Thermografie und radiometrische Eigenschaften

Dieses Kapitel soll einen kurzen Überblick über die radiometrische Temperaturmessung mit Infrarotkameras geben. Voraussetzung für eine Temperaturmessung mit der IRSX ist, dass die Kamera eine Kalibrierung hat. Dies kann durch die GenICam Nodes Radiometric Control in den Kameraeigenschaften erkannt werden.

Die Kameraserie IRSX ist ausschließlich mit thermischen Sensoren ausgestattet. Ein wesentliches Merkmal dieser Sensoren ist die direkte proportionale Beziehung zur Strahlungsenergie, die von einem Objekt auf den Detektor trifft. Die Strahlungsenergie hängt nichtlinear von der Objekttemperatur ab und wird sowohl von den Umgebungsbedingungen als auch von den Objektparametern beeinflusst.

Um die Temperatur eines Objekts über seine Infrarotstrahlung messen zu können, ist es wichtig, einige Parameter der Messsituation zu kennen. Die wichtigsten Parameter sind in der folgenden Skizze dargestellt.

Der Emissionsgrad hängt von verschiedenen Objekteigenschaften wie Material, Oberflächenbeschaffenheit, Betrachtungswinkel und auch von der Objekttemperatur selbst ab. Daher ist dieser Parameter einer der wichtigsten bei der thermografischen Temperaturmessung. In der Praxis sind Werte zwischen 0,1 (z. B. polierte Metalloberflächen) und 0,98 (z. B. die menschliche Haut) üblich.

Der funktionale Zusammenhang zwischen der Objekttemperatur und dem Signal S_Det der Kamera, unter Berücksichtigung der betrachteten Szene, wird durch die folgende Formel beschrieben:

Die meisten IRSX-Modelle können zwei Kalibrierungssätze speichern. Dies ermöglicht einen Austausch des Objektivs ohne Neukalibrierung. Die zu den Objektiven gehörenden Kalibrierungssätze können in den GenICam Nodes unter der Kameraeigenschaft Lens Selector in der Gruppe Lens Control ausgewählt werden. Bei Auslieferung ohne Ersatzobjektiv ist das entsprechende Kalibrierungsset standardmäßig unter Lens1 gespeichert. Für jedes Kalibrierungsset können Sie über die Eigenschaft Temperaturbereichsauswahl zwischen dem hohen und dem niedrigen Temperaturmessbereich umschalten.

Bei der Temperaturberechnung müssen die äußeren Umwelteinflüsse, wie z.B. die Umgebungstemperatur, mitberücksichtigt werden. Die Objekttemperatur kann nach der folgenden Formel berechnet werden:

Um aus dem Kamerasignal einen Temperaturwert zu berechnen, werden die Parameter R, B, F, O benötigt. Diese können aus der Kamera ausgelesen werden. Darüber hinaus müssen die Umgebungsparameter bekannt sein.

Für die Übertragung der Atmosphäre, 𝜏_Atm= 1 kann bei kurzen Entfernungen angenommen werden. Wenn kein Schutzfenster eingebaut ist,𝜏_Lens = 1 verwendet werden kann. Um die Temperatur aus dem Signalwert zu berechnen, müssen zunächst die folgenden Parameter berechnet werden.

Berechnung der Emissionsgrade:

Die IRSX-Serie ermöglicht die Berechnung des Ausgangssignals direkt proportional zur Objekttemperatur. Es gibt zwei Genauigkeitsstufen, die sich in ihrer Dynamik unterscheiden. Die Funktion kann in den GenICam Nodes unter Radiometric Pixel Format in der Gruppe Radiometric Control ausgewählt werden.

Die folgende Abbildung zeigt die Auswahl der Temperaturlinearisierung mit dem Faktor 0,04:

Angenommen, der Signalwert in einem Pixel beträgt 7600, so wird die Temperatur wie folgt berechnet:

Temperatur in Kelvin

Temperatur in Celsius

Um Temperaturen mit dieser Methode zu messen, müssen die Umgebungseigenschaften wie Emissionsgrad, Transmission und Temperaturen in der Kamera eingestellt werden. Sie finden diese Einstellungen in den GenICam-Knoten unter Radiometrische Steuerung.