Facharbeit aus dem Fach Physik

Viscardi-Gymnasium Fürstenfeldbruck Kollegstufenjahrgang 2008/2010
Facharbeit
im Leistungskurs
Physik
Physikalische Grundlagen und Anwendungen der Infrarot-Thermografie
Verfasser: Sebastian Krösche
Kursleiter: StR Schuster
Abgabetermin: 29.01.2010
Note: . . . . . . . . . . .
Punktzahl: . . . . . . . . . . .
(einfache Wertung)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(Unterschrift des Kursleiters)

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 3
2 Physikalische Grundlagen 4
2.1 Infrarotstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Der schwarze Strahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Strahlungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3.1 Das Planck’sche Strahlungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3.2 Das Stefan-Boltzmann-Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.3 Das Kirchhoff’sche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.4 Das Wien’sche Verschiebungsgesetz . . . . . . . . . . . . . 8
3 Der Weg zum Wärmebild 10
3.1 Infrarotstrahlung emittierender Körper . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2 Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.3 Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.4 Sensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.5 Signalverarbeitung und Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 Anwendungsgebiete der Infrarot-Thermografie 13
4.1 Bauwesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2 Medizin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3 Rettungs-, Feuerwehr- und Polizeiwesen . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.4 Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.5 Nachtsichtassisenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5 Praktischer Teil 17
5.1 Emissionsgradbestimmung verschiedener Metalloberflächen mit
der Wärmebildkamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.2 Verifizierung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes . . . . . . . . . . . . 18
6 Fazit 22
A Literaturverzeichnis 23
B Webseitenverzeichnis 23
C Abbildungsverzeichnis 25
D Verzeichnis digitaler Anhänge 27

1 Einleitung 3
1 Einleitung
Die Infrarot-Thermografie konnte in den letzten 10-15 Jahren von den rasanten
Fortschritten im Halbleiter- und Computerbereich profitieren. Waren Wärme-
bildkameras vor einigen Jahren noch nahezu unerschwinglich und schwierig zu
bedienen, stoßen heutige Gerätegenerationen in Preisregionen vor, in denen sie
teilweise sogar für mittlere und kleinere Handwerksbetriebe erschwinglich sind.
Mittlerweile hat diese Technik auch Einzug in unseren Alltag gehalten (z.B. bei
der Erstellung des Energieausweises für vermietete oder verkaufte Gebäude).
Die Infrarot-Thermografie ist ein bildgebendes Verfahren zur Sichtbarma-
chung von Infrarotstrahlung. Sie ist im Vergleich zu anderen Verfahren noch eine
relativ junge Messtechnik. Wie funktioniert sie und welche Anwendungsgebiete
gibt es dafür? Mit diesen und anderen Fragen beschäftigt sich diese Facharbeit.
Zunächst werden die für die Funktion von Wärmebildkameras entscheidenden
physikalischen Grundlagen aufgezeigt, der prinzipielle Aufbau einer solchen
erläutert und Anwendungsbeispiele aus Bauphysik, Medizin, Rettungswesen und
anderen Bereichen des Lebens gegeben. Im praktischen Teil folgen Grundlagen-
versuche, die sowohl für das Verständnis der Funktionsweise als auch für das
Bedienen von Thermografie-Systemen wichtig sind.
Für die Recherche wurden Fachbücher sowie Materialien vom DLR School-
Lab in Oberpfaffenhofen verwendet. Von der DLR wurde auch freundlicherweise
die in 4.1 und 5.1 verwendete Wärmebildkamera zur Verfügung gestellt. Meine
Wahl fiel auf dieses Thema, weil ich im Rahmen eines Energiesparprojekts
bereits viel von Wärmebildkameras und deren Einsatzgebieten gehört habe und
mich die Funktionsweise sehr interessiert.

2 Physikalische Grundlagen 4
2 Physikalische Grundlagen
2.1 Infrarotstrahlung
Als Infrarotstrahlung wird elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängen-
bereich zwischen 780 nm und 1 mm bezeichnet. Jeder Körper, dessen Temperatur
über 0 K liegt, sendet elektromagnetische Strahlung aus. Ein großer Teil dieser
Strahlung ist für Temperaturen, die in unserem täglichen Leben eine Rolle spie-
len, Infrarotstrahlung.
Abbildung 1: Elektromagnetisches Spektrum [Commons e-m-Spec]
Der Infrarot(IR)-Bereich wird gemäß DIN 5031 in Teilbereiche gegliedert [Wiki-
pedia Infrarot]:
1. IR-A (780 nm ≤ λ ≤ 1, 4 µm) ist der kurzwellige Teil des nahen Infrarot-
Bereichs (NIR), für Infrarot-Fotografie verwendete Filme können üblicher-
weise Wellenlängen zwischen 700 nm und 1 µm aufnehmen.
2. IR-B (1, 4 µm ≤ λ ≤ 3 µm) ist der langwellige Teil der NIR-Bereichs
3. IR-C (3 µm ≤ λ ≤ 1 mm) wird nochmals unterteilt in mittleres IR (MIR,
3 µm ≤ λ ≤ 5 µm), sowie fernes Infrarot (FIR, 5 µm ≤ λ ≤ 1 mm)
2.2 Der schwarze Strahler
Bei gleicher Temperatur senden verschiedenartige Körper Strahlung unter-
schiedlicher Intensitätsverteilung aus. Deshalb wird als Referenz ein idealisierter
Norm-Strahler mit grundlegenden Eigenschaften unabhängig von seiner Beschaf-
fenheit definiert. Diesen nennt man schwarzen Strahler [DLR 2008].
Ein idealer schwarzer Strahler absorbiert die auf ihn treffende elektroma-
gnetische Strahlung bei jeder Wellenlänge vollständig. Folglich lässt er keine

2 Physikalische Grundlagen 5
Strahlung durch sich hindurch (Transmission) und reflektiert auch keine. Das
von der Wellenlänge λ abhängige Verhältnis zwischen aufgenommener bzw. abge-
gebener Strahlungsleistung zur Gesamtstrahlungsleistung wird Absorptionsgrad
α bzw. Emissionsgrad ε genannt:
α(λ) = PAufnahme
P0
ε(λ) = PAbgabe
Bei einem schwarzen Strahler bzw. Körper sind α = 1 und ε = 1. Das heißt, wenn
die Temperatur dieses Körpers konstant bleiben soll, muss absorbierte Strahlung
auch wieder vollständig emittiert werden. Allerdings muss dies für alle Wellenlän-
gen gelten, damit ein Körper wirklich ein idealer schwarzer Körper ist. In Realität
gibt es allerdings keinen schwarzen Körper. Ein Hohlraum mit sehr kleiner Öff-
nung kann jedoch einen annähernd idealen schwarzen Strahler darstellen, da die
einfallende Strahlung mehrfach im Inneren reflektiert und nahezu vollständig ab-
sorbiert wird [DLR 2008].
2.3 Strahlungsgesetze
Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts beschäftigten sich mehrere Physi-
ker unabhängig voneinander mit den Zusammenhängen zwischen der von Körpern
abgegebenen elektromagnetischen Strahlung und deren Temperatur. 1859/60
stellte Gustav Kirchhoff fest, dass ein Körper im thermischen Gleichgewicht
genauso viel (Wärme-)Strahlung absorbiert wie emittiert und die Strahlungs-
intensität eines schwarzen Körpers allein von Wellenlänge und Temperatur ab-
hängig ist. Kirchhoffs Beobachtungen stellten die Grundlage für die weite-
re Entwicklung der Strahlungsgesetze dar [Hoffmann 2000]. 1896 entwickelte
Wilhelm Wien empirisch ein Strahlungsgesetz, welches für große Wellenlän-
gen jedoch falsche Werte lieferte. Das 1900 von John William Strutt, 3.
Baron Rayleigh beschriebene und von James Jeans um einen Vorfaktor kor-
rigierte Strahlungsgesetz, lieferte hingegen für kleine Wellenlängen falsche Werte
(Ultraviolett-Katastrophe). Max Planck gelang es 1900 diese beiden Gesetze zu
einem für alle Wellenlängen gültigen Gesetz zu vereinigen [Brandt 2000].
2.3.1 Das Planck’sche Strahlungsgesetz
Das Planck’sche Strahlungsgesetz beschreibt die spektrale spezifische Ausstrah-
lung LES des schwarzen Körpers in Abhängigkeit von absoluter Temperatur T
und der Wellenlänge λ:
dLES
dλ
= 2 · h · c2
λ 5
· e −h·c
k·T ·λ − 1
P0

2 Physikalische Grundlagen 6
h ist das Planck’sche Wirkungsquantum und hat den Wert h = 6, 6261·10 −34 J ·s,
−23 J
k = 1, 3807 · 10 K
Lichtgeschwindigkeit.
ist die Boltzmann-Konstante und c ≈ 3, 0 · 108 m
s
ist die
Es sollte erwähnt werden, dass mit der Findung der Konstanten h die für
die moderne Physik entscheidende Quantenhypothese verbunden war:
“Ein strahlendes System kann Energie nicht in beliebigen Portionen
mit dem Strahlungsfeld austauschen, sondern nur in ganzzahligen
Vielfachen des Energiequantums hv, wo v die Frequenz der Strahlung
und h eine neue Naturkonstante ist” [Gerthsen 1977, S.425]
Auf die Quantelung der Strahlung wird in dieser Facharbeit jedoch nicht weiter
eingegangen.
Abbildung 2: Planck’sches Strahlungsspektrum (doppeltlogarithmische Auftragung)
[Commons BlackbodySpec]
Abb. 2 zeigt, dass sich das Maximum der spezifischen spektralen Ausstrahlung
bzw. der spektralen Strahldichte bei steigender Temperatur zu kleineren Wellen-
längen hin verschiebt. Weiterhin ist zu sehen, dass die Höhe der Maxima ansteigt
und die Breite des Strahlungsspektrums für hohe Temperaturen zunimmt. Die
sich je nach Temperatur ändernde Farbwahrnehmung eines Objektes wie z.B.
eines Stück Eisens lässt sich mithilfe von Abb. 2 erklären. Bei Raumtemperatur,

2 Physikalische Grundlagen 7
also ungefähr 300 K, strahlt das Objekt nur Strahlung im nicht sichtbaren
IR-Bereich aus. Ab einer Temperatur von etwa 1000 K beginnt Eisen rot zu
glühen, da das Spektrum der emittierten Strahlung nun auch in den langwelligen
roten Bereich des sichtbaren Spektrums hineinreicht. Bei weiterer Erhitzung
wird ein immer größerer Teil des für das menschliche Auge sichtbaren Spektrums
überdeckt, bis das Eisenstück schließlich weiß glühend erscheint. Das Wien’sche
Verschiebungsgesetz beschreibt diese Verschiebung des Strahlungsspektrums
eines Objekts.
Die Farbtemperatur beschreibt die Wellenlänge des Strahlungsmaximums
eines schwarzen Strahlers und ordnet dieser seine Temperatur zu [Wikipedia
Schwarzer K.]. Über die Intensitätsverteilung der Strahlung sagt diese
allerdings nichts aus.
2.3.2 Das Stefan-Boltzmann-Gesetz
Für die Bestimmung der auf allen Wellenlängen bei der Temperatur T ausge-
sandten Strahlungsleistung P des schwarzen Körpers (also seiner Gesamtstrah-
lungsleistung) muss man LES über den gesamten Wellenlängenbereich und den
Raumwinkel dΩ integrieren und anschließend mit der Fläche A der Strahlungs-
quelle multiplizieren [DLR 2008]:
P = σ · A · T 4
−8 W
Die Stefan-Boltzmann-Konstante σ hat den Wert σ = 5, 67 · 10 m2 ·K4 . Aufgrund
der Abhängigkeit der Strahlungsleistung von der Temperatur mit der 4.
Potenz wird dieses Strahlungsgesetz auch häufig als T 4 -Gesetz bezeichnet. Das
Ansteigen der Höhe der Maxima in Abb. 2 lässt sich mit Kenntnis dieses Gesetzes
leicht erklären.
Anwendungsbeispiel: Oberflächentemperatur der Sonne
Mithilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes lässt sich unter der vereinfachenden
Annahme, dass das Strahlungsverhalten der Sonne in etwa dem eines schwarzen
Strahlers entspricht, die Oberflächentemperatur der Sonne bestimmen:
TOberfl. = 4
�
P
σ · A
Die außerhalb der Erdatmosphäre auftreffende Strahlungsleistung P ergibt sich

2 Physikalische Grundlagen 8
aus dem Produkt der Solarkonstante S und der von der Sonne bestrahlten Ober-
fläche der Erdatmosphäre, die sich zu 4·π·D 2 berechnet, wobei D = 2, 283·10 22 m
die mittlere Entferung Erde ↔ Sonne und S = 1367 W
m 2 ist [Wikipedia S-B-
Gesetz]:
P = S · AES = S · 4 · π · D 2
Die Oberfläche der Sonne berechnet sich zu
A = 4 · π · r 2 ⊙
Insgesamt ergibt sich somit für die Oberflächentemperatur der Sonne:
�
�
TOberfl. = 4
S · 4 · π · D 2
σ · 4 · π · r 2 ⊙
= 4
2.3.3 Das Kirchhoff’sche Gesetz
1367 · 2, 283 · 1022 5, 670 · 10−8 · (6, 96 · 108 K ≈ 5777 K
m) 2
Da man in der Praxis keinen schwarzen Körper zur Verfügung hat, wird das Ste-
fan-Boltzmann-Gesetz noch um den Vorfaktor α(λ), den von der Wellenlänge
abhängigen Absorptionsgrad, erweitert:
P = α(λ) · σ · A · T 4
Außerdem stellte Kirchhoff fest, dass die Summe aus den jeweils von der Wel-
lenlänge λ abhängigen Größen Absorptionsgrad α, Reflexionsgrad ρ und Trans-
missionsgrad τ eines Körpers, der von elektromagnetischer Strahlung getroffen
wird, stets 1 ist:
α(λ) + ρ(λ) + τ(λ) = 1
Die Abstrahlung von Wärmeenergie kann nach obigem Zusammenhang also durch
spiegelnde, bzw. reflektierende Oberflächen recht klein gehalten werden. (α und
τ sind dann ≪ 1). Bekanntestes Beispiel hierfür ist die mit stark reflektierenden
Innenwänden ausgestattete Thermoskanne, deren Inhalt weder stark erwärmt,
noch abgekühlt wird. Das Emissionsvermögen muss dazu nicht nur im Sichtbaren
sondern auch im Infraroten möglichst klein gehalten werden.
2.3.4 Das Wien’sche Verschiebungsgesetz
Wilhelm Wien fand 1893 experimentell, dass die Wellenlänge des Strahlungs-
maximums eines schwarzen Körpers der folgenden Gesetzmäßigkeit folgt:
λmax · T = const. = b = 2, 8978 · 10 −3 m · K
Mit steigender Temperatur verschiebt sich das Strahlungsmaxium hin zu kleineren
Wellenlängen. Bei Temperaturen von einigen Tausend Kelvin gelangt dieses sogar
in den für das menschliche Auge sichtbaren Bereich.

2 Physikalische Grundlagen 9
Anwendungsbeispiel: Wellenlänge des Strahlungsmaximums der Sonne
Die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt wie bereits berechnet ca. 5777 K.
Nach obigem Gesetz ergibt sich daraus eine Wellenlänge für das Strahlungsmaxi-
mum von 501, 6 nm, was im grünen Bereich des für das Auge sichtbaren Teils des
elektromagnetischen Spektrums liegt, für den das menschliche Auge aufgrunddes-
sen besonders empfindlich ist. Diese Rechnung ist allerdings nur eine sehr gute
Näherung, da das Strahlungsverhalten der Sonne ungefähr der eines schwarzen
Körpers entspricht.
λmax = b
T = 2, 8978 · 10−3 m · K
5777 K
= 501, 6 nm

3 Der Weg zum Wärmebild 10
3 Der Weg zum Wärmebild
Eine Wärmebildkamera detektiert die von einem Körper emittierte IR-Strahlung
und stellt ihre Intensitätsverteilung im Raum in einem zweidimensionalen Falsch-
farbenbild dar.
3.1 Infrarotstrahlung emittierender Körper
Wie in 2.1 erwähnt, sendet jeder Körper, dessen Temperatur oberhalb von 0 K
liegt, Infrarotstrahlung aus. Je nach Materialbeschaffenheit variieren die Größen
Emissionsgrad ε, Absorptionsgrad α, Reflexionsgrad ρ und Transmissionsgrad τ.
Metallische Oberflächen reflektieren aufgrund ihres hohen Reflexions- und nied-
rigen Emissionsgrades die Umgebungsstrahlung erheblich, sodass Körper in der
Umgebung Messungen verfälschen können.
3.2 Atmosphäre
Die Hauptbestandteile der Luft Stickstoff und Sauerstoff sind für Infrarotstrah-
lung durchlässig, wohingegen andere Gase wie Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon
nur teilweise durchlässig sind. Für die Thermografie werden sogenannte atmo-
sphärische Fenster, d.h. Wellenlängenbereiche, innerhalb derer die Atmosphäre
für Infrarotstrahlung weitgehend durchlässig ist, genutzt. Man unterscheidet zwi-
schen einem Fenster von 3 − 5 µm und einem von 8 − 14 µm (siehe Abb. 3). Je
nach zu erwartender Temperatur des Messobjekts muss zu einer Wärmebildka-
mera gegriffen werden, die über einen geeigneten Wellenlängenbereich verfügt.
Abbildung 3: Transmission der Atmosphäre und Lage der atmosphärischen Fenster [Krauß
Thermografie]

3 Der Weg zum Wärmebild 11
3.3 Optik
Da normales Glas für IR-Strahlung kaum durchlässig ist, müssen für den Bau von
Objektiven für Thermografiesysteme spezielle und sehr kostspielige einkristalli-
ne Halbleitermaterialien wie Germanium oder Zinkselenid verwendet werden. Die
Wahl des Objektivs hängt maßgeblich von dem ausgenutzten atmosphärischen
Fenster, der Beschaffenheit des verwendeten Sensors, des gewünschten Öffnungs-
winkels und den tolerierten Ungenauigkeiten ab.
3.4 Sensorik
Es gibt zwei verschiedenen Typen von Infrarotdetektoren: thermische- und
Quanten-Detektoren. Die bei heutigen Wärmebildkameras verwendeten thermi-
schen Sensoren sind fast ausschließlich Mikrobolometer. Bei diesen Detektoren
absorbieren Widerstände mit hohen Temperaturkoeffizienten (zwecks höherer
Empfindlichkeit) Wärmestrahlung. Dies führt zu einer Änderung des Werts
des Widerstands und der über diesem Bauteil abfallenden Spannung [Optris
IR-Grundlagen]. Da sich bei diesen Sensoren der Widerstand und nicht
die Kapazität ändert, liegt ständig ein Signal vor, weshalb die einfallende
Strahlung nicht gechoppert, also der Detektor in regelmäßigen Abständen von
einer rotierenden Scheibe abgedeckt werden muss, um ein Bild zu erhalten.
Mikrobolometer-Kameras erreichen Bildraten von bis zu 60 Hz [Dräger,
Sensorik]. Für die Aufzeichnung sehr schneller Bewegungsabläufe (für zeitliche
Auflösungen im ns bis µs-Bereich) sind thermische Sensoren mit ihren Zeitkon-
stanten im ms-Bereich dennoch ungeeignet [Optris IR-Grundlagen]. Die für
diese Sensoren verwendeten Materialien sind Vanadium-Oxid (VOx) oder amor-
phes Silizium (a-Si). Solche Sensoren wurden ursprünglich für das amerikanische
Militär entwickelt, weshalb auch heute noch für jeden Mikrobolometer-Sensor,
der außerhalb der USA vertrieben wird, eine Exportlizenz eingeholt werden muss
[Dräger, Sensorik].
Bei Quantendetektoren führen die einfallenden Photonen aufgrund des inneren
photoelektrischen Effekts zu einer Änderung der Leitfähigkeit des verwendeten
Sensormaterials. Dies wiederum ruft eine Änderung des Sensorsignals hervor
[Optris IR-Grundlagen].
Um nicht nur den Temperaturwert von einem Punkt im Raum zu ermit-
teln, sondern ein größeres Bild zu erhalten, mussten in den Anfangstagen der
Thermografie zeilenweise arbeitende mechanische Scanner eingesetzt werden.

3 Der Weg zum Wärmebild 12
Dies wirkte sich negativ auf die Geschwindigkeit dieser Systeme aus. Heutzutage
verbaut man eher eine Sensormatrix, sogenannte Focal-Plane-Arrays, die aus
Arrays zwischen 160 x 120 und 1024 x 768 Pixeln bestehen. Vor etwa 25 Jahren
gab es nur mit flüssigem Stickstoff oder Stirling-Kühlern gekühlte Kameras,
um den Einfluss der Eigentemperatur zu minimieren. Die dadurch bedingte
Unhandlichkeit, lange Anlaufzeiten und vor allem hohe Kosten führten schließlich
zur Entwicklung von ungekühlten Systemen, die mit Hilfe von Peltier-Elementen
die Sensorik auf konstanter Temperatur halten. Sollte sich die Temperatur im
Inneren der Kamera dennoch geringfügig ändern, so wird von innen für kurze
Zeit ein Verschluss (Shutter) vor die Optik gebracht und die Temperatur der im
Kameragehäuse befindlichen Wärmestrahlung gemessen und anschließend bei der
Signalverarbeitung eingerechnet. Diese Entwicklung machte Hand-Held-Geräte
und heutige Preis-/Leistungsverhältnisse überhaupt erst möglich. Derzeit sind
Systeme zu einem Preis von ca. 3000 bis 5000 e zu bekommen.
3.5 Signalverarbeitung und Darstellung
Die auf die Sensorik treffende Strahlungsleistung wird bei zwei, nahe beiander-
liegenden, Wellenlängen λ bestimmt und mit intern gespeicherten, den in Abb.
2 ähnlichen, Kurven unter Einberechnung des Emissionsgrades des Messobjektes
und der Eigentemperatur aller in der Kamera verbauten Teile verglichen. Letzt-
endlich wird dann die absolute Temperatur jedes einzelnen Messpunktes ermittelt.
Allerdings ist die Angabe dieser absoluten Temperatur mit Vorsicht zu genießen,
da meistens nicht jeder Punkt des erfassten Bereichs den gleichen Emissionsgrad
aufweist. Anschließend wird auf dem Display der Kamera ein Falschfarbenbild
mit Skala eingeblendet. Meist wird dabei die heißeste Stelle weiß oder rot, die
kälteste bläulich dargestellt, was der allgemeinen menschlichen Empfindung von
kalten und warmen Farben entspricht.

4 Anwendungsgebiete der Infrarot-Thermografie 13
4 Anwendungsgebiete der Infrarot-Thermografie
Um Wärmebildkameras erfolgreich für die gewünschte Applikation einsetzen zu
können, sollte der Benutzer bereits eine gewisse Erfahrung in der Interpretation
von Bildinhalten haben und über typische Fehlerquellen informiert sein. Von den
Herstellern werden deshalb Thermografie-Seminare angeboten.
4.1 Bauwesen
Ein den Meisten bekanntes Anwendungsgebiet der Infrarot-Thermografie ist si-
cherlich die Suche nach Schwachstellen an Gebäuden im Rahmen einer Gebäudes-
anierung. Zum Einen können hierbei zerstörungsfrei Wärmebrücken aufgespürt
werden, die für einen zu großen Heizenergieverbrauch führen, indem sie sozusagen
auch die Umgebung des Hauses heizen, zum Anderen können aber auch Schäden
an Heizungs- oder Wasser-Rohrleitungen bzw. deren Positionen festgestellt wer-
den. Dabei ist es, aus Gründen der besseren Dokumentierbarkeit, sinnvoll das
Wärmebild einem positionsgleichen Foto einer Digitalkamera zu überlagern. Die
folgenden exemplarischen Messaufnahmen wurden mit der von der DLR zur Ver-
fügung gestellten Wärmebildkamera vom Typ FLIR E2 aufgenommen.
Abbildung 4: Thermografische Aufnahme von der Ostfassade des eigenen Wohnhauses
Abb. 4 zeigt die Ostfassade eines Wohnhauses, bei dem unter dem Fenster ein
Heizkörper eingebaut ist. Deutlich ist die Temperaturdifferenz von 1 − 2 ◦ C zwi-
schen der Einbaulage des Heizkörpers und dem umgebenden Mauerwerk zu se-
hen. Das Fenster erscheint wärmer als es tatsächlich ist, da der Emissionsgrad mit
ε = 0, 94 für Fensterglas viel zu hoch eingestellt ist. Die Zielsetzung der Messung
lag aber ohnehin in der Verdeutlichung der höheren Temperatur des direkt hinter

4 Anwendungsgebiete der Infrarot-Thermografie 14
Abbildung 5: Thermografische Aufnahme einer in der Wand verlaufenden Heizkörperzulei-
tung
dem Heizkörper befindlichen Mauerwerks. In Abb. 5 erkennt man deutlich die in
der Wand verlaufende Zuleitung des Heizkörpers.
4.2 Medizin
Dort wo Gewebe, Muskeln, Sehnen oder Blutgefäße untersucht werden, liefert
die Thermografie Ärzten hilfreiche Informationen. Die Infrarotdiagnostik bietet
zahlreiche Vorteile: es entsteht keine Schmerz- oder Strahlungsbelastung für
den Patienten, die Messungen sind schnell, ein Eingriff ist nicht nötig und
Funktionsstörungen des Körpers können schon lange vor dem Auftreten von
Beschwerden erkannt werden [DGTR Verfahren].
In der Medizin wird meist die Infrarot-Regulationsthermografie (IRI) ange-
wandt. Von einer bestimmten entkleideten Körperregion des Patienten wird
zunächst ein Wärmebild erstellt. Nach 10-minütiger Abkühlphase wird erneut
eine Aufnahme gemacht. So können Rückschlüsse über die Wärmeregulation
des Patienten gezogen werden. Viele Krebserkrankungen können mittels der
IRI bereits Monate früher als mit herkömmlichen Diagnosemethoden erkannt
werden, da sich Tumore durch lokale Erwärmungen ankündigen. Besonders bei
Brustkrebs ist dieser Erkennungsvorsprung vor anderen Methoden sehr groß.
Doch auch Durchblutungs- und Stoffwechselstörungen sowie Entzündungsherde
lassen sich durch Infrarotuntersuchungen diagnostizieren [DGTR Verfahren].

4 Anwendungsgebiete der Infrarot-Thermografie 15
4.3 Rettungs-, Feuerwehr- und Polizeiwesen
Feuerwehren setzen im Einsatz vermehrt Wärmebildkameras für die Orientierung
in verrauchten Umgebungen ein. Hierbei macht man sich zu Nutze, dass ” [je] grö-
ßer die Wellenlänge von elektromagnetischer Strahlung (...) ist, die Streuverluste
an kleinen Partikeln im Allgemeinen umso geringer ausfallen“ [Grabski 2008,
S.53]. Deshalb ist ” gewöhnlicher Brandrauch (...) im infraroten Wellenlängen-
bereich weitgehend transparent“ [Grabski 2008, S.53]. Weitere Anwendungen
sind die Aufspürung von Brandherden und die Suche nach verunglückten oder in
brennenden Häusern befindlichen Personen. Im Rettungswesen können mithilfe
der Infrarot-Thermografie Personen gefunden werden, die sich unter Schock ste-
hend von einem Unfallort entfernt haben. Bei der Polizei können z.B. vermisste
Personen aus der Luft mit Hubschraubern, die mit Wärmebildkameras ausge-
stattet sind, gefunden werden. Auch ein Versteck, in dem sich bis vor kurzem
Personen aufgehalten haben, kann noch über einen gewissen Zeitraum hinweg
erkannt werden.
4.4 Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)
Bei der zerstörungsfreien Prüfung mittels Infrarot-Thermografie handelt es sich
um aktive Thermografie, d.h. dass das zu prüfenden Objekts vor der Messung
erwärmt wird, um einen hohen Kontrast zwischen defekten und fehlerfreien
Materialstellen zu erhalten. Dabei sind das Puls- und das Lock-In-Verfahren die
häufigsten Varianten. Beide Verfahren erfordern eine hohe zeitliche Auflösung des
Thermografie-Systems (meist Bildraten von 50 Hz). Beim Puls-Verfahren wird
das Prüfobjekt mittels Blitzen leistungsstarker Blitzlampen oder IR-Lasern sehr
schnell erwärmt und anschließend die Abkühlung beobachtet. Materialfehler sind
hier als Hot-Spots aufgrund unterschiedlich starker Wärmeleitung im Wärmebild
zu erkennen [AT ZfP Puls]. Für wärmeempfindliche Materialien ist dieses
Verfahren nicht geeignet.
Deshalb wird beim Lock-in-Verfahren eine wesentlich energieärmere Ultra-
schallwelle von der Oberfläche aus in das Material geschickt. Die an fehlerhaften
Materialstellen reflektierten Wellen weisen gegenüber der an der Oberfläche
laufenden Wellen eine Phasenverschiebung aufDas aufgrund dieser Phasenver-
schiebung entstehende Interferenzmuster drückt sich im Wärmebild aus [AT
ZfP Lock-In].
Wesentliche Vorteile der ZfP mittels IR-Thermografie sind die hohe Geschwin-

4 Anwendungsgebiete der Infrarot-Thermografie 16
digkeit und Automatisierungsfähigkeit, was vor allem in Produktionsprozessen
wie z.B. der Automobil- oder Solarzellenfertigung sehr wichtig ist und teilweise
eine Überprüfungsrate von 100 % ermöglicht.
4.5 Nachtsichtassisenten
Premium-Automobilhersteller wie BMW oder Mercedes-Benz bieten bereits
Nachtsichtassistenten für die frühzeitige Erkennung von Hindernissen oder Fuß-
gängern auf der Fahrbahn an. Bei BMW kommt dabei eine im fernen Infrarot
(FIR) arbeitende Wärmebildkamera zum Einsatz, da die Körpertemperaturen
von Menschen und Tieren in diesem Spektralbereich ihr Strahlungsmaximum ha-
ben. Das System Night Vision hat bis zu 300 Meter Reichweite, wodurch Fußgän-
ger bereits 7 Sekunden früher als beim bloßen Einsatz des Abblendlichts erkannt
werden können. Solche Nachtsichtassistenten stellen einen erheblichen Gewinn
an Sicherheit für Autofahrer und andere Verkehrsteilnehmer dar [BMW Night
Vision].
Abbildung 6: Nachtsichtassistent BMW Night Vision [BMW Night Vision]

5 Praktischer Teil 17
5 Praktischer Teil
5.1 Emissionsgradbestimmung verschiedener Metallober-
flächen mit der Wärmebildkamera
Um bei thermografischen Messungen absolute Temperaturwerte erhalten zu
können, ist es von besonderer Wichtigkeit den Emissionsgrad des Messobjekts
zu kennen. Ein Verfahren, mit dem man unbekannte Emissionsgrade bestimmen
kann, stellt der folgende Versuch dar.
Ein bei einer Leistung von ca. 260 W elektrisch geheizter Wärmestrahler,
der aus vier einzelnen metallischen Platten mit metallisch glänzender, metallisch
matter, schwarz glänzender und matt schwarzer Oberfläche besteht, wird
auf ca. 130 ◦ C aufgeheizt. Die Temperaturen der Platten werden mit einem
Kontaktthermometer (Multimeter DT 6830 von ELV mit Messfühler) gemessen.
Anschließend wird eine Wärmebildkamera vom Typ E2 von FLIR auf jeweils
eine Metallplatte gerichtet und die Emissionsgradkalibrierung so weit geändert,
bis die vorher gemessene mit der von der Kamera angezeigten Temperatur
übereinstimmt. Man erhält nun den Emissionsgrad der jeweiligen Oberfläche.
Abbildung 7: Wärmestrahler mit metallischen Oberflächen 1 (metallisch glänzend), 2 (metal-
lisch matt), 3 (schwarz glänzend), 4 (schwarz matt)
Die unterschiedlichen Temperaturen der einzelnen Oberflächen lassen darauf
schließen, dass sich diese unterschiedlich stark aufheizen. Weiterhin ist zu beden-
ken, dass die Genauigkeit des Thermometers, wie auch der Wärmebildkamera
± 2 ◦ C beträgt.
Das Ergebnis bestätigt die Erwartung, dass glatte und stark reflektierende
Oberflächen im Vergleich zu rauen und schwach reflektierenden einen niedrigeren

5 Praktischer Teil 18
Oberfläche 1 2 3 4
T ( ◦ C) 125 129 135 127
εgemessen 0,21 0,30 0,53 0,95
Umgebungstemperatur: 19,1 ◦ C
Tabelle 1: Messwerte zur Bestimmung der Emissionsgrade der Metalloberflächen 1-4
Emissionsgrad aufweisen. Die matt schwarze Oberfläche kommt einem schwarzen
Körper bereits recht nahe.
Abbildung 8: Emissionsgrade der Flächen 1 (metallisch glänzend), 2 (metallisch matt), 3
(schwarz glänzend), 4 (schwarz matt)
5.2 Verifizierung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes
Im Folgenden soll nachgewiesen werden, dass ein linearer Zusammenhang zwi-
schen Strahlungsleistung und der vierten Potenz der Temperatur eines Körpers
besteht, wie aus dem in 2.3.2 beschriebenen Stefan-Boltzmann-Gesetz zu erwar-
ten ist. Dazu wird die Beleuchtungsstärke einer handelsüblichen Halogenlampe in
einer festen Entfernung in Abhängigkeit von der Leistung der dimmbaren Lam-

5 Praktischer Teil 19
pe zu bestimmen. Dabei werden verschiedene Vereinfachungen angenommen. So
wird die Beleuchtungsstärke direkt proportional zur Temperatur des Glühfadens
angenommen. Um den Bereich, in dem dies näherungsweise gilt, zu bestimmen,
wird u.a. ein Vorversuch durchgeführt. Außerdem sei die maximale Temperatur
der Glühwendel gleich der Farbtemperatur [Wikipedia Glühlampe], [Anhang
14].
Vorversuch: Untersuchung des Verhaltens des Glühdraht-
widerstands
Der Widerstand der Glühwendel sollte möglichst eine lineare Abhängigkeit von
der Temperatur besitzen, damit ein linerarer Zusammenhang zwischen Leistung
und Temperatur hergestellt werden kann. Hierzu wird der Widerstand der
Glühwendel in Abhängigkeit von der Leistung bestimmt.
Die auch im späteren Versuch verwendete 12 V-Halogenlampe Accentline
20W GU5.3 12V 36D 1CT von Philips wird an eine variable Gleichspannungs-
quelle PS 602 Pro von Voltcraft angeschlossen und die anliegende Spannung
variiert. Währenddessen werden diese Spannung und der durch die Halogenlampe
fließende Strom gemessen und dadurch die Leistung über P = U · I und der
Widerstand der Glühwendel über R = U
I
Anhang 13.
berechnet. Die Messwerte finden sich in
Abbildung 9: Diagramm zur Untersuchung des Verhaltens des Glühdrahtwiderstands

5 Praktischer Teil 20
Der grau eingefärbte Bereich in Abbildung 9 zeigt, dass ab einer Leistung von ca.
13 W der Zusammenhang zwischen Leistung und Widerstand der Glühwendel in
etwa linear ist. Dies hat zur Folge, dass für die Auswertung des nächsten Versuchs
nur Messwerte ab 13 W verwendet werden.
Verifizierung des Zusammenhangs P ∼ T 4
Für den eigentlichen Versuch wird ein Photowiderstand Typ LDR 07 von einer
12V-Halogenlampe Accentline 20W GU5.3 12V 36D 1CT von Philips in einer
Entfernung von 21 cm beleuchtet. Mit einem Multimeter Typ DT 6830 von ELV
wird der Widerstand des LDR 07 in Abhängigkeit von der Leistung der mit ei-
nem Phasenabschnittsdimmer gedimmten Halogenlampe gemessen. Bei der Leis-
tungsmessung kommt ein Energiemonitor EM 2000 E von ELV zum Einsatz. Die
Verlustleistungen des für die Halogenlampe verwendten Transformators und des
Dimmers liegen unter 1 W und können somit vernachlässigt werden.
Abbildung 10: Versuchsaufbau zur Verifizierung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes
Der gemessene Widerstand R wird in die Beleuchtungsstärke umgerechnet mit-
tels 1
e R . Dem Datenblatt der Halogenlampe (→ Anhang 14) entsprechend wird
der maximalen Beleuchtungsstärke bei einer Leistung der Lampe von P = 20 W

5 Praktischer Teil 21
die Temperatur 3000 K zugeordnet und somit eine Kalibrierung für die ande-
ren Temperatur-Werte vorgenommen. Anhang 13 zeigt die für die Auswertung
verwendeten Messwerte.
Abbildung 11: T 4 -P -Diagramm zu obigem Versuch
Das sich ergebende T 4 -P -Diagramm zeigt, wie erwartet, einen annähernd linearen
Verlauf. Somit ist
P ∼ T 4
⇒ P = K · T 4 = σ · A · T 4
und dadurch Stefan-Boltzmann-Gesetz experimentell bestätigt worden.
Die einzelnen Abweichungen können vielerlei Ursachen haben. Beispielswei-
se kann über die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Photowiderstands in
verschiedenen Wellenlängenbereichen aufgrund fehlender Daten nichts ausgesagt
werden. Hinzu kommen die Annahme der vorher beschriebenen Vereinfachungen
und die Genauigkeit der verwendten Messgeräte (im verwendeten Messbereich
jeweils ±1%, → Anhang 15 und 16).

6 Fazit 22
6 Fazit
In dieser Facharbeit wurden die der Infrarot-Thermografie zugrundeliegenden
physikalischen Grundlagen aufgezeigt, der prinzipielle Aufbau von Wärmebild-
kameras erklärt, sowie zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt.
Der Einsatz von Thermografie-Systemen wird in Zukunft wohl weiter an
Gewicht gewinnen. In Anbetracht der Tatsache, dass der Anteil der für
Raumwärme investierten Energie am gesamten Energieverbrauch in deutschen
Privathaushalten bei durchschnittlich 75 % liegt [DESTATIS Energie], wird
dies vor allem bei der Sanierung oder dem Neubau von Gebäuden der Fall
sein. Vielleicht werden Wärmebildkameras in Automobilen in 10 bis 15 Jahren
auch in niedrigeren Fahrzeugkategorien Serienreife erlangen, wie dies bereits
bei Systemen wie ABS oder ESP geschehen ist. Erhebliche Sicherheitsgewinne
könnten die Folge sein. Neue Materialien für Fahrzeuge, Wärmedämmung,
Solarzellen und Windkraftanlagen, die mittels aktiver Infrarot-Thermografie un-
tersucht wurden, könnten zu erheblichen Energieeinsparungen bzw. wirksameren
erneuerbaren Energieträgern führen und somit zum Klimaschutz beitragen. Auch
ein zunehmender Einsatz von Wärmebildkameras in der Kunst wäre durchaus
denkbar.
Bereits heute sind Wärmebildkameras mit eingebauter Digitalkamera erhältlich,
die beide Bilder einander überlagern. Der Funktionsumfang von Wärmebildka-
meras wird weiter wachsen und deren Preis-/Leistungsverhältnisse noch besser
werden. Neue Materialien für Optik und Sensorik von Thermografie-Systemen
könnten zu günstigeren Herstellungskosten führen und die FPAs dadurch größer
werden lassen. Dies würde eine höhere optische Auflösung ermöglichen.

A Literaturverzeichnis 23
A Literaturverzeichnis
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[Abb. 1] Elektromagnetisches Spektrum, Quelle: http://commons.wikimedia.
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Free Documentation License Version 1.2)
[Abb. 2] Plank’sches Strahlungsspektrum, Quelle: http://upload.wikimedia.
org/wikipedia/commons/0/0e/BlackbodySpectrum_loglog_150dpi_de.
png (03.09.2009), GNU-Lizenz fur freie Dokumentation Version 1.2
[Abb. 3] Atmosphärische Fenster, Quelle: Krauß Thermografie, selbst be-
arbeitet
[Abb. 4] Thermografische Aufnahme von der Ostfassade des eigenen Wohnhau-
ses, Quelle: eigene Aufnahmen mit Wärmebildkamera FLIR E2
[Abb. 4] Thermografische Aufnahme einer in der Wand verlaufenden Heizkör-
perzuleitung, Quelle: eigene Aufnahmen mit Wärmebildkamera FLIR E2
[Abb. 6] Nachtsichtassistent BMW Night Vision, Quelle: BMW Night Vision
[Abb. 7] Wärmestrahler, Quelle: eigene Aufnahme

C Abbildungsverzeichnis 26
[Abb. 8] Wärmebilder zum Versuch 5.1, Quelle: eigene Aufnahmen mit Wärme-
bildkamera FLIR E2
[Abb. 9] Diagramm zur Untersuchung des Verhaltens des Glühdrahtwiderstands,
Quelle: eigene Abbildung
[Abb. 10] Versuchsaufbau zur Verifizierung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes,
Quelle: eigene Aufnahme
[Abb. 11] T 4 -P -Diagramm zur Verifizierung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes,
Quelle: eigene Abbildung

D Verzeichnis digitaler Anhänge 27
D Verzeichnis digitaler Anhänge
Die hier aufgeführten Anhänge sind auf der beigefügten CD-ROM im Verzeichnis
Anhänge zu finden.
[1] Kopie des Scripts DLR 2008, Datei: Anhang1.pdf
[2] Ausdruck der Website Wikipedia Infrarot, Datei: Anhang2.pdf
[3] Ausdruck der Website WEBGeo Wärme, Datei: Anhang3.pdf
[4] Ausdruck der Website Optris IR-Grundlagen, Datei: Anhang4.pdf
[5] Ausdruck der Website Krauß Thermografie, Datei: Anhang5.pdf
[6] Ausdruck der Website Dräger, Sensorik, Datei: Anhang6.pdf
[7] Ausdruck der Website DGTR Verfahren, Datei: Anhang7.pdf
[8] Ausdruck der Website AT ZfP Lock-In, Datei: Anhang8.pdf
[9] Ausdruck der Website AT ZfP Puls, Datei: Anhang9.pdf
[10] Ausdruck der Website BMW Night Vision, Datei: Anhang10.pdf
[11] Ausdruck der Website Wikipedia Glühlampe, Datei: Anhang11.pdf
[12] Ausdruck der Website Wagner S-B-Gesetz, Datei: Anhang12.pdf
[13] Messwerte zum Versuch 5.2, Datei: Anhang13.pdf
[14] Datenblatt der in 5.2 verwendeten Halogenlampe, Datei: Anhang14.pdf
[15] Bedienungsanleitung des Multimeters DT 6830, Datei: Anhang15.pdf
[16] Bedienungsanleitung des Energiemonitors EM 2000 E, Datei: Anhang16.pdf

Selbständigkeitserklärung 28
Selbständigkeitserklärung
Ich erkläre hiermit, dass ich die Facharbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur
die im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.
Emmering, 29.01.2010 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(Unterschrift des Schülers)