Wärmebilder erstellen

Ratgeber: Wärmebilder erstellen

Wie kann man gute, aussagekräftige Wärmebilder erstellen? Die Autorin Christiane Buchgeister lüftet das Geheimnis guter thermographischer Aufnahmen. Paxisnah und mit vielen anschaulichen Beispielen bringt sie uns die Thermografie näher.

Wärmebilder erstellen Profis mit  professionellen Wärmebildkameras. Diese haben sich in den letzten Jahren in vielen Branchen verbreitet. Ihre Handhabung ist vermeintlich einfach, ein Wärmebild ist schnell gemacht. Dieses wird dann ebenso schnell einem Untersuchungsbericht, beispielsweise über die Untersuchung einer elektrischen Anlage oder eines Gebäudes, als Nachweis der durchgeführten Arbeit oder gefundener Fehler und Abweichungen beigefügt. Gerne wird dabei vergessen, dass ein Bild, das als Nachweis oder gar Beweis, etwa vor Gericht, dienen soll, bestimmten Anforderungen standhalten muss. Mit einem schnellen Schnappschuss ist es nicht getan, doch was macht nun ein wirklich gutes Wärmebild aus?

Thermografie

Während der praktischen Übungen in unseren Thermografieschulungen stelle ich immer wieder fest, wie schwer sich manche Teilnehmer tun, Ihre Kamera optimal für die jeweilige Aufgabe einzustellen. Nicht jeder hat einen Hintergrund als Hobbyfotograf – zum Vergleich der Thermografie mit der Fotografie im nächsten Abschnitt mehr – und um ein gutes und aussagekräftiges Wärmebild aufzunehmen, sind sowohl Hintergrundwissen als auch dessen praktische Anwendung wichtig. Somit ist es nicht verwunderlich, dass immer wieder, und vor allem von nicht ausgebildete Thermografen, Berichte mit Wärmebildern produziert werden die jeder Aussage entbehren oder gar falsche Rückschlüsse untermauern und eigentlich nur für den Papierkorb geeignet sind.

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Erschreckenderweise finden sich solche Berichte nicht nur in kleinen Firmen, in denen die Thermografie nur eine begleitende „Nice to have“ Funktion erfüllen, sondern auch in großen Betrieben, bei denen diese Berichte Bestandteil z. B. der Prozesskontrolle oder des Unterhaltsprogrammes sind. Ich sehe vor allem zwei mögliche Ursachen dafür. Entweder weiß der Anwender nicht, was ein gutes Wärmebild ist und wie er es aufnehmen kann, oder es wird – aus welchen Gründen auch immer – nicht sorgfältig gearbeitet.

Gute Wärmebilder

Einer befreundeten Profi-Fotografin habe ich die Frage gestellt, was ihrer Ansicht nach ein gutes Bild kennzeichnet. Sie nannte daraufhin drei Punkte als die Wichtigsten:

  1. Es muss etwas anrühren, d.h. es muss ungewöhnlich, auffällig, oder besonders sein, das Interesse und je nach Genre auch Gefühle weckt.
  2. Die Komposition und das Gleichgewicht müssen stimmen, Bildausschnitt und -inhalt müssen ästhetisch zusammenpassen.
  3. Die Belichtung muss interessant sein, entweder ein Gegenlicht oder schattenwerfendes Seitenlicht, Abendlicht oder angenehm ausgeleuchtet – einfach passend zur Gesamtaussage.

Inwieweit gelten diese Aussagen nun für die Thermografie? Das Motiv soll auch beim Thermografieren interessant sein, oder anders formuliert – wir haben Interesse an einem Objekt oder dessen Zustand, welcher abgebildet werden soll. Emotionen sind eher nicht gefragt –im Wärmebild stehen Fakten im Vordergrund, sofern es sich nicht um Kunstprojekte handelt. Im Arbeitsalltag geht es um die deutliche Darstellung von Wärmemustern und die Möglichkeit der Temperaturmessung.

Auch das Thermogramm muss einen geeigneten Bildausschnitt aufweisen und das Objekt in geeignete Größe und Position abbilden. Ohne Belichtung ist visuelles Sehen und auch das Fotografieren nicht möglich, da hierbei Reflexionen wahrgenommen werden. In der Thermografie nimmt die Kamera sowohl emittierte als auch reflektierte Strahlung auf. Somit ist das Verhältnis und die Intensität sowohl der vom Objekt abgegebenen und als auch der aus der Umgebung stammenden Infrarotrotstrahlung wichtig. Helligkeit und Kontrast im Bild werden durch Anpassen des gezeigten Temperaturintervalls angepasst.

Fotografie vs. Thermografie

Auf einige Schlagwörter reduziert lässt sich der Vergleich von Fotografie und Thermografie in einer Tabelle zusammenfassen:

Fotografie Thermografie
Interessantes Motiv Das zu untersuchende Objekt
”Erzählt eine Geschichte” ”Stellt Fakten dar”
Ästhetisch ansprechend Deutliche Wärmemuster
Emotional Sachlich
Bildausschnitt Bildausschnitt
Fokus Fokus
Belichtung Emission und Reflexion
Helligkeit Helligkeit
Kontrast Kontrast

Wie in der Fotografie gibt es auch in der Thermografie zahlreiche Möglichkeiten ein aufgenommenes Bild nachzubearbeiten, sofern es als radiometrisches Bild gespeichert wurde. Doch nicht alle Einstellungen sind veränderbar und somit sind auch nicht alle Aufnahmefehler reparabel.

 

Grundlagen für ein gutes Bild
1. Fokus

Ein professionelles Wärmebild ist immer fokussiert und scharf. Das Objekt und das Wärmemuster müssen klar und deutlich zu erkennen sein.

Wärmebilder erstellen

Auf diesem nicht fokussierten Bild ist nur eine diffuse ”Wärmewolke” erkennbar.

 

Dieses fokussierte Bild zeigt deutlich, welches Objekt betrachtet wird, und wo es warm ist.

Dieses fokussierte Bild zeigt deutlich, welches Objekt betrachtet wird, und wo es warm ist.

 

Ein unscharfes Wärmebild wirkt nicht nur unprofessionell und erschwert die Identifizierung des Objektes und der Fehlerstelle, es verursacht zudem Messfehler, die umso gravierender sind, je kleiner das Messobjekt ist. Auch wenn alle anderen Parameter richtig eingestellt sind, werden die Messwerte eines nicht fokussierten Wärmebildes mit hoher Wahrscheinlichkeit falsch sein.

 

Fokussiertes Wärmebild mit Maximaltemperatur Tmax=89,7 °C

Fokussiertes Wärmebild mit Maximaltemperatur Tmax=89,7 °C

 

Gleiches, aber nicht fokussiertes Wärmebild mit Maximaltemperatur Tmax = 73,7 °C.

Gleiches, aber nicht fokussiertes Wärmebild mit Maximaltemperatur Tmax = 73,7 °C.

 

Selbstverständlich spielt auch die Größe der Detektormatrix bei der Bildqualität eine Rolle. Bilder von Kameras mit kleineren Detektoren (d.h. mit weniger Pixeln) sind unschärfer oder „grober“ und es entsteht leicht der Eindruck, sie seien nicht fokussiert. Dabei ist auch zu beachten, dass nicht jede Kamera fokussiert werden kann, und in diesem Falle der Abstand vom Objekt die einzige Fokussiermöglichkeit darstellt.

 

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Derselbe Heizkörper aus derselben Entfernung mit denselben Einstellungen aufgenommen mit drei verschiedenen Wärmebildkameras: FLIR C2 (oben), FLIR T440 (Mitte) und FLIR T640 (unten).

 

2. Temperaturmessbereich

Bei handgehaltenen ungekühlten Mikrobolometerkameras ist die „Belichtungszeit“ durch die Bildwiederholfrequenz sozusagen voreingestellt. Somit kann nicht frei gewählt werden wie lange, und damit wieviel, Strahlung auf den Kameradetektor fällt. Deshalb muss ein passender Temperaturmessbereich gewählt werden, der der einfallenden Strahlungsmenge entspricht. Bei Auswahl eines zu niedrigen Temperaturmessbereichs wird das Bild übersättigt, da Objekte höherer Temperatur mehr Infrarotstrahlung abstrahlen als kältere Objekte. Wir ein zu hoher Temperaturmessbereich gewählt, ist das Wärmebild sozusagen „unterbelichtet“ und wird undeutlich, wie Sie in der Abbildung unten sehen.

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T440 mit den Temperaturmessbereichen -20 bis +120 °C (oben), 0 bis +650 °C (Mitte) und +250 bis +1200 °C (unten). Alle anderen Einstellungen sind unverändert.
Für eine Aufnahme bzw. Temperaturmessung sollte daher der niedrigste mögliche in der Kamera verfügbare Temperaturmessbereich gewählt werden. Gleichzeitig muss dieser die höchsten Temperaturen im Bild abdecken.

 

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Aufnahme desselben Objektes mit verschiedenen Temperaturbereichen: -20 bis 120 °C (oben) und 0 bis 650 °C (unten). Die Temperatur im oberen Bild wird mit einer Warnhinweis (roter Kreis mit weißem Kreuz) angezeigt, da dieser Messwert außerhalb des kalibrierten Bereichs liegt. Je nach Kameramodell und Einstellungsmöglichkeiten können über- bzw. untersteuerte Bereiche auch mit einer Kontrastfarbe angezeigt werden.

 

3. Bildausschnitt und Abstand zum Objekt

Der Ausleuchtung in der Fotografie entspricht das Zusammenspiel von Objektstrahlung und reflektierter Umgebungsstrahlung, wobei letztere stört und zumindest Punktreflexionen vermieden werden sollten. Dies geschieht durch Aufsuchen einer geeigneten Aufnahmeposition. Diese sollte auch so gewählt sein, dass auf dem Bild das Objekt von Interesse zu sehen ist und nicht verdeckt wird. Dies mag selbstverständlich erscheinen, doch gerade im Gebäudebereich habe ich schon viele Berichte gesehen, in denen die zu untersuchenden Leitungen oder Fenster von Sofas, Zimmerpflanzen oder Gardinen verdeckt waren. Die folgende Abbildung illustriert diesen doch viel zu oft vorkommenden Fall.

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„Thermografische Untersuchung“ eines nicht zugänglichen Objektes.

 

Wichtig ist auch, dass das zu untersuchende Objekt, bzw. dessen interessanten Bereiche das Wärmebild ausfüllen. Dies gilt vor allem bei der Temperaturmessung von kleinen Objekten. Der Messfleck eines einzelnen Detektors muss vom Objekt vollständig ausgefüllt sein, um korrekte Temperaturmessung zu ermöglichen. Da das Bildfeld und damit die Messfleckgröße durch die Entfernung zum Objekt und die Optik definiert sind, muss in diesen Fällen der Abstand zum Objekt verringert werden („näher ran!“) oder ein Teleobjektiv gewählt werden.

Zu- und Rücklaufleitungen von Heizkörpern in einem Großraumbüro. Das linke Bild wurde aus 1 m Entfernung aufgenommen, der Messfleck ist ausgefüllt und die Temperaturmessung korrekt. Das rechte Bild wurde aus 3 m Entfernung aufgenommen, der Messfleck ist nicht vollständig ausgefüllt und die gemessenen Temperaturwerte sind falsch: 31,4 und 24, 4 °C statt 33,2 und 25,9 °C.

Zu- und Rücklaufleitungen von Heizkörpern in einem Großraumbüro. Das linke Bild wurde aus 1 m Entfernung aufgenommen, der Messfleck ist ausgefüllt und die Temperaturmessung korrekt. Das rechte Bild wurde aus 3 m Entfernung aufgenommen, der Messfleck ist nicht vollständig ausgefüllt und die gemessenen Temperaturwerte sind falsch: 31,4 °C und 24, 4 °C statt 33,2 °C und 25,9 °C.

 

Die Veränderlichen – Bildoptimierung und Temperaturmessung
1. Level und Span

Nach Wahl des geeigneten Messbereiches (siehe Abschnitt 2) erfolgt die Feinjustierung von Kontrast und Helligkeit im Wärmebild durch das Anpassen des angezeigten Temperaturintervalls. Im manuellen Modus können die in der Palette verfügbaren Falschfarben gezielt auf die Temperaturen des Objektes von Interesse verteilt werden. Im automatischen Modus wählt die Kamera dagegen die kälteste und wärmste scheinbare Temperatur im Bild als untere und obere Grenze des momentan angezeigten Temperaturintervalls.
Eine gute, d.h. problemspezifische Skalierung des Wärmebildes ist ein wesentlicher Schritt bei der Interpretation des Bildes und wird leider häufig unterschätzt!

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Wärmebild im automatischen Modus (oben) und im manuellen Modus (unten). Das angepasste Temperaturintervall erhöht den Kontrast im Bild und lässt die Fehlstelle deutlich werden.

 

2. Paletten und Isotherme

Paletten stellen Intervalle mit jeweils gleichen scheinbaren Temperaturen in unterschiedlichen Farben dar. Sie übersetzen also eine bestimmte Strahlungsintensität in eine spezifische Farbe. Häufig verwendete Paletten sind die Grau-, Eisen- und Regenbogenpalette. Grautöne sind besonders geeignet, um kleine geometrische Details aufzulösen aber weniger gut für die Anzeige kleiner Temperaturunterschiede. Die Eisenpalette ist sehr intuitiv und damit auch für Laien leicht zu verstehen. Sie bietet eine gute Balance zwischen geometrischer und thermischer Auflösung. Die Regenbogenpalette ist bunter und wechselt zwischen dunklen und hellen Farben. Dadurch ergibt sich ein starker Kontrast, welcher bei Objekten mit unterschiedlichen Oberflächen oder vielen unterschiedlicher Temperaturen zu einem sehr unruhigen Bild führen kann.

 

Graustufen-, Eisen- und Regenbogenpalette.

Graustufen-, Eisen- und Regenbogenpalette.

 

Die Isotherme ist eine Messfunktion, die ebenfalls ein bestimmtes Intervall gleicher scheinbarer Temperatur, bzw. Strahlungsintensität in einer – von den Palettenfarben abweichender – Farbe darstellt. Mit ihr können Wärmemuster im Bild noch deutlicher hervorgehoben werden.

 

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Übergang zwischen dem alten (links im Bild) und neueren (rechts im Bild) Teil des Gebäudes. Die Isotherme verdeutlicht den Bereich der Luftleckage.

3. Objektparameter

Nicht nur das Wärmebild und seine visuelle Darstellung können bei radiometrisch gespeicherten Bildern nachbearbeitet werden. Es ist auch möglich, die Einstellungen zu ändern, die relevant für die Berechnung der Temperaturen sind. Für die Praxis heißt das, dass z.B. der Emissionsgrad und die reflektierte scheinbare Temperatur in Nachhinein geändert werden können. Sollte man feststellen, dass diese Parameter falsch eingestellt waren oder möchte man später weitere Messpunkte auf anderen Oberflächen hinzufügen, so werden die Temperturmesswerte im Bild den Änderungen entsprechend neu und richtig berechnet.

 

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Ändern des Emissionsgrads am gespeicherten Bild. Die Maximaltemperatur beträgt im oberen Bild 65,0 °C bei e=0,95 und im unteren Bild 77,3 °C bei e=0,7.

Aufnahme – Hinweise für die Praxis

Die folgende Liste sammelt einige Tipps für die Praxis. Bitte beachten Sie, dass sie jedoch keine vollständige Verfahrensbeschreibung darstellt.

  • Vergewissern Sie sich, dass die Kamera radiometrische Bilder aufnimmt.
  • Wählen Sie eine geeignete Aufnahmeposition:
  • Beachten Sie die Strahlungsverhältnisse.
  • Überprüfen Sie, dass das Objekt frei sichtbar ist und in angemessener Größe und Position abgebildet wird.
  • Überprüfen Sie den Temperaturmessbereich und achten Sie darauf, dass er weiterhin passend gewählt ist, falls Sie den Emissionsgrad ändern.
  • Fokussieren Sie.
  • Verwenden Sie ein Stativ für eine Aufnahme ohne Verwackeln.
  • Führen Sie eine thermische Bildoptimierung durch
  • Notieren Sie Objektbezeichnung, Objektgröße, tatsächliche Entfernung, Umgebungsbedingungen und Betriebsbedingungen.

Das Bearbeiten des Wärmebildes ist am Einfachsten am gespeicherten oder „eingefrorenen“ Bild. Da Sie also nicht alles direkt vor Ort machen müssen, können Sie Gefahrenbereiche direkt nach der Aufnahme schnell verlassen. Nehmen Sie, wenn möglich, lieber einige Bilder mehr auf als eines zu wenig – auch aus unterschiedlichen Richtungen. So können Sie später bei der Auswertung in Ruhe das Beste aussuchen.

Fazit

Um ein gutes Wärmebild aufzunehmen bedarf es keiner Zaubertricks. Solides Handwerk und sauber ausgeführte Arbeit reichen aus. Viele der erwähnten Punkte mögen trivial klingen und – vor allem Hobbyfotografen – schon lange bekannt sein. Selbstverständlich spielt die Ausrüstung eine gewisse Rolle. Mit besseren, sprich hochauflösenden, Kameras können auch kleine Abweichungen schnell lokalisiert werden und ohne Fokussierungsmöglichkeit ist es schwieriger ein scharfes Bild aufzunehmen. Dennoch sind hochwertige Kameras keine Garantie für gute Bilder, wenn schlecht gearbeitet wird. Die Grundlage für gutes und professionelles Arbeiten sind Ausbildung und Training im Bereich Thermografie, Austausch mit anderen Thermografen und natürlich die eigene praktische Erfahrung.

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