2-2017

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung High-Speed-Wärmebildkameras für Automatisierungsanwendungen Bild 1: Prozessüberwachung einer Fertigungslinie: Bei Flaschen lassen sich verschiedene Bereiche festlegen und nutzen, um einen Alarm auszulösen und über- oder unterfüllte Flaschen zu entfernen Wärmebildtechnik lassen sich zahlreiche industrielle Produktionsanwendungen verbessern, unter anderem die Prozessüberwachung und -kontrolle, die Qualitätssicherung, das Asset Management und die Maschinenzustandsüberwachung. Wärmebildtechnik für Automatisierungsanwendungen Wärmebildkameras erkennen die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung und wandeln diese in ein visuelles Bild um, das die Temperaturunterschiede auf dem jeweiligen Objekt oder im jeweiligen Bereich sichtbar macht. Wärmeenergie deckt einen Teil des elektromagnetischen Spektrums ab und wird von allen Objekten abgestrahlt, deren Temperatur über Null Grad Celsius liegt. Je höher ihre Temperatur ist, desto mehr Wärmeenergie strahlen sie ab. Eine Wärmebild- oder Infrarotkamera (IR) kann Wärme bilder von den jeweiligen Zielobjekten aufnehmen und ermöglicht präzise berührungslose Temperaturmessungen. Diese quantitativen Messungen lassen sich bei zahlreichen Überwachungs- und Kontrollanwendungen einsetzen. Manchmal werden Wärmebildkameras auch als intelligente Sensoren bzw. Smart-Sensoren bezeichnet. Dann verfügt die betreffende Wärme bildkamera über integrierte Logik- und Analysefunktionen, mit denen sie die gemessenen Temperaturen mit den vom Anwender bereitgestellten Temperaturdaten vergleichen kann. Außerdem ist sie mit einer digitalen E/A-Schnittstelle ausgestattet, damit sich die Temperaturdifferenz für Alarm- und Kontrollfunktionen nutzen lässt. Gekühlte und ungekühlte Kameras Die Auswahl von Wärmebildkamerasystemen für Automatisierungsanwendungen ist riesig. Deshalb fragen sich viele Anwender: „Soll ich ein gekühltes oder ein ungekühltes Wärmebildkamerasystem einsetzen, und welches davon ist am preisgünstigen?“ Heutzutage sind zwei verschiedene Arten von Wärmebildkameras auf dem Markt erhältlich: gekühlte Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Markus Moltkau, Sales Manager Central Europe Automation, FLIR Systems GmbH, Frank Liebelt, freier Journalist, Frankfurt Wärmebildkameras werden bereits seit vielen Jahren an den Fertigungsstrecken genutzt. Fertigungs- und Verfahrenstechnikspezialisten setzen Wärmebildkameras mit großem Erfolg bei praktisch allen Automatisierungsanwendungen ein, unter anderem in den Bereichen automatisierte Inspektion, Prozesskontrolle, Zustandsüberwachung, Brandschutz und -erkennung sowie kontinuierliche Gasdetektion (OGI). Trotzdem sind nicht alle Wärmebildkameras gleich konstruiert. Außerdem werden für bestimmte High-Speed-Automatisierungsanwendungen spezielle hochmoderne Wärmebildkameras benötigt. FLIR A66xx: Kompakte Wärmebildkamera mit gekühltem InSb-Detektor Fertigungs- und Verfahrenstechnikspezialisten setzen häufig Automatisierungstechniken ein, um die Durchsatzrate und die Produktqualität zu erhöhen. Mit automatisierter Bild 2: Gekühlte Automatisierungskameras können für die Überwachung von High-Speed-Fließbandanwendungen wie bei dieser Schraubverschlussmaschine interessant sein und ungekühlte Systeme. Da die Kosten bei beiden Systemen konstruktionsbedingt sehr unterschiedlich ausfallen können, sollte man vorher unbedingt genau abwägen, welches davon am besten zu den Anforderungen passt. Gekühlte Wärmebildkameras Bei einer modernen gekühlten Wärmebildkamera ist der Bildsensor in einem Kryokühler eingebettet. Dieser senkt die Sensortemperatur auf ein besonders niedriges, kryogenes Niveau. Diese Absenkung ist notwendig, um das wärmeinduzierte Rauschen permanent auf ein Niveau zu reduzieren, das unter- 18 2/2017

Qualitätssicherung Bild 3a: Von einer gekühlten Wärmebildkamera aufgenommenes Bild einer Elektronikplatine Bild 3b: Von einer ungekühlten Wärmebildkamera aufgenommenes Bild einer Elektronikplatine halb des Signalpegels liegt, den der erfasste Gegenstand oder Bereich an die Umgebung abstrahlt. Kryokühler sind mit beweglichen Teilen ausgestattet, die mit äußerst geringen mechanischen Toleranzen gefertigt werden und sich mit der Zeit abnutzen. Zusätzlich sind sie mit einer bestimmten Menge Helium befüllt, die allmählich durch die Gasdichtungen nach außen entweicht. Gekühlte Wärmebildkameras haben von allen Kameratypen die besten Empfindlichkeitseigenschaften und können selbst geringste Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Objekten erkennen. Sie lassen sich für die Bilderfassung im mittelwelligen Band des Infrarotspektrums (MWIR) herstellen, in denen der Wärmekontrast aufgrund der physikalischen Schwarzkörperstrahlung am stärksten ist. Der Wärmekontrast steht für die Signaländerung bei einer entsprechenden Temperaturänderung des Zielobjekts. Je höher der Wärme kontrast ausfällt, desto einfacher lassen sich die betreffenden Zielobjekte vor einem Hintergrund erkennen, der nicht wesentlich kälter oder wärmer ist als sie selbst. Ungekühlte Wärmebildkameras Ungekühlte Infrarotkameras sind Wärmebildkameras, deren Bildsensor nicht durch einen Kryokühler gekühlt werden muss. Eine gängige Detektorbauweise basiert auf dem Mikrobolometer, einem winzigen Vanadiumoxid-Widerstand mit hohem Temperaturkoeffizienten, der auf einem Siliziumelement mit großer Oberfläche, niedriger Wärmekapazität und guter Wärmeisolierung montiert wird. Wenn sich die Temperatur im überwachten Bereich ändert, 2/2017 ändert sich auch die Bolometertemperatur. Diese Änderungen werden zunächst in elektrische Signale und anschließend in ein für das menschliche Auge aussagekräftiges Bild umgewandelt. Ungekühlte Sensoren sind speziell für die Bilderfassung im langwelligen Band des Infrarotspektrums (LWIR) konzipiert, in dem die terrestrischen Temperaturziele den Großteil ihrer Infrarotenergie abstrahlen. Ungekühlte Kameras sind allgemein deutlich preisgünstiger als gekühlte Infrarotkameras. Im Vergleich zu gekühlten Sensoren lassen sich ungekühlte Sensoren mit weniger Produktionsschritten und demzufolge auch in größeren Stückzahlen herstellen. Außerdem benötigen ungekühlte Kameras weniger teure Vakuumverpackungen und keinen kostspieligen Kryokühler. Darüber hinaus bestehen ungekühlte Kameras im Vergleich zu gekühlten Kameras aus weniger beweglichen Teilen und bieten trotz ähnlicher Nutzungsbedingungen häufig eine längere Lebensdauer. Gekühlte Kameras für Automatisierungsanwendungen Hinsichtlich der Vorteile ungekühlter Kameras ergibt sich folgende Frage: Wann ist es besser, eine gekühlte Wärmebildkamera für Automatisierungsanwendungen zu verwenden? Die Antwort lautet: Das hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Sie wollen oder müssen selbst kleinste Temperaturunterschiede innerhalb kurzer Zeitabstände erkennen, stets die bestmögliche Bildqualität erzielen, sich schnell bewegende oder erwärmende Zielobjekte messen, das Wärmeprofil oder die Temperatur eines sehr kleinen Zielobjekts erkennen oder messen, die Wärmeobjekte in einem ganz bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums sichtbar machen oder die Wärmebildkamera mit anderen Messinstrumenten synchronisieren? Dann ist eine gekühlte Wärmebildkamera in jedem Fall die beste Wahl. Geschwindigkeit Gekühlte Kameras zeichnen sich im Vergleich zu ungekühlten Kameras durch ihre wesentlich höheren Bilderfassungsgeschwindigkeiten aus. Automatisierungskameras wie die Kameras der FLIR A66xx-Serie können, dank ihrer hohen Bildrate, bis zu 480 Bilder pro Sekunde aufnehmen. Dadurch eignen sie sich ideal zum Erfassen sich schnell bewegender oder erwärmender Zielobjekte. Das kann beispielsweise für die Überwachung der Fertigungsqualität bei High-Speed- Fließbandanwendungen (Bild 2) interessant sein. Die Bildrate von ungekühlten Wärmebildkameras ist einfach zu gering, um mit der hohen Geschwindigkeit mancher Fließbandanwendungen Schritt zu halten. Gekühlte Kameras zeichnen sich durch ihre besonders schnellen Reaktionszeiten aus und verwenden einen globalen Auslöser. Das heißt, dass sie alle Bildpunkte (Pixel) auf einmal auslesen können, also nicht Zeile für Zeile, wie es bei ungekühlten Kameras der Fall ist. Deshalb eignen sich gekühlte Kameras wesentlich besser, um sich bewegende Objekte aufzunehmen. Dies spielt insbesondere in der verarbeitenden Industrie eine wichtige Rolle, beispielsweise bei der Papierverarbeitung oder Großmengenfertigung, da die Fertigungslinien hier durchweg mit einer hohen Geschwindigkeit laufen, die sich nicht verringern lässt. Außerdem können gekühlte Kameras die Temperaturveränderungen bei sich rasch erwärmenden Objekten präzise erfassen. Räumliche Auflösung Da gekühlte Kameras kürzere Infrarot-Wellenlängen erfassen, bieten sie im Vergleich zu ungekühlten Kameras in der Regel auch eine höhere Vergrößerungsleistung. Außerdem lassen sich bei gekühlten Kameras, aufgrund ihrer höheren Empfindlichkeitswerte, Objektive mit mehreren oder stärkeren optischen Elementen verwenden, um eine höhere Vergrößerungsleistung zu erzielen, ohne dass sich der Signalrauschabstand dadurch verschlechtert. Die Wärmebilder in Bild 3 vergleichen die jeweils maximale Vergrößerung bei Nahaufnahmen, die sich mit einem gekühlten und einem ungekühlten Kamerasystem erzielen lässt. Das linke Bild wurde von einer gekühlten IR-Kamera mit einem 4-fach-Makroobjektiv und 13 ?m Detektorabstand aufgenommen. Das Resultat ist ein 3,5 µm großer Messpunkt. Das rechte Bild wurde von einer ungekühlten IR-Kamera mit einem 1-fach-Makroobjektiv und 25 µm Detektorabstand aufgenommen. Das Resultat ist ein 25 µm großer Messpunkt. Empfindlichkeit Wie muss man sich den geringfügigen Empfindlichkeitsunterschied von 50 mK bei einer ungekühlten Kamera gegenüber 20 mK bei einer 19