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Wärmebildkameras auf Messgenauigkeit, Auflösungsvermögen und Verzeichnung überprüfen

(Bachelorarbeit von Sebastian Döring)

Einleitung

Mit dem Einsatz von Wärmebildkameras ergibt sich die sehr komfortable Möglichkeit, Wärmeverteilungen an Objekten flächenmäßig sichtbar zu machen. Der Messbereich einer heute üblichen Wärmebildkamera (ca. 8-14 µm) weist einen Toleranzbereich von +/-2 K oder 2 % vom Messbereichsendwert auf. Das ist wesentlich schlechter als ein ordentliches Temperaturmessinstrument. Doch eine noch größere Unsicherheit liegt im Emissionsgrad, der von der Struktur verschiedener Oberflächen abhängig ist und zwischen 0 und 1 liegt, wobei 1 den Schwarzen Strahler darstellt. Für alle anderen Oberflächen liegt er zwischen > 0 und < 1. Auch spielen in einem gewissen Rahmen Luftfeuchtigkeit, Umgebungstemperatur und Entfernung des Objektes eine Rolle.

Untersuchung

Ziel dieser Bachelorarbeit war die Temperaturgenauigkeit, das Auflösungsvermögen von Wärmebildkameras und die optische Verzeichnung mit geeigneten Untersuchungsmethoden zu erfassen. Dafür wurde drei Szenarien entwickelt:

Temperaturgenauigkeit

Für diesen Aufbau wurde ein Peltierelement ausgewählt und auf ca. 80°C erhitzt. Die Kontrolle erfolgte über ein PT1000 Temperaturfühler. Für eine stabile Temperaturanzeige mussten Peltierelement und Gleichstromnetzteil mindestens 20 min warmlaufen, um ein wegdriften zu verhindern. Für eine absolute Temperaturmessung spielen die Fehlerangaben eine große Rolle. Sollen jedoch die Ergebnisse nur mit einem anderen Gerät verglichen werden, können auch die relativen Vergleiche ausreichen.

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Abb. links: Messaufbau zur Temperaturmessung mit einem Peltierelement. Auf der Abstrahlungsfläche (rechts) des Bildes klebt ein Emissionsklebeband mit einem Wert von 0.95. Rechts: Die Temperatur wird auf dem Emissionsklebeband ermittelt.


Optische Auflösung

Für die optische Auflösung wurde eine Luftspule auf einem Acrylträger ausgewählt. Nach der Erwärmung der Spule konnten die einzelnen Windungen ausgezählt werden. Varianten waren bei gleicher Windungszahl die Abstände verändern, bis eine Auszählung unmöglich erschien oder bei gleichem Abstand den Windungsdurchmesser variieren. Diese Methoden eignen sich besonders für den Vergleich von verschiedenen Kameras in ihren Qualitätsmerkmalen.

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Abb.: Luftspule mit Markierung zum leichteren Auszählen der Windungsanzahl. Drahtdurchmesser 2 mm

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Abb. links: Eindeutige Auflösung der Windungen. Rechts: Trotz der Hilfsmarkierung kann die Windungszahl nicht mehr ermittelt werden.

Optische Verzeichnung durch das Objektiv

Die Abbildungen mit kissen- oder tonnenförmiger Verzeichnung zeigen die Änderungen im äußeren Randbereich durch das Objektiv. Dort ist die Abweichung am größten. Kissenförmige Verzeichnungen treten im Zoomobjektiven und tonnenförmige bei Weitwinkelobjektiven auf. Da herkömmliche Wärmebildkameras oft mit einem Weitwinkel Objektiv ausgestattet sind, tritt bei fehlender Korrektur eine tonnenförmige Verzeichnung auf. Für diesen Zweck wurde ein Stahldraht auf einer optischen Bank waagerecht eingespannt und erwärmt. Die Positionierung des Drahtes erfolgte in dem oberen Randbereich des Sichtfeldes der Kamera bzw. des Objektives und konnte bzgl. der Verzeichnung an den äußeren Rändern des Objektiesv beurteilt werden. [1]

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Abb. links: Gespannter und erwärmter Stahldraht (2 mm). Rechts: Die Verzeichnung vom Objektiv ist deutlich zu erkennen.


Quellen

[1] Zeiss. Url.:




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