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Funktionsweise und Anwendungsgebiete von Wärmebildkameras

„Jetzt Energie sparen!“, wirbt die Volksbank Osnabrück und bietet zum Vorzugspreis von 100 Euro an, mit ihrer Wärmebildkamera Schwachstellen an Wohnhäusern zu identifizieren. Neben dieser Bauthermografie haben sich in den vergangenen Jahren zahlreiche neue Anwendungsgebiete dieser eigentlich für den militärischen Bereich entwickelten Technologie aufgetan: In der Industrie werden Wärmebildkameras bei der Prüfung elektrischer Anlagen verwendet, in der Medizin zur Lokalisierung örtlicher Entzündungsherde. Die Feuerwehr spürt mit ihrer Hilfe Glutnester und Personen in verrauchten Gebäuden auf, und Autohersteller erweitern ihre Fahrassistenzsysteme mit dieser Technologie, um für mehr Sicherheit bei Nacht zu sorgen. Das thermografische Verfahren basiert bei allen Anwendungen auf dem identischen Prinzip: Die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung eines Körpers oder Objektes wird sichtbar gemacht. Die erfassten, unterschiedlichen Temperaturverteilungen liegen zuerst in Graustufen vor, bevor sie von der Wärmebildkamera mittels Falschfarbendarstellung eingefärbt werden, um für den Betrachter unterscheidbar zu werden. Dabei werden meist die hellsten und damit wärmsten Teile eines Bildes weiß, die mittleren Temperaturen gelb und rot und die dunklen und damit kältesten Bildteile in Blautönen dargestellt. Auch wenn dieses Verfahren in allen Wärmebildkameras zur Anwendung kommt, unterscheiden sich die Produkte für Sicherheitsanwendungen natürlich erheblich, zum Beispiel von einer Wärmebildkamera für die Gebäudethermografie, da sie wesentlich leistungsfähiger sein müssen. Unterschieden wird in Thermografiekameras mit gekühlten und ungekühlten Detektoren.

Insbesondere bei der Flächenüberwachung leisten Wärmebildkameras wertvolle Dienste.

Gekühlte und ungekühlte Thermografiekameras
Gekühlte Infrarotdetektoren sind in einem vakuumversiegelten Gehäuse untergebracht und werden kryogenisch gekühlt, d.h. dass die Arbeitstemperatur sehr niedrig sein muss; typischerweise liegt sie zwischen 4 Kelvin und 110 Kelvin, also zwischen -270° Celsius und -160° Celsius. Durch diese kryogenischen Temperaturen sind die Detektoren sehr viel kälter als die zu beobachtenden Objekte. Dadurch erhöht sich die thermische Empfindlichkeit des Systems und somit die Temperaturauflösung. Detektoren ungekühlter Wärmebildkameras arbeiten hingegen bei Umgebungstemperatur. Bei Aufheizung des Detektors durch Infrarotstrahlung werden Änderungen von Spannung, Widerstand oder Stromstärke gemessen und anschließend mit den Werten der Betriebstemperatur verglichen. Anhand dieser Werte werden die aufgenommene Strahlungsmenge und damit die Temperatur ermittelt. Bei welchen Anwendungen lohnt der Einsatz eines gekühlten Systems, wann ist eine ungekühlte Wärmebildkamera ausreichend? Denn die Kosten für Anschaffung und Wartung einer gekühlten liegen beträchtlich über denen einer ungekühlten Kamera. So muss zum Beispiel der Kryokühler, der für die extrem niedrigen Temperaturen sorgt, alle 8.000 bis 10.000 Betriebsstunden vollständig instand gesetzt werden. Bei einem Ausfall des Kryokühlers ist die Kamera nicht mehr betriebsbereit. Der Vorteil gekühlter Systeme ist die extreme Sensitivität, mit der sich auch kleinste Temperaturunterschiede zwischen Objekten erkennen lassen. Sie eignen sich daher insbesondere für Anwendungen, bei denen Objekte auch über weite Entfernungen erkannt werden sollen. Dies ist zwar prinzipiell auch mit ungekühlten Wärmebildkameras möglich; allerdings nehmen die Kosten für das verwendete Objektiv bei ungekühlten Systemen mit höheren Brennweiten stetig zu, so dass ab einer erforderlichen Brennweite von 350mm der Einsatz einer gekühlten Kamera effizienter ist.

Reichweiten bei Nacht und Nebel
Die Frage nach der Reichweite einer Wärmebildkamera wird wohl am häufigsten gestellt – und sie ist auch eine der Wichtigsten. Schließlich muss man sich auf die Leistung der eingesetzten Kamera verlassen können, wenn man zuverlässig Bedrohungen erkennen will. Bei der Bestimmung der potenziellen Reichweite sind zahlreiche Variablen zu berücksichtigen. Neben der eingesetzten Kamera, dem Objektiv und den Wetterverhältnissen ist vor allem entscheidend, welches Ziel ich mit dem „Sehen“ eines Objektes oder einer Person verfolge. Will ich ein Objekt lediglich entdecken, ohne wissen zu müssen, was sich dahinter verbirgt? Oder will ich auch erkennen, ob es sich um eine Person oder ein Auto handelt? Und zu guter Letzt: Will ich auch identifizieren, welche potenzielle Handlung von der Person oder dem Objekt ausgeht, kurz, ob es sich um „Freund oder Feind“ handelt? So lässt sich zum Beispiel ein Fahrzeug in einer Größe von 2,3 Metern mit einem 140mm Objektiv bereits in 5,8 Kilometern Entfernung entdecken, in 1,6 Kilometern erkennen, aber erst in 800 Metern identifizieren. Verwendet man eine 19mm Optik ändern sich die Entfernungen drastisch: 880 Meter entdecken, 230 Meter erkennen, 110 Meter identifizieren, lauten dann die Werte. Welche Auswirkungen haben Nebel oder starker Regen auf die Entfernungen? Prinzipiell können Wärmebildkameras durch Nebel und Regen sehen, aber die Entfernung wird durch die Wetterbedingungen nachhaltig beeinflusst. Denn je weiter ein Signal bis zur Kamera zurücklegen muss, um so mehr kann durch ungünstige Wetterverhältnisse verloren gehen, da die Wassertropfen im Nebel und Regen das Licht zerstreuen. Bei Nebel der Kategorien I und II nach der Klassifizierung der International Civil Aviation Organization (ICAO) mit einer Sichtweite von 1.220 bzw. 610 Metern liefern Wärmebildkameras bessere Ergebnisse als herkömmliche Kameras. Bei einem Nebel der Kategorie IIIa (Sichtweite 305 Meter) bw. IIIc (92 Meter) gibt es in der Leistungsfähigkeit keinen Unterschied mehr.

Welches Ziel wird mit dem „Sehen“ eines Objektes oder einer Person verfolgt: identifizieren – erkennen – oder lediglich entdecken?