Ratgeber zum Kauf von Wärmebildkameras – Kameras

Wofür wird eine Infrarotkamera eingesetzt?

Die Thermografie ist eine äußerst flexible und berührungslose Technologie, die in zahlreichen Industriezweigen eine wichtige Rolle spielt. Durch die Erfassung von Infrarotstrahlung ermöglichen diese Kameras die Überwachung und Steuerung temperaturempfindlicher Prozesse – von Kühlketten bis hin zu Hochtemperaturanwendungen wie der Glas- und Metallproduktion. Die präzise Erkennung thermischer Auffälligkeiten verbessert nicht nur Qualität und Sicherheit, sondern steigert auch die Effizienz, senkt Kosten und ermöglicht ein frühzeitiges Eingreifen – selbst in schnell wechselnden industriellen Prozessen.

In der Fertigungsindustrie werden Infrarotkameras häufig zur Temperaturüberwachung von Metall-, Glas- und Kunststoffprodukten eingesetzt. Die präzisen Temperaturdaten fließen direkt in Prozessleitsysteme ein und helfen dabei, Ausschuss zu reduzieren, eine gleichbleibende Qualität sicherzustellen und die Produktionsleistung zu steigern. Moderne Online-Infrarotkameras ermöglichen eine kontinuierliche, berührungslose Überwachung und analysieren die thermischen Daten automatisch, um bei Abweichungen Alarme auszulösen oder Prozesse entsprechend anzupassen.

Auch bei der Inspektion mechanischer Systeme bietet die Thermografie erhebliche Vorteile. Sie kann Anzeichen von Reibung, Überhitzung, Fehlausrichtung oder Lagerverschleiß erkennen, bevor sich daraus größere Schäden entwickeln. Dieser vorausschauende Ansatz bei der Instandhaltungsplanung hilft, Stillstandzeiten zu reduzieren und die Lebensdauer von Anlagen zu verlängern.

Im Energiesektor sind Infrarotkameras für die Zustandsüberwachung elektrischer Infrastruktur wie Transformatoren, Schaltanlagen und Freileitungen von großer Bedeutung. Durch die Erkennung ungewöhnlicher Wärmemuster – verursacht beispielsweise durch überhitzte Verbindungen, ungleichmäßige Lastverteilung oder andere Fehler – können Betreiber Probleme frühzeitig beheben, Ausfälle vermeiden und die Zuverlässigkeit des Stromnetzes erhöhen.

Bei der Brandfrüherkennung können Wärmebildkameras Hotspots und potenzielle Brandherde erkennen, lange bevor Flammen oder Rauch sichtbar werden. Dank ihres großen Sichtfelds und ihrer hohen Empfindlichkeit können sie weitläufige Bereiche überwachen und deutlich schneller als herkömmliche Rauchmelder Alarme auslösen. Dadurch entsteht ein entscheidender Zeitvorteil, um Brandschäden zu verhindern.

Wie funktioniert eine Infrarotkamera?

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras, die sichtbares Licht erfassen, arbeiten Wärmebildkameras im Infrarotspektrum – denn jedes Objekt oberhalb des absoluten Nullpunkts gibt Wärmestrahlung ab. In einem Wärmebildsystem lenkt eine optische Linse diese Strahlung auf ein Detektorarray. Jedes Pixel dieses Arrays repräsentiert einen bestimmten Punkt in der Szene und erfasst, wie viel Infrarotenergie von diesem Bereich ausgeht. Je nach Wellenlängenbereich können unterschiedliche Detektortechnologien zum Einsatz kommen, beispielsweise ungekühlte Mikrobolometer oder gekühlte Infrarot-Photodetektoren.

Wenn Infrarotstrahlung auf den Detektor trifft, verändert sie dessen elektrische Eigenschaften. Diese Veränderungen werden anschließend in elektronische Signale umgewandelt, die von der Kameraelektronik verstärkt, digitalisiert und verarbeitet werden. Bei ungekühlten Systemen korrigiert ein interner Shutter regelmäßig Offset- und Nichtuniformitätseffekte, um die Messgenauigkeit aufrechtzuerhalten. Mithilfe von Kalibrierdaten wandelt die Kamerasoftware die verarbeiteten Signale in Temperaturmesswerte um. Dadurch sind präzise, berührungslose Temperaturmessungen möglich – ideal für Überwachung, Analyse und automatisierte Alarme.

Wärmebildkameras sind mit unterschiedlichen Spektralbereichen, Temperaturmessbereichen, Bildraten, Empfindlichkeiten und Auflösungen erhältlich und bieten damit eine große Auswahl an Leistungs- und Preisklassen. Diese Vielfalt stellt sicher, dass für nahezu jede industrielle Anforderung ein geeignetes Modell verfügbar ist. In den folgenden Abschnitten werden wichtige Faktoren erläutert, die bei der Auswahl einer Infrarotkamera für die jeweiligen Anwendungsanforderungen berücksichtigt werden sollten.

Schritt 1: Wählen Sie den optimalen Spektralbereich der Infrarotkamera.

Jedes Objekt mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts gibt von seiner Oberfläche elektromagnetische Strahlung ab. Je höher die Temperatur ist, desto intensiver wird diese Strahlung. Während sich die Strahlung durch die Atmosphäre ausbreitet, wird ein Teil davon absorbiert oder gestreut, während andere Anteile die Atmosphäre passieren können. Die Durchlässigkeit der Atmosphäre für diese Strahlung variiert je nach Wellenlänge erheblich – Bereiche mit hoher Absorption wechseln sich mit sogenannten „atmosphärischen Fenstern“ ab, in denen die Transmission deutlich höher ist.

Für die berührungslose Temperaturmessung werden üblicherweise Infrarotwellenlängen im Bereich von etwa 0,5 bis 14 μm verwendet. Dieser Bereich umfasst verschiedene elektromagnetische Wellen, die in kurzwellige, mittelwellige und langwellige Infrarotbereiche unterteilt werden können, die jeweils unterschiedliche Messeigenschaften und Einsatzmöglichkeiten aufweisen.

Sogenannte ideale schwarze Strahler emittieren bei jeder Wellenlänge die maximal mögliche Infrarotenergie, ohne Strahlung zu reflektieren oder zu transmittieren. Nur wenige Körper entsprechen dem Ideal eines schwarzen Strahlers. Viele Körper emittieren bei gleicher Temperatur deutlich weniger Strahlung. Der Infrarotsensor erfasst die von der Oberfläche des Objekts emittierte Strahlung, die aus der Umgebung reflektierte Strahlung sowie gegebenenfalls Infrarotstrahlung, die durch den schwarzen Strahler transmittiert wird.

Der Emissionsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen dem tatsächlichen Strahlungswert und dem eines schwarzen Strahlers. Er liegt zwischen null und eins. Theoretisch hängt der Emissionsgrad vom Material, seiner Oberfläche, der Temperatur, der Wellenlänge, dem Messwinkel und teilweise auch von der Messanordnung ab. Der Emissionsgrad ist ein wesentlicher Faktor für die genaue Temperaturmessung. Er muss entsprechend der jeweiligen Anwendung angepasst und bei der Auswahl eines geeigneten Messgeräts berücksichtigt werden, da unterschiedliche Detektortechnologien Infrarotenergie bei unterschiedlichen Wellenlängen oder in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfassen. Je nach Material hat der Wellenlängenbereich, in dem die Infrarotkamera Energie erfasst, einen erheblichen Einfluss auf die Messergebnisse.

Viele nicht reflektierende Materialien weisen tendenziell einen hohen und relativ konstanten Emissionsgrad auf, der sich durch die Oberflächenbeschaffenheit nur geringfügig verändert – insbesondere im langwelligen Infrarotbereich. Metalle hingegen besitzen in der Regel einen niedrigen Emissionsgrad, der stark von ihrer Oberflächenbeschaffenheit abhängt und bei längeren Wellenlängen häufig weiter abnimmt. Dadurch können uneinheitliche oder unzuverlässige Messergebnisse entstehen.

Für genaue Messwerte ist es entscheidend, die Infrarotstrahlung in einem Wellenlängen- und Temperaturbereich zu messen, in dem das Material einen vergleichsweise hohen Emissionsgrad aufweist. Die Wahl des richtigen Spektralbereichs ist daher ein wesentlicher Schritt bei der Auswahl eines geeigneten Temperaturmessgeräts. Darüber hinaus sollte die Messung nach Möglichkeit im kurzwelligen Bereich erfolgen. Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz ist dort im Allgemeinen die Strahlungsintensität am höchsten; zudem weisen beispielsweise Metalle dort ebenfalls ihren höchsten Emissionsgrad auf.

Daher passen Hersteller wie Optris die Wellenlängenbereiche, in denen ihre Infrarotkameras arbeiten, gezielt an die jeweilige Messaufgabe an. Im Allgemeinen lassen sich die meisten Materialien und Kameraoptionen wie folgt kategorisieren; falls erforderlich, muss die Auswahl an das jeweilige Material angepasst werden.

• LT: 8-14µm: Nichtmetalle, nicht glänzende Materialien wie Kunststoff, Holz, Papier, Keramik, Ziegel, Kohlenstoff, Beton, Textilien, organische Materialien, Eis, Wasser, Farbe, Sperrholz und beschichtete Metalle.
• G7: 7,9µm: Glas, BK7, dünner Kunststoff
• MT: Metalle, Keramik, Messung durch Flammen und Verbrennungsgase
• 05M, 08M, 1M: Stahl, Eisen, Messing, Kupfer, Zinn, Silizium-Halbleiter

Schritt 2: Wählen Sie den richtigen Messbereich und die thermische Auflösung.

Der Temperaturmessbereich beschreibt die niedrigsten und höchsten Temperaturen, die eine Kamera genau erfassen kann. In realen Anwendungen wird dieser Bereich durch die kältesten und heißesten Temperaturen bestimmt, die in einer bestimmten Szene oder Anwendung auftreten können.

Kurzwellige Infrarotkameras decken im Vergleich zu langwelligen Infrarotkameras in der Regel höhere Temperaturbereiche ab. Häufig spielt das Material des Messobjekts eine entscheidende Rolle bei der Auswahl des optimalen Spektralbereichs, der wiederum den gesamten Messbereich beeinflusst. Handelsübliche Infrarotkameras können typischerweise Temperaturen von etwa −40 °C bis 2.450 °C messen, allerdings gibt es kein einzelnes Gerät, das beide Extremwerte abdecken kann. Diese Einschränkung ergibt sich aus dem begrenzten Dynamikbereich der Kameraelektronik und den nichtlinearen Eigenschaften der Wärmestrahlung, wie sie durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben werden. Um eine optimale Leistung zu erzielen, werden die Messbereiche üblicherweise in niedrige, mittlere und hohe Temperaturbereiche unterteilt, wobei jeweils speziell abgestimmte rauscharme Verstärker zum Einsatz kommen.

Das optimale Verhältnis zwischen Temperaturbereich und Spektralbereich lässt sich häufig am besten in Abstimmung mit Anwendungstechnikern bestimmen.

Eine weitere wichtige Spezifikation ist die Temperaturauflösung, auch NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) genannt. Die NETD gibt die kleinste Temperaturdifferenz an, die eine Kamera erfassen kann, und hängt hauptsächlich vom Rauschen des Detektors ab. Je geringer das Rauschen ist, desto besser ist die thermische Auflösung.

Es ist wichtig, zwischen Temperaturauflösung und Temperaturgenauigkeit zu unterscheiden. Die Auflösung beschreibt die Fähigkeit der Kamera, kleinste Temperaturänderungen zu erkennen, während die Genauigkeit angibt, wie nahe der gemessene Wert an der tatsächlichen Temperatur liegt. Eine Kamera kann eine sehr hohe Auflösung besitzen und selbst geringste Wärmeunterschiede sichtbar machen, während die Messabweichung dennoch größer als ihre thermische Auflösung sein kann.

Schritt 3: Wählen Sie die richtige Auflösung und Optik der Infrarotkamera.

Die geometrische Auflösung spielt in zahlreichen Anwendungen eine entscheidende Rolle, wobei der Abstand zwischen der Infrarotkamera und dem Messobjekt einen erheblichen Einfluss darauf hat. Wichtige Faktoren sind die Geometrie des Messaufbaus, die Auflösung und physikalische Größe des Sensors sowie die Brennweite der Optik. Anstatt ausschließlich die Brennweite anzugeben, heben Hersteller häufig das Sichtfeld (FOV) beziehungsweise den Bildwinkel der Optik hervor. Das FOV definiert den erfassbaren Bereich, während die Auflösung von der Pixelgröße, der Anzahl der Pixel im Detektor und dem Abstand zum Messobjekt beeinflusst wird.

Eine entscheidende Frage bei Anwendungen ist, ob sich kleine Strukturen auf dem Messobjekt zuverlässig messen lassen. Für optimale Ergebnisse sollte das FOV das gesamte Messobjekt erfassen, und die gewählte Optik sollte die Anzahl der Pixel maximieren, die den Messbereich abdecken. Mit zunehmendem Abstand nehmen sowohl die räumliche Auflösung als auch die Anzahl der Pixel auf dem Messobjekt tendenziell ab. In manchen Fällen ist es aufgrund von Hitze, Sicherheitsanforderungen oder eingeschränkter Zugänglichkeit jedoch nicht möglich, näher an das Messobjekt heranzugehen.

Zwei wichtige Begriffe sind das Instantaneous Field of View (IFOV) und das Measurement Field of View (MFOV). Das IFOV bezeichnet die Größe eines einzelnen Pixels auf der Messoberfläche, während das MFOV die kleinste Objektgröße angibt, die zuverlässig und reproduzierbar gemessen werden kann.

Aus physikalischer Sicht kann die Beugung die optische Auflösung und Bildqualität von Infrarotsystemen begrenzen, selbst bei einer hohen Pixeldichte. Die Pixelgrößen moderner Bolometer liegen bereits in der Größenordnung infraroter Wellenlängen. Dadurch können Beugungseffekte – beispielsweise ein Airy-Scheibchen, das größer als ein einzelnes Pixel ist – insbesondere im langwelligen Bereich zu unzuverlässigen Einzelpixelmessungen führen.

Aus diesem Grund sollte das kleinste zu messende Objekt immer größer als das MFOV sein und nicht lediglich dem IFOV entsprechen. Sowohl MFOV als auch IFOV können anhand der Pixelgröße, des Abstands zum Messobjekt sowie des vertikalen und horizontalen FOV der Optik berechnet werden – häufig mithilfe eines Online-Optikrechners.

Schritt 4: Wählen Sie die richtige Bildrate und Belichtungszeit.

Infrarotkameras werden im Wesentlichen durch drei Leistungsfaktoren bestimmt: thermische Auflösung, optische Auflösung und zeitliche Auflösung. Die zeitliche Auflösung, die durch die Bildrate angegeben wird, beschreibt, wie viele Bilder die Kamera pro Sekunde erfassen kann. In dynamischen Industriebereichen wie der Fertigung ist eine hohe Bildrate für eine präzise Überwachung besonders wichtig. Wenn sich Temperaturen schnell verändern oder sich bewegende Objekte im Sichtfeld der Kamera befinden, ist eine höhere zeitliche Auflösung erforderlich.

Einige Infrarotkameras arbeiten aufgrund technischer Einschränkungen oder Exportbeschränkungen mit Bildraten unter 9 Hz, was für dynamische Anwendungen nicht ideal ist. Ein geeigneter Bereich liegt typischerweise zwischen 30 Hz und 80 Hz, wobei einige spezialisierte Modelle sogar bis zu 1 kHz erreichen. Höhere Bildraten gehen jedoch häufig zulasten der Bildauflösung. In solchen Fällen kann ein Zeilenscan-Modus – bei dem in einer Dimension weniger Pixel erfasst werden, beispielsweise 764 × 8 – schnell bewegte Objekte effektiv erfassen.

Die Bildrate steht in engem Zusammenhang mit der Belichtungszeit, die auch als Integrationszeit oder thermische Zeitkonstante bezeichnet wird. Sie gibt an, wie lange der Detektor benötigt, um ein einzelnes Bild zu erfassen. Kürzere Belichtungszeiten tragen dazu bei, Bewegungsunschärfe bei schnellen Vorgängen zu reduzieren und dadurch schärfere Bilder zu erzeugen. Kameras mit hoher Empfindlichkeit benötigen in der Regel kürzere Belichtungszeiten als weniger empfindliche Modelle, um bei demselben Messobjekt eine vergleichbare Bildqualität zu erzielen.

Bei der Auswahl einer Infrarotkamera für Hochgeschwindigkeitsanwendungen müssen die Bewegung des Objekts, seine Aufheiz- oder Abkühlgeschwindigkeit sowie mögliche Bewegungen der Kamera selbst berücksichtigt werden. So lässt sich sicherstellen, dass die gewählte Bildrate und Belichtungszeit den spezifischen Anforderungen der Anwendung entsprechen.

Schritt 5: Stellen Sie sicher, dass die Infrarotkamera mit dem richtigen Zubehör in der industriellen Umgebung zuverlässig funktioniert.

In industriellen Umgebungen sind Infrarotkameras anspruchsvollen Bedingungen wie extremer Hitze, Staub, Vibrationen, Stößen, Rauch und Feuchtigkeit ausgesetzt. Eine der größten Herausforderungen ist die maximal zulässige Betriebstemperatur der Elektronik. Während viele Infrarotkameras über eine integrierte Verarbeitung für Edge Computing verfügen, bedeutet dies häufig, dass sie nur bei Temperaturen unter 50 °C betrieben werden können. Optris Kameras hingegen sind speziell für industrielle Umgebungen ausgelegt und können bei Temperaturen von bis zu 70 °C eingesetzt werden.

Wenn die Installationsbedingungen diese Grenzwerte überschreiten, müssen geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden. Kühlgehäuse, die entweder mit Wasser oder Druckluft betrieben werden können, schützen Infrarotkameras, Computer und Netzwerk-Switches vor sehr hohen Umgebungstemperaturen von bis zu 315 °C. Ergänzend zu diesen Lösungen sind für solche extremen Umgebungen hochtemperaturbeständige Signal- und Anschlusskabel erforderlich.

In staubigen oder rauchigen Umgebungen spielen Luftblasvorsätze eine wichtige Rolle, um die Optik sauber zu halten, indem sie einen gleichmäßigen Luftstrom über der Linse erzeugen. Dieser kontinuierliche und gleichmäßige Luftvorhang verhindert, dass sich Staub ablagert, wodurch die Messgenauigkeit erhalten und die Lebensdauer der Kamera verlängert wird. Zum zusätzlichen Schutz vor größeren Fremdkörpern können Shutter-Mechanismen die Optik abdecken, wenn die Kamera nicht verwendet wird, und so das Risiko von Schäden durch Stöße oder umherfliegende Partikel wie Glassplitter reduzieren.

Für Außenanwendungen sind robuste, wetterfeste Gehäuse wichtig, die häufig über integrierte Heizungen verfügen und einen Betrieb bei Temperaturen von −40 °C bis +50 °C ermöglichen.

Auch in weniger extremen Umgebungen ist die Auswahl des richtigen Zubehörs entscheidend. Verstellbare Montagehalterungen sorgen beispielsweise dafür, dass die Kamera optimal positioniert und nahtlos in die Produktionsanlage integriert werden kann.

Zubehör erhält häufig nicht die Aufmerksamkeit, die es verdient – sowohl hinsichtlich seiner Komplexität als auch seiner Kosten –, ist jedoch für eine reibungslose Integration in industrielle Prozesse von entscheidender Bedeutung. Sorgfältig ausgewählte Gehäuse, Montagesysteme, Hochtemperaturkabel und weitere mechanische Schnittstellen gewährleisten, dass eine Infrarotkamera zuverlässig arbeitet und geschützt bleibt, und bieten damit eine umfassende, langfristige Lösung für anspruchsvolle Anwendungen.

Schritt 6: Berücksichtigen Sie, wie die Infrarotkamera in den Regelkreis des industriellen Prozesses integriert werden soll.

Infrarotkameras lassen sich nahtlos in verschiedene Maschinen und industrielle Prozesse integrieren. Moderne Industriemodelle verfügen häufig über die Möglichkeit, autonom zu arbeiten. Dadurch können sie direkt in Regelkreise eingebunden werden, ohne dass dafür spezielle PCs oder komplexe Softwarelösungen erforderlich sind. Mit Funktionen wie automatischer Messfleckerkennung und der Kompatibilität mit industriellen Feldbussystemen – beispielsweise EtherNet/IP, ModbusTCP, EtherCAT, IO-Link oder PROFINET – eignen sie sich ideal für OEM-Anwendungen.

Viele dieser Infrarotkameras bieten zudem mehrere individuell skalierbare Analogausgänge, über die sich aktuelle Temperaturdaten einfach an andere Systeme übertragen lassen.

In den meisten Fällen ist die Software jedoch entscheidend, um den vollen Funktionsumfang der Kamera nutzen zu können. Bei der Bewertung einer Lösung sollte daher geprüft werden, ob die Software alle für die jeweilige Anwendung erforderlichen Funktionen bietet. Wichtige Kriterien sind dabei Benutzerfreundlichkeit, Möglichkeiten zum Datenexport und die direkte Systemintegration. Eine leistungsfähige Software sollte umfassende Aufzeichnungs- und Auswertungsfunktionen, Echtzeitanalyse sowie flexible Darstellungsoptionen bieten. Darüber hinaus sollte sie gerätespezifische Anpassungen ermöglichen, beispielsweise Einstellungen der Bildrate und des Sichtfelds, Kommunikationskonfigurationen, USB-/Ethernet-Einstellungen, Firmware-Updates und den Online-Download von Konfigurationsdateien.

Sollte die mitgelieferte Software die Anforderungen nicht vollständig erfüllen, sollte die Kamera idealerweise ein Software Development Kit (SDK) für kundenspezifische Anwendungen unterstützen. Ein leistungsfähiges SDK ermöglicht den direkten Zugriff auf die Schnittstelle der Wärmebildkamera unter Linux- und Windows-Plattformen und unterstützt verschiedene Programmiersprachen.

Schritt 7: Wählen Sie einen Anbieter oder Hersteller mit erfahrenem Anwendungssupport und Service.

Die Wahl der richtigen Service- und Supportleistungen ist entscheidend – insbesondere bei einer Technologie, die so komplex und vielseitig einsetzbar ist wie die Infrarotmesstechnik. Zuverlässige Hersteller von Infrarotkameras legen großen Wert darauf, dass ihre Geräte über viele Jahre hinweg eine zuverlässige Leistung bieten. Ein wirklich guter Anwendungssupport geht jedoch weit über die Unterstützung bei der Auswahl des passenden Modells hinaus.

Erfahrene Anwendungstechniker können maßgeblich zum Erfolg eines Projekts beitragen und bieten ein breites Spektrum an Unterstützung – von Auskünften zum Auftragsstatus über Demonstrationen und Tests bis hin zur Beratung zu Temperaturmessverfahren bei anspruchsvollen Messobjekten wie reflektierenden Oberflächen. Wenn Herausforderungen auftreten – sei es bei Reparaturen, der Fehlerdiagnose oder zusätzlichem Schulungsbedarf –, werden die Qualität des Aftersales-Service und die Fachkompetenz des technischen Supportteams zu entscheidenden Kriterien bei der Bewertung eines Anbieters.