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11-2016

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Bildverarbeitung

Bildverarbeitung High-Speed-Wärmebildkameras – Geschwindigkeit zählt Bild 1: Die MWIR-Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera FLIR X6900sc ist laut Hersteller die schnellste Wärmebildkamera weltweit auf dem Markt. Sie kann bis zu 26 sek Daten mit der blitzschnellen Aufnahmerate von 1.000 Bildern/sek im verlustfreien Vollbildformat und der eindrucksvollen Auflösung von 640 x 512 Pixeln im internen RAM oder auf einer internen auswechselbaren SSD-Festplatte aufzeichnen überzeugende Daten für die Forschungsarbeit gesammelt werden. Arten von Infrarotkameras Bild 2: Stop-Motion-Aufnahme von FA-18-Hornets mit einer gekühlten FLIR InSb-Wärmebildkamera Im Allgemeinen werden heutzutage zwei Arten von Infrarotkameras verwendet: hochleistungsfähige gekühlte Photonenkameras und kostengünstige ungekühlte Mikrobolometer-Kameras. Die Mehrzahl der heute auf dem Markt erhältlichen Wärmebildkameras verwendet einen Detektor aus Indium-Antimonid (InSb). Gekühlte Kameras zählen die Energiephotonen in einem bestimmten Wellenbereich, üblicherweise im mittelwelligen Infrarotbereich bei rund 3 - 5 µm. Die Photonen treffen auf die Bildelemente und werden in Elektronen umgewandelt, die in einem Integrationskondensator gespeichert werden. Das Bildelement wird durch Öffnen oder Kurzschließen des Integrationskondensators elektronisch verschlossen. Bei einer FLIR InSb-Kamera liegt die typische Integrationszeit für Objekte mit -20 °C bis 350 °C je nach Modell zwischen etwa 6 ms und 50 µs. Diese relativ kurze Integrationszeit gestattet „Stop Motion“- Aufnahmen und ermöglicht die präzise Messung extrem schneller Transienten (Bild 2). Ungekühlte Kameras sind preiswerter, kleiner und leichter und haben eine geringere Leistungsaufnahme als ihre bereits erwähnten Gegenstücke. Die Bildelemente einer ungekühlten Kamera bestehen aus einem Material, dessen Widerstand je nach Temperatur erheblich variiert. Die gebräuchlichsten Materialien für derartige Anwendungen sind Vanadiumoxid oder amorphes Silikon. Die thermische Energie wird auf das Bildelement fokussiert, das sich infolgedessen physikalisch erwärmt oder abkühlt. Da der Widerstand des Bildelements je nach Temperatur variiert, lässt sich sein Wert messen und über einen Kalibrierungsvorgang ein Zieltemperaturmuster abbilden. Zudem haben die Bildpunkte eine begrenzte Masse und damit eine thermische Zeitkonstante. Die Zeitkonstanten moderner Mikrobolometer-Kameras liegen in der Regel zwischen 8 und 12 ms. Das bedeutet aber nicht, dass sich ein Bildelement alle 8 bis 12 ms aus- Autoren: Joachim Sarfels, Sales Manager Science, FLIR Systems GmbH, R&D-Science Division Frank Liebelt, freier Journalist, Frankfurt Bei Wärmemessungen mit Thermo elementen oder Punkt-Pyrometern kann es vorkommen, dass die thermischen Eigenschaften eines Geräts nur teilweise erfasst werden. Diese herkömmlichen Verfahren bieten nicht die erforderliche Auflösung oder Geschwindigkeit, um Hochgeschwindigkeitsanwendungen vollständig darzustellen. Infrarotkameras hingegen erfassen Tausende von Punkten einer thermischen Hochgeschwindigkeitsmessung und zeigen exakt auf, wo und wie schnell Wärme auftritt. Mit der richtigen Kamera können zuverlässige Messungen durchgeführt und Bild 3: Wärmebild eines herkömmlichen Thermoelements 20 PC & Industrie 11/2016

Bildverarbeitung Bild 4: Systemreaktion bei einem 0 °C- auf 100 °C-Übergang, tau = 10 ms, Halbzeit = 7 ms lesen lässt und eine präzise Aussage liefert! Bei einem hochwertigen System dauert es nach einer Schritteingabe erfahrungsgemäß fünf Zeitkonstanten, bis ein stabiler Zustand erreicht ist. Zeitkonstanten und ein Gedankenexperiment Um sich eine Vorstellung von der Reaktionszeit eines Mikrobolometer-Detektors zu machen, nehmen wir einfach mal an, zwei Eimer mit Wasser zu haben. In dem einen Eimer ist Eiswasser mit 0 °C und im anderen kochendes Wasser mit 100 °C. Nun richten wir das Mikrobolometer auf das Eiswasser und dann sofort auf das kochende Wasser (eine 100°C-Schritteingabe) und erfassen die resultierende Temperatur. Wenn wir die thermische Zeitkonstante von 10 ms in eine Halbzeit umwandeln, um die Berechnung zu vereinfachen, kommen wir auf rund 7 ms (Bild 4). Hier sieht man, dass das Mikrobolometer 50 °C bei 7 ms oder eine Halbzeit, 75 °C bei zwei Halbzeiten, 87,5 °C bei drei Halbzeiten usw. anzeigt. Was würde passieren, wenn man versucht, dieses Mikrobolometer bei entsprechend 100 Bildern/s oder 10 ms abzulesen? Die Kamera würde 63 °C zurückmelden und einen Fehler von 37 °C. Sie würde exakt die Temperatur des Bildelements anzeigen, wobei das Bildelement jedoch nicht die Temperatur der betrachteten Szene erreicht hätte. Grundsätzlich ist es daher nicht sinnvoll, Mikrobolometer mit mehr als etwa 30 Bildern pro Sekunde zu betreiben. Werfen wir einen Blick auf ein Druckverfahren, das erforderlich ist, um einen Bogen Papier auf bis zu 60 °C zu erwärmen. Das Papier verlässt die Walzen mit etwa 130 cm/s und muss in Breite und Länge eine einheitliche Temperatur aufweisen (Bild 5). Die angezeigten Daten wurden mit einer gekühlten Photonenkamera und einer Mikrobolometer- Kamera erfasst. Wie Bild 6 zeigt, weichen die Daten der beiden Kameras erheblich voneinander ab. Die Daten der Mikrobolometer-Kamera zeigen insgesamt eine große, relativ konstante Delle im Temperaturverlauf. Die Daten der Photonenkamera zeigen deutliche Schwankungen im Temperaturverlauf. Wie die gekühlte Kamera andeutet, hat sich die Heizwalzeneinheit durch den Kontakt mit dem Papier während der ersten Umdrehung abgekühlt. Der On/Off-Controller hat den Temperaturabfall erfasst und als Reaktion darauf die Heizsteuerung wieder vollständig aktiviert. Daraufhin hat sich die Walze bis zum Sollwert wieder aufgeheizt Bild 5: Wärmebild von Papier beim Verlassen von Heizwalzen Bild 6: InSb versus Mikrobolometer bei thermischen Transienten und dann abgeschaltet, und der Vorgang wurde wiederholt. Diese eine Kurve hat gereicht, um den Forschungs- und Entwicklungsingenieur von zwei Sachen zu überzeugen: Zum Testen des Produkts wird eine photonenzählende Kamera benötigt, und an Stelle des einfachen On/Off-Controllers muss die Heizwalze mit einem PID-Steuerungssystem versehen werden, falls die gewünschten Konstruktionsziele erreicht werden sollen. Im zweiten Beispiel betrachten wir die Schaufeln eines sich schnell drehenden Lüfterrads und versuchen, mit Hilfe einer Stop-Motion- Aufnahme deren Temperatur exakt zu messen. Erwartungsgemäß wäre das Bild bei zu kurzen Belichtungszeiten unscharf und man könnte keine Stop-Motion-Aufnahme machen, um zuverlässige Temperaturmesswerte zu erhalten (Bild 7). Bemerkenswert ist, wie durch die kurze Integrationszeit der gekühlten Kamera die Schaufelbewegung PC & Industrie 11/2016 21

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