Entwurf von Pyrometern und Wärmebildkameras

Pyrometer

Infrarotthermometer beziehungsweise Pyrometer messen die Oberflächentemperatur eines Objekts aus der Entfernung, indem sie dessen emittierte Infrarotstrahlung erfassen. Sie werden häufig für berührungslose Einpunkt-Temperaturmessungen eingesetzt. Alle Pyrometer basieren auf einem ähnlichen grundlegenden Funktionsprinzip: Ein optisches System (Linse) erfasst die Wärmestrahlung des Messobjekts und fokussiert sie auf einen Infrarotdetektor. Der Detektor, der für einen bestimmten IR-Wellenlängenbereich empfindlich ist, wandelt die Strahlung in ein kleines elektrisches Signal um, das proportional zur Temperatur des Messobjekts ist. Dieses Signal wird anschließend an die Elektronik des Geräts weitergeleitet, wo es verstärkt und verarbeitet wird. Das verarbeitete Signal wird als Temperaturmesswert ausgegeben, entweder auf einem integrierten Display oder über analoge beziehungsweise digitale Schnittstellen zur Integration in andere Systeme.

Abbildung 1 veranschaulicht eine typische Signalkette eines Pyrometers: Die IR-Strahlung des Objekts wird durch die Linse auf den Detektor fokussiert und erzeugt dort ein schwaches elektrisches Signal. Dieses Signal wird anschließend verstärkt und durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert. Im Mikroprozessor werden Kalibrierdaten und Linearisierungsalgorithmen angewendet, um das digitalisierte Signal in einen genauen Temperaturwert umzuwandeln, der angezeigt oder als Ausgangssignal übertragen werden kann. Ein zusätzlicher Umgebungssensor überwacht die Eigentemperatur des Pyrometers zur Kompensation. Der gesamte Messvorgang erfolgt nahezu verzögerungsfrei und kann kontinuierlich aktualisiert werden.

Moderne Pyrometer führen intern drei wesentliche Verarbeitungsschritte durch:

1. Umwandlung von Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal: Die einfallende IR-Strahlung wird vom Detektor in ein elektrisches Signal umgewandelt.
2. Hintergrundkompensation: Einflüsse des Hintergrunds, beispielsweise die Eigentemperatur des Geräts oder die Umgebungsstrahlung, werden mithilfe eines Referenzsensors oder von Kalibrieralgorithmen korrigiert.
3. Linearisierung und Ausgabe: Das Rohsignal, das typischerweise nichtlinear von der Temperatur abhängt, wird anhand bekannter Kalibrierkurven linearisiert, um einen genauen Temperaturmesswert zu erzeugen. Das Ergebnis wird anschließend im gewünschten Format ausgegeben, beispielsweise als digitaler Messwert oder als analoges Spannungs- beziehungsweise Stromsignal.

Pyrometer verfügen häufig über Funktionen, die eine präzise Ausrichtung auf den richtigen Messfleck erleichtern und dabei Zielgröße und Messabstand berücksichtigen. Viele Geräte verwenden eine integrierte Laservisierhilfe zur Kennzeichnung des Messflecks. Beispielsweise können zwei Laser ein Fadenkreuz auf dem Messobjekt erzeugen und dadurch Mittelpunkt und Grenzen des Messbereichs markieren. Dies ist insbesondere bei größeren Entfernungen hilfreich, da der Anwender genau erkennen kann, über welchen Bereich der Sensor mittelt. Fortschrittliche Systeme verwenden zwei Laserdioden mit Liniengeneratoren, die im 90°-Winkel angeordnet sind und ein Fadenkreuz projizieren, das unabhängig vom Abstand präzise bleibt und Messfleckgröße sowie Position eindeutig kennzeichnet. Einige hochwertige Pyrometer ersetzen optische Visiereinrichtungen sogar durch Videokameramodule zur präzisen Ausrichtung auf das Messobjekt.

Pyrometer sind entweder mit Festfokusoptiken oder mit einstellbaren Fokusoptiken erhältlich. Ein Festfokuspyrometer ist für einen bestimmten Abstand voreingestellt und bietet dort den optimalen Fokus sowie die optimale Messfleckgröße. Es kann auch bei anderen Abständen messen, allerdings mit einer geringeren optischen Auflösung, also einer größeren Messfleckgröße im Verhältnis zum Abstand. Pyrometer mit variablem Fokus ermöglichen dagegen eine kontinuierliche Anpassung des Fokus an den gewünschten Messabstand. Dadurch werden für jeden Abstand die kleinstmögliche Messfleckgröße und die bestmögliche optische Auflösung erreicht, was insbesondere bei Messobjekten unterschiedlicher Größe oder bei wechselnden Messabständen von Vorteil ist. Durch die Fokuseinstellung behält das Gerät sein spezifiziertes Verhältnis von Abstand zu Messfleckgröße (D:S) für den gewählten Abstand bei und verbessert dadurch die Genauigkeit bei kleinen oder weit entfernten Messobjekten.

Moderne Infrarotpyrometer decken eine große Bandbreite an Spektralbereichen, Temperaturbereichen und Ansprechgeschwindigkeiten ab und eignen sich damit für unterschiedlichste industrielle Anwendungen. Es sind sowohl kompakte, kostengünstige Modelle als auch Hochleistungsgeräte mit fortschrittlichen Optiken und Detektoren erhältlich. Je nach Modell können die Ausgangsschnittstellen analoge Signale, beispielsweise eine 4–20-mA-Stromschleife oder 0–10 V, sowie digitale Feldbuskommunikation zur Integration in Prozessleitsysteme umfassen. Durch die Auswahl geeigneter Wellenlängenfilter und Detektortypen können Pyrometer für bestimmte Materialien oder Umgebungsbedingungen optimiert werden.

Wärmebildkamera

Eine Wärmebildkamera ist ein Gerät, das ein Bild erzeugt, bei dem jedes Pixel die Temperatur eines kleinen Bereichs der Szene darstellt. Im Gegensatz zu einem Punktpyrometer, das einen einzelnen Temperaturmesswert liefert, erzeugt eine Wärmebildkamera eine zweidimensionale Temperaturkarte des gesamten Sichtfelds.

Wärmebildkameras werden grundsätzlich in ungekühlte und gekühlte Systeme unterteilt. Ungekühlte Kameras, die am häufigsten für allgemeine Anwendungen eingesetzt werden, verwenden thermische Mikrobolometer aus Vanadiumoxid (VOx) oder amorphem Silizium, die bei oder nahe der Raumtemperatur arbeiten. Sie sind kleiner, benötigen keinen kryogenen Kühler und sind wartungsfrei, weisen jedoch typischerweise eine geringere Empfindlichkeit und eine langsamere Ansprechzeit als gekühlte Kameras auf. Gekühlte Infrarotkameras verwenden dagegen Quantendetektoren aus InSb oder HgCdTe, die in einem Vakuum-Dewar untergebracht und üblicherweise auf kryogene Temperaturen heruntergekühlt werden, um eine sehr hohe Empfindlichkeit und schnelle Ansprechzeit zu erreichen. Gekühlte Kameras können kleinste Temperaturunterschiede erfassen und schnelle thermische Ereignisse aufzeichnen, sind jedoch größer und teurer, und ihre Kühlsysteme benötigen Energie sowie regelmäßige Wartung.

Das grundlegende Funktionsprinzip ähnelt dem einer herkömmlichen Digitalkamera, allerdings wird anstelle von sichtbarem Licht die von Objekten emittierte Infrarotstrahlung genutzt. In einer Wärmebildkamera fokussiert eine Infrarotlinse die einfallende Infrarotstrahlung auf ein Focal-Plane-Array (FPA) aus Detektoren. Dieses Detektorarray besteht aus einem Raster vieler kleiner IR-empfindlicher Elemente (Pixel). Gängige Auflösungen reichen von 160×120 und 320×240 bis zu 640×480 Pixeln oder mehr. Jeder Pixeldetektor erzeugt ein elektrisches Signal, das proportional zur Infrarotintensität des entsprechenden Punkts in der Szene ist. Da alle Objekte oberhalb des absoluten Nullpunkts Wärmestrahlung emittieren, kann die Kamera Temperaturunterschiede auch bei völliger Dunkelheit erfassen.

Die Signale des Detektorarrays werden anschließend von der Elektronik der Wärmebildkamera verstärkt, digitalisiert und verarbeitet, um ein zusammenhängendes Bild zu erzeugen. Bei ungekühlten Wärmebildkameras mit thermischen Mikrobolometern befindet sich typischerweise ein mechanischer Shutter oder ein vergleichbarer Kalibriermechanismus vor dem Detektorarray, der sich in regelmäßigen Abständen schließt. Im geschlossenen Zustand stellt der Shutter für alle Pixel eine einheitliche Temperaturreferenz bereit. Die Wärmebildkamera erfasst in diesem Moment die Offsetwerte der Detektoren, berücksichtigt dadurch Drift und Nichtuniformitäten des Sensors und verwendet diese Daten zur Korrektur der nachfolgenden Bilder. Ein Umgebungssensor überwacht die Eigentemperatur der Wärmebildkamera zur Kompensation. Dieser als Non-Uniformity Correction (NUC) bezeichnete Prozess minimiert feststehendes Bildrauschen und sorgt dafür, dass die Temperaturmesswerte über das gesamte Bild hinweg genau und konsistent sind. Der Shutter kann automatisch in festgelegten Intervallen oder bei Änderungen der internen Kameratemperatur aktiviert werden. Nach der Kalibrierung und Digitalisierung interpretiert die Software der Wärmebildkamera die Daten jedes Pixels und berechnet mithilfe von Kalibrierkurven die entsprechende Temperatur.

Das resultierende Wärmebild kann anschließend mit einer Falschfarbenpalette dargestellt werden, bei der unterschiedliche Temperaturen bestimmten Farben zugeordnet werden. Beispielsweise können heißere Bereiche weiß oder gelb, mittlere Temperaturen rot oder grün und kühlere Bereiche blau dargestellt werden. Diese Falschfarbendarstellung ermöglicht es dem Anwender, Hotspots, kalte Bereiche oder Temperaturgradienten in der Szene schnell visuell zu erkennen. Viele Wärmebildkameras ermöglichen darüber hinaus die Anzeige von Temperaturwerten an bestimmten Punkten oder in definierten Bereichen und können Alarme auslösen, wenn ein Temperaturgrenzwert überschritten wird.

Bei ungekühlten Wärmebildkameras für die industrielle Inspektion werden häufig motorisierte Fokusmechanismen eingesetzt, um eine präzise Einstellung der Fokusebene zu ermöglichen. Während Autofokus bei handgeführten Wärmebildkameras weit verbreitet ist – da Anwender das Gerät häufig neu positionieren und von automatischen Fokusanpassungen profitieren –, wird er bei stationären industriellen Systemen in der Regel vermieden. Fest installierte Kameras überwachen typischerweise ein gleichbleibendes Sichtfeld, weshalb eine manuelle oder ferngesteuerte motorisierte Fokussierung geeigneter und zuverlässiger ist. Im Gegensatz zu Kameras für sichtbares Licht, die auf scharfe Kanten und hohe Kontraste im sichtbaren Spektrum angewiesen sind, weisen thermische Szenen häufig keinen ausreichenden Temperaturkontrast auf, insbesondere bei der Inspektion gleichmäßig warmer oder homogener Oberflächen. Autofokus-Algorithmen können in solchen Fällen möglicherweise keine geeignete Fokuskenngröße bestimmen, was zu einer suboptimalen Bildschärfe führt. Eine manuelle oder softwaregestützte Fokuseinstellung auf Grundlage der Signalklarheit oder vordefinierter Positionen liefert in diesen Fällen zuverlässigere Ergebnisse für kritische Temperaturüberwachungsaufgaben.

Wärmebildkameras sind in unterschiedlichen Leistungsklassen erhältlich und unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich Spektralbereich, Empfindlichkeit (Noise Equivalent Temperature Difference, NETD), Bildfrequenz und Auflösung, wodurch sie sich für verschiedene Anwendungen eignen.

Infrarotdetektoren

Die Leistungsfähigkeit sowohl von Pyrometern als auch von Wärmebildkameras hängt wesentlich von ihren Infrarotdetektoren ab, also den Bauelementen, die Wärmestrahlung in elektrische Signale umwandeln. Grundsätzlich lassen sich IR-Detektoren nach ihrem Funktionsprinzip in zwei Kategorien unterteilen: thermische Detektoren und Quantendetektoren. Beide Arten umfassen mehrere Untertypen mit jeweils eigenen Eigenschaften. In der Praxis sind beide Detektorklassen von großer Bedeutung. Trotz der höheren Geschwindigkeit von Quantendetektoren bleiben thermische Detektoren in vielen Anwendungen aufgrund ihrer Zuverlässigkeit, ihres Betriebs bei Umgebungstemperatur und ihrer breiten spektralen Empfindlichkeit sehr nützlich.

Thermosäule

Ein Thermosäulendetektor besteht im Wesentlichen aus mehreren in Reihe oder parallel geschalteten Thermoelementen, um eine temperaturbedingte Spannung zu verstärken. Er nutzt den thermoelektrischen Effekt: Wird die Verbindungsstelle zweier unterschiedlicher Metalle erwärmt, entsteht aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung. Bei einem Infrarot-Thermosäulendetektor wird ein Array aus vielen kleinen Thermoelementverbindungen, beispielsweise Wismut-/Antimon-Paaren, auf einem Chip gefertigt und thermisch mit einer IR-absorbierenden Fläche gekoppelt. Wird Infrarotstrahlung von dieser Fläche absorbiert, steigt die Temperatur der Verbindungsstellen an und erzeugt eine messbare Ausgangsspannung, die proportional zur einfallenden Strahlung ist. Die Vielzahl der Thermoelemente in einer Thermosäule liefert ein größeres Ausgangssignal als ein einzelnes Thermoelement und verbessert dadurch die Empfindlichkeit.

Thermosäulendetektoren werden seit Jahrzehnten für die berührungslose Temperaturmessung eingesetzt. Sie benötigen weder Chopper noch Modulation und können konstante Strahlungsniveaus erfassen, wodurch sie sich für die Messung der absoluten Temperatur von Objekten eignen. Nach der Kalibrierung entspricht das Ausgangssignal einer Gleichspannung, die proportional zur Zieltemperatur ist. Sie bieten eine gute Stabilität und arbeiten bei Raumtemperatur, ihre Ansprechzeit liegt jedoch im Bereich von mehreren zehn Millisekunden.

Pyroelektrische Detektoren

Pyroelektrische Detektoren verwenden Kristalle aus pyroelektrischem Material, beispielsweise Triglycinsulfat oder Lithiumtantalat, die eine spontane elektrische Polarisation aufweisen, die sich mit der Temperatur verändert. Wenn sich die Temperatur des Kristalls durch die Absorption von Infrarotstrahlung verändert, erzeugt die Änderung der Polarisation eine vorübergehende Oberflächenladung. Im Wesentlichen wandelt der pyroelektrische Effekt Temperaturschwankungen in ein elektrisches Signal um. Der Detektor ist mit Elektroden auf den Kristalloberflächen ausgestattet, um diese Ladungsänderung zu erfassen; das Signal wird anschließend durch einen integrierten FET oder Vorverstärker verstärkt.

Ein wesentliches Merkmal pyroelektrischer Detektoren ist, dass sie nur auf Änderungen der einfallenden Strahlung reagieren. Bleibt die Strahlung konstant, fällt das Ausgangssignal nach dem transienten Vorgang auf null ab, da der Kristall ein thermisches Gleichgewicht erreicht und die Ladungsverschiebung zum Stillstand kommt. Daher werden pyroelektrische Sensoren typischerweise mit einem Chopper oder in Schaltungen eingesetzt, die ein moduliertes Eingangssignal bereitstellen. Durch das periodische Unterbrechen der Infrarotstrahlung, beispielsweise mit einem rotierenden Shutter oder auf elektronischem Weg, wird der Detektor in einem dynamischen Zustand gehalten und erzeugt ein Wechselspannungssignal, das mit AC-gekoppelter Elektronik verstärkt werden kann. Der Einsatz eines Choppers und einer Wechselspannungsverstärkung trägt außerdem dazu bei, niederfrequentes Rauschen zu reduzieren und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Pyroelektrische Detektoren werden sehr häufig in Bewegungsmeldern eingesetzt, bei denen die sich bewegende Quelle selbst eine Änderung der einfallenden Strahlung verursacht, sowie in bestimmten Gasanalysatoren oder Messgeräten mit modulierten IR-Quellen.

Pyroelektrische Sensoren weisen schnelle Ansprechzeiten auf und arbeiten bei Raumtemperatur. Für Anwendungen wie die IR-Spektroskopie bieten sie häufig einen guten Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Geschwindigkeit. Da sie jedoch ein sich veränderndes Signal benötigen, werden sie nicht zur Messung statischer Temperaturniveaus eingesetzt – für diese Aufgabe eignen sich Thermosäulen oder Bolometer besser.

Bolometer

Bolometer sind temperaturabhängige Widerstandsdetektoren. Ein Bolometer besteht aus einem absorbierenden Element aus einem Material mit einem hohen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, das sich bei der Absorption von Infrarotstrahlung erwärmt, wodurch sich sein elektrischer Widerstand verändert. Wird dieses Element in einer Schaltung mit einer Vorspannung betrieben, häufig in einer Brückenschaltung oder mit einer integrierten Ausleseschaltung, kann die Änderung von Spannung oder Strom gemessen werden, die der Widerstandsänderung entspricht, und daraus die Intensität der einfallenden Strahlung bestimmt werden.

Zu den in Bolometern verwendeten Materialien gehören bestimmte Metalle oder Halbleiter mit hohen Temperaturkoeffizienten. Frühe Bolometer verwendeten geschwärzte Metallstreifen; moderne Bolometer, insbesondere für bildgebende Anwendungen, nutzen dünne Schichten aus Vanadiumoxid (VOx) oder amorphem Silizium (a-Si), die auf einer Mikrobrücke abgeschieden werden. Diese Dünnschichtbolometer sind thermisch isolierte Mikrostrukturen, die sich durch einfallende Infrarotstrahlung erwärmen, gleichzeitig jedoch nur eine minimale Wärmeleitung zum Substrat aufweisen, wodurch ein messbarer Temperaturanstieg gewährleistet wird. Sie werden in Arrays gefertigt und bilden die Sensoren von Mikrobolometer-Focal-Plane-Arrays in ungekühlten Wärmebildkameras. Durch Fortschritte in der MEMS-Technologie haben Bolometer-FPAs ältere scannende Wärmebildkameras weitgehend ersetzt und vollständig elektronische Festkörper-Wärmebildkameras ermöglicht.

Bolometer arbeiten typischerweise bei Raumtemperatur (ungekühlt) und weisen im Vergleich zu Photonendetektoren Ansprechzeiten im Bereich von mehreren zehn Millisekunden auf, können jedoch eine gute Empfindlichkeit für bildgebende Anwendungen erreichen. Die Leistungsfähigkeit eines Bolometers wird häufig durch seine NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) charakterisiert; dank Verbesserungen bei Materialien und Pixelminiaturisierung können moderne Mikrobolometerkameras NETD-Werte von wenigen zehn mK erreichen. Gängige Auflösungen von Bolometerarrays umfassen heute 160×120, 320×240 und 640×480 Pixel, wobei der Pixelabstand von etwa ~35 µm bei älteren Modellen auf 17 µm oder sogar 12 µm bei neueren Designs reduziert wurde. Sie erfordern eine Kalibrierung und verwenden häufig die interne Shutter-Technik, um die Genauigkeit über längere Zeiträume und bei wechselnden Bedingungen aufrechtzuerhalten.

Photonendetektoren

Quantendetektoren wandeln einfallende Photonen durch Wechselwirkungen in einem Halbleiter direkt in elektrische Signale um. Sie lassen sich grundsätzlich in zwei Unterklassen einteilen: photoleitende Detektoren, bei denen sich die elektrische Leitfähigkeit durch die Absorption von Photonen verändert, und photovoltaische Detektoren, bei denen die Photonenabsorption eine Spannung erzeugt, wie beispielsweise bei Fotodioden. Bei den verwendeten Materialien handelt es sich typischerweise um Halbleiter mit kleiner Bandlücke, die Infrarotphotonen absorbieren können. Gängige Beispiele sind Indiumantimonid (InSb) für den mittelwelligen Infrarotbereich von 3–5 µm, Quecksilber-Cadmium-Tellurid (MCT oder HgCdTe), das für den mittel- oder langwelligen Infrarotbereich ausgelegt werden kann, Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) für den nahen bis kurzwelligen Infrarotbereich sowie spezielle Bauformen wie Quantum-Well-Infrarot-Photodetektoren (QWIPs) und Typ-II-Übergitterdetektoren für verschiedene IR-Bereiche.

Wenn ein IR-Photon auf einen Photonendetektor trifft, hebt es ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband oder zwischen erlaubte Energieniveaus innerhalb einer Quantum-Well-Struktur an. Dadurch entsteht eine messbare elektrische Veränderung: In einer Fotodiode fließt ein Strom proportional zum Photonenfluss; in einem Photoleiter nimmt der elektrische Widerstand des Materials bei Bestrahlung ab. Diese Detektoren erzeugen nahezu unmittelbar beim Eintreffen der Photonen ein Ausgangssignal – sie sind nicht von einer thermischen Zeitkonstante abhängig, weshalb ihre Ansprechzeit schneller ist als die thermischer Detektoren.

Allerdings erzeugen sie aufgrund thermisch angeregter Ladungsträger ebenfalls thermisches Rauschen. Um ihre bestmögliche Empfindlichkeit zu erreichen und photonenerzeugte Ladungsträger von thermisch erzeugten Ladungsträgern unterscheiden zu können, müssen die meisten Photonendetektoren für die langwellige Infrarotbildgebung gekühlt werden. Beispielsweise werden MCT-Detektoren in langwelligen Infrarotkameras üblicherweise auf 77 K gekühlt oder mithilfe geschlossener Kühlsysteme auf ähnlich niedrige Temperaturen gebracht. Die Kühlung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich, indem sie den Dunkelstrom unterdrückt.

Zusammenfassend bildet die Integration wellenlängenspezifischer Optiken, der Detektorphysik und von Signalverarbeitungsalgorithmen in modernen Pyrometern und Wärmebildkameras die Grundlage für hochpräzise, berührungslose Temperaturmesssysteme zur industriellen Temperaturüberwachung, wobei jede Anwendung unterschiedliche Detektortypen und Systemkonfigurationen bevorzugt.