wird der Aufheizvorgang bei einem großflächigen Heizelement in einer Langzeitserie demonstriert. Temperaturverteilung, Temperaturniveaus, und die geschwindigkeiten konnten dabei in einer Serie von 60 timergesteuerten Thermogrammen mit je 5 Sekunden Abstand ganz präzise erfasst werden. Nachteilig ist hier die Aufnahme auf unbehandeltem Aluminium, was wegen des undefinierten Emissionskoeffizienten nur eine qualitative Darstellung zuläßt.
Das Beispiel für die Zeitreihenthermografie eines sehr schnellen Abkühlungsprozesses zeigt einen als Bild zusammengefügten Zeilenscan der Abkühlung eines mit Stickstoff angeblasenen Bleches. In diesem Aufbau wird die Wärmebehandlung der Prüflinge optimiert.


 Instationäre Aufheiz- und Abkühlprozesse im Bauwesen

Zeitserienaufnahmen sind auch im Bauwesen sinnvoll, gerade, wenn es um die Bauphysikalischen Auswirkunfgen von Tagestemperaturgang oder den Ein- und Abstrahlverhältnissen über die Tageszeit geht. Da gerade im sommerlichen halbjahr die Tageswerte von Strahlung und Temperatur stark schwanken, eröffnen sich hier zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für sommerliche Thermografie

Das kurze Video zeigt, wie die Sonnenenergie von den Dachpfannen durch eine in die Jahre gekommene Dachdämmung vor allem in den Mittags- und Nachmittagsstunden eindringt und die Dachräume bis zur Unerträglichkeit erwärmt. Dazu kommt noch die zeitweise Einstrahlung durch das Fenster.
Dieses Thermogramm ist zwar eine Einzelaufnahme, die aber nur dadurch möglich ist, weil sich die Wand vorher durch Sonneneinstrahlung aufgeheizt hat. Stellen mit Putzablösungen können dabei der Erwärmung schneller folgen und erscheinen wärmer. Wandteile mit starker Feuchtigkeiterwärmen sich dagegen langsamer, weil die Wärmekapazität dort höher ist.
Dieses Thermogramm ist ebenfalls eine Einzelaufnahme, die dadurch möglich ist, weil sich die Wand vorher durch Sonneneinstrahlung aufgeheizt hat. Das abbgebildete Wärmedämmverbundsystem zeigt sich am Ort der Dübel wärmer als in der übrigen Fläche, wodurch die Dübe in Anordnung und Flächendichte nachweisbar werden.


 Temperaturgänge

Tagestemperatur Ob die Änderung der Tagestemperatur zur korrekten Aufnahme eines Thermogramms oder einer thermogrammserie berücksichtig werden muß, hängt davon ab, ob die Wärmekapazität eines Gegenstands so hoch ist, daß die eigentemperatur den Tageschwankungen folgen kann oder nicht. Im Zweifelsfall ist dazu eine Zeitserienmessung über einen Tag erforderlich. Speziell im Bauwesen gibt dazu auch die ISO 13786 Auskunft.

Das Diagramm zeigt den Temperaturgang eines typischen Schönwettertags über eine Woche im Frührjahr. Rot ist die Lufttemperatur in 2 Meter Höhe, Violett in 50 cm und Blau am Boden. Das Diagramm zeigt, daß Außenanlagen und Bauwerke ganz unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, die oftmals zu berücksichtigen ist.

Quelle: Eigene Messungen

Jahrestemperatur Selbst sehr massive Objekte folgen dem sehr langsamen Jahrestemperaturgang, der immer berücksichtig werden muß:

Dieses Diagramm zeigt die Temperaturverhältnisse im Erdreich im Laufe eines Jahres in Abhängigkeit von der Tiefe unter der erdoberfläche. Das ist wichtig, die Temperaturdifferenzen z.B. durch erdberührte Wände zu beurteilen.

Quelle: "Das Klima der bodennahen Luftschichten" von R. Geiger
Das Diagramm ist die vereinfachte Form des Diagramms oben. Jetzt sind für verschiedene Tiefen die jeweiligen Jahrestemperaturgänge eingezeichnet. In größerem Tiefen, so etwa ab dem 2. Untergeschoß ist die Schwankung zwar nur noch gering, aber dafür kommt die Winterkälte erst im Frühsommer dort an, wichtig, wenn es um Kondensatbildung im Keller geht.

Quelle: "Das Klima der bodennahen Luftschichten" von R. Geiger
Klimaforschung
Wildlebende Bienen und -wespen gehören zu den vom Aussterben bedrohten Tierarten in Deutschland, hauptsächlich durch die Zerstörung ihres natürlichen Lebensraumes, wie Lehm und Sandabhänge, wie sie früher an natürlichen Flußläufen zu finden waren.  Zur Erforschung ihrer Lebensgewohnheiten sind mikroklimatische Beobachtungen ihrer Siedlungsplätze notwendig, damit die verbliebenen Siedlungsplätze erkannt und erhalten werden können.

Panorama einer natürlichen Steilwand um 9.00 Uhr

Panorama einer natürlichen Steilwand um 10.00 Uhr

Panorama einer natürlichen Steilwand um 13.00 Uhr

Panorama einer natürlichen Steilwand um 16.00 Uhr



 Abtrocknungsvorgänge


Im Bauwesen sind Zeitreihenaufnahmen gefordert, wenn es um die Beobachtung von Abtrocknungsvorgängen geht. Je nach Umgebungsfeuchtigkeit, Kapillartransport und Übergang der notwendigen Verdampfungswärme auf das Meßobjekt variiert hierbei die Abtrocknungsgeschwindigkeit. Typisch ist die längere Meßdauer und die Absicherung der IR-Kamera gegen gerätetechnisch bedingte Drift.

Diese  Thermogrammreihe zeigt die Abtrocknung von zwei zunächst gesättigt feuchten Baustoffproben innerhalb von 4,5 Tagen, wobei alle 2 Stunden ein Thermogramm automatisch per Timer ausgelöst wurde. Vor jeder aufnahme wurde die Kamera per Chopper rekalibriert, so daß die Temperaturschwankungen alleine auf die nicht ganz konstante Raumtemperatur zurückzuführen ist.


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