Thermografie: Fotografie für Wärme

 Physikalisches Prinzip - Bildliche Darstellung - Einschränkungen des Messverfahrens

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Wärmeverluste von Gebäuden und technischen Installationen sind praktisch immer mit erhöhten Temperaturen von Oberflächen verbunden. Diese sichtbar zu machen ist eine der Hauptaufgaben von Thermografie.

Seien es Wärmebrücken wie ein Fenstersturz oder eine ungedämmte Fensterlaibung, ausströmende Warmluft an Luftlecks oder stark erwärmte Geräte der Haustechnik - überall gibt die Thermografie wertvolle Hinweise für die Behebung größerer und kleinerer Schwachstellen.

Besonders nützlich ist Thermografie auch für die Bauabnahme, besonders in Verbindung mit einer Messung der Luftdichtheit (Blower Door Messung). Kritische Undichtheiten werden sehr zuverlässig mit dieser Methode aufgespürt.

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 Physikalisches Prinzip:

Jeder Körper der belebten und unbelebten Welt gibt Strahlung an seine Umgebung ab. Seine Oberflächentemperatur und deren Fähigkeit, Strahlung auszusenden, bestimmen die Wellenlänge und Intensität der abgegebenen Strahlung.
Heiße Körper wie die Sonne mit einer Oberflächentemperatur von ca. 5000°C geben dabei vor allem Strahlung im Bereich von ca. 0,5 µm Wellenlänge ab (1 Mikrometer = 0,000 001 m). Diese Strahlung erkennt das menschliche Auge als Licht verschiedener Farben, entsprechend den verschiedenen Wellenlängen. Gelbes Licht hat eine Wellenlänge von ca. 0,55 µm, blaues und ultraviolettes Licht ist kurzwelliger, rotes und infrarotes Licht ist langwelliger. Sonnenlicht enthält auch Anteile von infrarotem Licht, allerdings in geringerem Umfang.

spektrum-thermografie.jpgWeniger heiße Körper wie z.B. menschliche Körper oder auch Gebäude geben vor allem Infrarotstrahlung im Bereich von 8 - 14µm Wellenlänge ab.

Thermografie: ein "monochromes" fotografisches Verfahren:

Die Thermografie ist ein fotografisches Verfahren zur Abbildung der Intensität (Stärke) solcher Infrarotstrahlung im Spektralbereich von ca. 8 - 14 µm. Dabei kann aber nur die Intensität der Strahlung gemessen werden, eine Unterscheidung von Wellenlängen oder „Farben" ist in diesem Bereich nicht möglich. Die bunten Bilder sind Wege, die Messwerte anschaulich darzustellen, in der physikalischen Realität der Thernografie gibt es keine solchen Farben!

Bildliche Darstellung:

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Ein und die selbe Farbskala wird zur Darstellung ganz unterschiedlicher Temperaturbereiche verwendet. Die Angabe der Farbskala mit dem Bild ist zur Beurteilung unverzichtbar!

Aus den gemessenen Strahlungsintensitäten wird in einem komplizierten Verfahren eine Temperatur der beobachteten Objektpunkte errechnet, die dann wieder zu einem Bild zusammengesetzt werden. Zur Veranschaulichung werden diese Temperaturwerte farbig dargestellt. Eine häufig verwendete Farbskala ist diejenige, die man bei Schmiede-Eisen beobachten kann: Sie reicht von matt schwarz (für kalt) über dunkelrot, hellrot, gelb und schließlich weiß für immer höhere Temperaturen.
Da bei Themographie meist nur ein enger Temperaturbereich betrachtet wird, ist die Darstellung nicht absolut: Die gleiche Farbe wird in verschiedenen Bildern für völlig unterschiedliche Temperaturen verwendet. Sicher ist nur, dass bei einer gegebenen Oberfläche mit gleicher Strahlungscharakteristik (siehe unten) in ein und demselben Bild z.B. gelb wärmer ist als rot oder blau. Die Skalierung (~ „Eichung") des Bildes (Zuordnung von Bildfarben zu Temperaturen) ist jeweils am Bildrand angegeben. Eine sinnvolle Aussage über ein betrachtetes Objekt kann ohne diese Skala nicht getroffen werden!

Ein und die selbe Farbskala wird zur Darstellung ganz unterschiedlicher Temperaturbereiche verwendet. Die Angabe der Farbskala mit dem Bild ist zur Beurteilung unverzichtbar!

Einschränkungen des Messverfahrens:

Schlechte Strahler: Wie oben angedeutet sind verschiedene Oberflächen trotz gleicher Temperatur besser oder weniger gut in der Lage, Wärmestrahlung abzugeben.

Die meisten Baustoffe wie Steine, Holz etc. sind „gute" Strahler. Zu den „schlechten" Strahlern gehören die meisten metallischen Oberflächen, auch Glas (Silizium) gehört dazu. Optische Linsen für Thermografie müssen daher aus teuren Spezialgläsern (vor allem Germanium) gefertigt werden.

An dem Ofenrohr im neben-stehenden Wärmebild sind die Stöße der Rohrsegmente mit Aluminumband abgeklebt - und erscheinen 200°C kälter als das Rohr, auf dem sie kleben.

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In Thermografieaufnahmen erscheinen schlechte Strahler deswegen (deutlich) kälter, als sie in Realität sind. Andererseits sind diese Körper in der Lage, (infrarote) Umgebungsstrahlung zu reflektieren. Sie wirken also wie Spiegel für die Wärmestrahlung anderer Objekte aus der Umgebung.

Beispiele sind Aluminium-Oberflächen, wie sie häufig bei älteren Fensterrahmen zu finden sind. Diese Fensterrahmen sind also stets (deutlich) wärmer, als sie im Bild erscheinen. Auch Fensterglas sowie (polierte) Messingarmaturen haben solche Oberflächen, was besonders bei der Beurteilung von Heizungstechnik von Belang ist.

Das nebenstehend abgebildete Glasbaustein-fenster reflektiert im unteren Teil den kalten Himmel, während das obere Drittel den Dachvorsprung spiegelt.

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Stabile Messbedingungen?: Jeder Körper - besonders Mauerwerk - speichert auch Wärmeenergie. Zur Messung von Wärmeverlusten muss daher sichergestellt sein, dass die Wärme des Körpers tatsächlich dort herkommt, wo das Wärmebild dies vermuten lässt. Beispielsweise könnte eine Mauer auch von der Sonnenstrahlung erwärmt worden sein. Deshalb sind Aufnahmen bei veränderlichen Witterungsbedingungen nur sehr eingeschränkt verwertbar.

Kontraste: Wärmemessungen arbeiten mit sehr geringen Strahlungsmengen. Daher ist ein gewisser Kontrastumfang notwendig. Sonst sind die Aufnahmen zu sehr verrauscht - man sieht nichts vernünftiges mehr. Kaltes, stabiles Wetter bei bedecktem Himmel ist für Gebäudethermografie am günstigsten.

Die Bilder bedürfen aufgrund der genannten möpglichen Bildverfälschungen einer sorgfältigen Handhabung und Intepretation durch einen entsprechenden Fachmann sowie entsprechendes Wissen über das betrachtete Objekt und die Eigenschaften seiner Oberfläche.