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10-2016

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

Bildverarbeitung Bild 5:

Bildverarbeitung Bild 5: Aufnahme desselben Objektes mit verschiedenen Temperaturbereichen: -20 bis 120 °C (links) und 0 bis 650 °C (rechts). Die Temperatur im linken Bild wird mit einem Warnhinweis (roter Kreis mit weißem Kreuz) angezeigt, da dieser Messwert außerhalb des kalibrierten Bereichs liegt Bild 6: „Thermografische Untersuchung“ eines nicht zugänglichen Objektes xionen wahrgenommen werden. In der Thermografie nimmt die Kamera sowohl emittierte als auch reflektierte Strahlung auf. Somit ist das Verhältnis und die Intensität sowohl der vom Objekt abgegebenen und als auch der aus der Umgebung stammenden Infrarotstrahlung wichtig. Helligkeit und Kontrast im Bild werden durch Anpassen des gezeigten Temperaturintervalls angepasst. Auf einige Schlagwörter reduziert lässt sich der Vergleich von Fotografie und Thermografie in Tabelle 1 zusammenfassen: Wie in der Fotografie gibt es auch in der Thermografie zahlreiche Möglichkeiten ein aufgenommenes Bild nachzubearbeiten, sofern es als radiometrisches Bild gespeichert wurde. Doch nicht alle Einstellungen sind veränderbar und somit sind auch nicht alle Aufnahmefehler reparabel. Die drei Unveränderlichen – Grundlage für ein gutes Bild 1. Fokus Ein professionelles Wärmebild ist immer fokussiert und scharf. Das Objekt und das Wärmemuster müssen klar und deutlich zu erkennen sein. Bild 7: Zu- und Rücklaufleitungen von Heizkörpern in einem Großraumbüro. Das linke Bild wurde aus 1 m Entfernung aufgenommen, der Messfleck ist ausgefüllt und die Temperaturmessung korrekt. Das rechte Bild wurde aus 3 m Entfernung aufgenommen, der Messfleck ist nicht vollständig ausgefüllt und die gemessenen Temperaturwerte sind falsch: 31,4 und 24, 4 °C statt 33,2 und 25,9 °C 10 PC & Industrie 10/2016

Bildverarbeitung Ein unscharfes Wärmebild wirkt nicht nur unprofessionell und erschwert die Identifizierung des Objektes und der Fehlerstelle, es verursacht zudem Messfehler, die umso gravierender sind, je kleiner das Messobjekt ist. Auch wenn alle anderen Parameter richtig eingestellt sind, werden die Messwerte eines nicht fokussierten Wärmebildes mit hoher Wahrscheinlichkeit falsch sein. Selbstverständlich spielt auch die Größe der Detektormatrix bei der Bildqualität eine Rolle. Bilder von Kameras mit kleineren Detektoren (d. h. mit weniger Pixeln) sind unschärfer oder „grober“ und es entsteht leicht der Eindruck, sie seien nicht fokussiert. Dabei ist auch zu beachten, dass nicht jede Kamera fokussiert werden kann, und in diesem Falle der Abstand vom Objekt die einzige Fokussiermöglichkeit darstellt. Bild 8: Wärmebild im automatischen Modus (links) und im manuellen Modus (rechts). Das angepasste Temperaturintervall erhöht den Kontrast im Bild und lässt die Fehlstelle deutlich werden 2. Temperaturmessbereich Bei handgehaltenen ungekühlten Mikrobolometerkameras ist die „Belichtungszeit“ durch die Bildwiederholfrequenz sozusagen voreingestellt. Somit kann nicht frei gewählt werden wie lange, und damit wieviel, Strahlung auf den Kameradetektor fällt. Deshalb muss ein passender Temperaturmessbereich gewählt werden, der der einfallenden Strahlungsmenge entspricht. Bei Auswahl eines zu niedrigen Temperaturmessbereichs wird das Bild übersättigt, da Objekte höherer Temperatur mehr Infrarotstrahlung abstrahlen als kältere Objekte. Wird ein zu hoher Temperaturmessbereich gewählt, ist das Wärmebild sozusagen „unterbelichtet“ und wird undeutlich. Für eine Aufnahme bzw. Temperaturmessung sollte daher der niedrigste mögliche in der Kamera verfügbare Temperaturmessbereich gewählt werden. Gleichzeitig muss dieser die höchsten Temperaturen im Bild abdecken. Je nach Kameramodell und Einstellungsmöglichkeiten könne überbzw. untersteuerte Bereiche auch mit einer Kontrastfarbe angezeigt werden. 3. Bildausschnitt und Abstand zum Objekt Der Ausleuchtung in der Fotografie entspricht das Zusammenspiel von Objektstrahlung und reflektierter Umgebungsstrahlung, wobei letztere stört und zumindest Punktreflexionen vermieden werden sollten. Dies geschieht durch Aufsuchen einer geeigneten Aufnahmeposition. Diese sollte auch so gewählt sein, dass auf dem Bild das Objekt von Interesse zu sehen ist und nicht verdeckt wird. Dies mag selbstverständlich erscheinen, doch gerade im Gebäudebereich habe ich schon viele Berichte gesehen, in denen die zu untersuchenden Leitungen oder Fenster von Sofas, Zimmerpflanzen oder Gardinen verdeckt waren.Bild 6 illustriert diesen doch viel zu oft vorkommenden Fall. Wichtig ist auch, dass das zu untersuchende Objekt, bzw. dessen interessante Bereiche das Wärmebild ausfüllen. Dies gilt vor allem bei der Temperaturmessung von kleinen Objekten. Der Messfleck eines einzelnen Detektors muss vom Objekt vollständig ausgefüllt sein, um korrekte Temperaturmessung zu ermöglichen. Da das Bildfeld und damit die Messfleckgröße durch die Entfernung zum Objekt und die Optik definiert sind, muss in diesen Fällen der Abstand zum Objekt verringert werden („näher ran!“) oder ein Teleobjektiv gewählt werden. Die Veränderlichen – Bildoptimierung und Temperaturmessung 1. Level und Span Nach Wahl des geeigneten Messbereiches erfolgt die Feinjustierung von Kontrast und Helligkeit im Wärme bild durch das Anpassen des angezeigten Temperaturintervalls. Im manuellen Modus können die in der Palette verfügbaren Falschfarben gezielt auf die Temperaturen des Objektes von Interesse verteilt werden. Im automatischen Modus wählt die Kamera dagegen die kälteste und wärmste scheinbare Temperatur im Bild als untere und obere Grenze des momentan angezeigten Temperaturintervalls. Eine gute, d. h. problemspezifische Skalierung des Wärmebildes ist ein wesentlicher Schritt bei der Interpretation des Bildes und wird leider häufig unterschätzt. 2. Paletten und Isotherme Paletten stellen Intervalle mit jeweils gleichen scheinbaren Temperaturen in unterschiedlichen Farben dar. Sie übersetzen also eine bestimmte Strahlungsintensität in eine spezifische Farbe. Häufig verwendete Paletten sind die Grau-, Eisen- und Regenbogenpalette. Grautöne sind besonders geeignet, um kleine geometrische Details aufzulösen aber weniger gut für die Anzeige kleiner Temperaturunterschiede. Die Eisenpalette ist sehr intuitiv und damit auch für Laien leicht zu verstehen. Sie bietet eine gute Balance zwischen geometrischer und thermischer Auflösung. Die Regenbogenpalette ist bunter und wechselt zwischen dunklen und hellen Farben. Dadurch ergibt sich ein starker Kontrast, welcher bei Objekten mit unterschiedlichen Oberflächen oder Bild 9: Graustufen-, Eisen- und Regenbogenpalette PC & Industrie 10/2016 11

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel