Vergleichstest verschiedener Wärmebildkameras

Dass sich der Einsatz von Thermografie in der Instandhaltung bewährt, zeigt auch das Testurteil des Fraunhofer Instituts (IOSB) aus Karlsruhe. Das renommierte Institut bestätigt unter anderem den Nutzen von Testo-Super-Resolution - ein Feature, mit dem eine um den Faktor 1,6 erhöhte geometrische Auflösung der Wärmebilder und damit ein genaueres Messergebnis erreicht wird.

16. März 2015
Unabhängige Experten sind von Testo-Wärmebildkameras mit ihrer Super-Resolution-Technologie überzeugt. Das renommierte Fraunhofer-Institut bestätigt den Nutzen von Testo-Super-Resolution für typische Aufgaben in der Industrie. Bild: Testo
Bild 1: Vergleichstest verschiedener Wärmebildkameras (Unabhängige Experten sind von Testo-Wärmebildkameras mit ihrer Super-Resolution-Technologie überzeugt. Das renommierte Fraunhofer-Institut bestätigt den Nutzen von Testo-Super-Resolution für typische Aufgaben in der Industrie. Bild: Testo)

In der industriellen Instandhaltung werden immer häufiger Thermographie-Kameras eingesetzt – sowohl bei der Schadenserkennung an elektrischen Anlagen als auch bei der Diagnose von mechanischen Antriebselementen. Das Fraunhofer IOSB testete jetzt sechs Kameras, die sich für diesen Einsatzbereich eignen. Im Zentrum des Tests standen die Fragen: Wie schneiden die Kameras der Hersteller im direkten Vergleich ab? Bringt die „Super-Resolution“-Technologie nachweisbare Verbesserungen in der Praxis der vorbeugenden Instandhaltung – und wenn ja, welche?

Die Thermographie ist in der Industrie und hier vor allem in der Instandhaltung weit verbreitet. Mit den Wärmebildkameras können „Hot Spots“ erkannt werden, die durch defekte Bauteile oder fehlerhafte Anschlüsse verursacht sind. Außerdem ist die Wärme ein Indikator, ob elektrische und elektronische Baugruppen zuverlässig und sicher arbeiten beziehungsweise korrekt angeschlossen sind. Häufig gibt es hier auch Grenzwerte zum Beispiel für elektrische Isolationen, die zu beachten sind. Ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld mit industriellem Bezug ist die Überwachung mechanischer Antriebskomponenten. Zum Beispiel können heißlaufende, das heißt defekte Lagerstellen frühzeitig erkannt werden. Damit beugt der Betreiber, wenn er rasch handelt und die Lager austauscht, größeren Schäden vor.

Ein etabliertes Werkzeug der vorbeugenden Instandhaltung

Die Messungen dienen aber nicht nur dazu, Unregelmäßigkeiten und Schäden an Maschinen und Anlagen zu erkennen und – im Sinne der vorbeugenden Instandhaltung – ein Handeln zu ermöglichen, bevor es zu Ausfällen kommt. Da die Temperatur der mechanischen und elektrischen Bauteile als Indikator für ihre Funktion genutzt wird, übernehmen die Geräte auch eine wichtige Funktion beim vorbeugenden Brandschutz. Denn mit Thermographie lässt sich eine Überhitzung von Komponenten, die einen Brand auslösen können, frühzeitig erkennen.

Vorteilhaft sind die berührungslose Messung, die das Erfassen von Objekten auch aus größeren Entfernungen erlaubt, sowie der einfache Gebrauch und die kompakte Bauweise der Thermographiekameras. Zudem schafft die Arbeitsweise der Kameras – die berührungslose Messung auch aus größerer Distanz – die Voraussetzung dafür, dass die Anlage während der Untersuchung nicht heruntergefahren beziehungsweise abgeschaltet werden muss, sondern im Betrieb untersucht werden kann. Dank dieser Eigenschaften haben sie sich in der Industrie – vor allem in den Instandhaltungs-Abteilungen – auf breiter Ebene durchgesetzt.

Wichtige Faktoren: Die geometrische Auflösung – und der Preis

Die geometrische Auflösung ist aus Sicht der Anwender ein nicht unbedeutender Parameter von Wärmebildkameras. Der Instandhalter möchte auch kleinste thermische Anomalien wie zum Beispiel „Hot Spots“ möglichst frühzeitig erkennen – selbst in großen Anlagen. Deshalb ist für ihn auch ein genaues Lokalisieren von Unregelmäßigkeiten wichtig. Das setzt eine Sensoreinheit mit hoher Auflösung voraus.

Die interessante Messgröße ist hier die räumliche Auflösung, die als IFOV („Instantaneous Field of View“) in der Einheit Millirad (mrad) angegeben werden kann. Je kleiner diese Zahl, desto höher das räumliche Auflösungsvermögen. In der Regel korreliert diese Zahl mit der Pixelangabe des Detektors: Ein hochauflösender Detektor mit vielen Pixeln erreicht einen guten IFOV.

Noch entscheidender als ein lediglich guter IFOV ist in der Anwendung jedoch das Zusammenspiel zwischen einem möglichst großen Field of View (FOV), mit dem der Anwender im Bild viel erkennt, und einem möglichst kleinen IFOV, um sämtliche Details gut zu erkennen.

Allerdings steigt der Preis der Sensoreinheit mit der Auflösung, und da die Sensorik das teuerste Einzelbauteil einer Thermographie-Kamera ist, schlägt sich dies direkt im Preis der Kamera nieder. Daher haben die Entwickler mehrerer führender Hersteller nach Möglichkeiten gesucht, das Auflösungsvermögen einer Thermographie-Kamera zu erhöhen, ohne eine höher auflösende und entsprechend teurere Sensorik einzusetzen. Auch sollte ein großes Sicht- beziehungsweise Messfeld erhalten bleiben, damit der Anwender den Überblick behält.

Zwei verschiedene Messtechnologien – welche ist besser?

Was sich wie die Quadratur des Kreises anhört, wurde in der Gestalt der „Super-Resolution“-Technologie realisiert. Kameras mit dieser Technologie nehmen eine Bildsequenz auf, die in der Kamera oder nachträglich in ein einzelnes höher auflösendes Bild umgerechnet wird.

Auf diese Weise kann zum Beispiel die Anzahl der Messpunkte um den Faktor Vier erhöht und die geometrische Auflösung entsprechend verbessert werden. Das erlaubt eine genauere Messung oder auch eine präzise Messung aus größerem Abstand.

Somit stehen den Anwendern von Thermographie-Kameras für industrielle Einsätze Geräte zur Verfügung, die nach zwei verschiedenen Prinzipien arbeiten. Die mit der Super-Resolution-Technologie arbeitenden Geräte sind erheblich preiswerter als Kameras, die bei gleichem Auflösungsvermögen konventionelle Technik nutzen. Aber sind ihre Ergebnisse in der Praxis ebenso gut verwertbar?

Ein neutraler Test, durchgeführt vom Fraunhofer Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung in Ettlingen (IOSB) und in Auftrag gegeben vom Fachmedienhaus Vogel Business Media, hat sechs verschiedene Thermographie-Kameras verglichen.

Die Ergebnisse liegen jetzt vor (Anm.) und werden im Folgenden kurz zusammengefasst.

Sechs Geräte im Test

Getestet wurden sechs Geräte.Alle Kameras arbeiten mit ungekühlten Mikrobolometer-Detektoren mit einer Detektorauflösung von 320 x 240 beziehungsweise 160 x 120. Diese Angabe entspricht der Auflösung in Pixeln. Drei der sechs Geräte nutzen die Super-Resolution-Technologie.

Bei den Kameras wurden vier Funktionen beziehungsweise Kenngrößen untersucht:

• Sichtfeld

• Gesamtrauschen

• Linienbildfunktion und Modulation

Transfer-Funktion

• Genauigkeit der Temperaturmessung in Abhängigkeit von der Objektgröße mit und ohne Super-Resolution.

Vier Kenngrößen untersucht

Das Sichtfeld (auch „Field of View“; FOV) ist das Seh- beziehungsweise Messfeld einer Thermographie-Kamera. Der Test erfasste die Größe des Sichtfeldes ebenso wie das Auflösungsvermögen der Kamera. Die zentralen Fragen lauten hier: Wie genau „erkennt“ die Kamera auch kleinere Hot spots? Und ist das Sichtfeld so groß, dass der Anwender sich auch bei großen Anlagen orientieren kann?

Mit dem Gesamtrauschen werden prinzipbedingte Ungenauigkeiten in der Messung erfasst. Es ist logisch, dass ein möglichst geringes Rauschen am besten bewertet wird.

Komplizierter wird es beim Test des elektrooptischen Auflösungsvermögens der Kamera, gemessen über die Linienbildfunktion und die Modulation Transfer-Funktion (LSF und MTF). Dabei handelt es sich um Beschreibungsgrößen für die elektrooptische Qualität der Kameras. Worum es bei der Temperaturgenauigkeit geht, liegt hingegen auf der Hand. Hier haben die Ingenieure des IOSB ermittelt, wie genau die Thermographie-Kameras Temperaturen an Objekten verschiedener Größe messen. Dabei lag der Schwerpunkt der Messungen auf der Frage, wie sich die Super-Resolution-Technologie auf die Genauigkeit der Messergebnisse auswirkt.

Ergebnisse: Verbesserte räumliche Darstellung durch Super-Resolution

Soweit die Darstellung der Messgrößen, die das Fraunhofer IOSB minutiös und unter definierten Bedingungen erfasst hat. Zu welchen Ergebnissen kommen die Untersuchungen des unabhängigen Institutes? Sie zeigen, dass sich bei der Messgröße des geometrischen Auflösungsvermögens ein deutlicher Vorsprung für Kameras mit Super-Resolution ergibt. Auch sehr kleine Zonen mit erhöhter Temperatur werden sehr zuverlässig detektiert. Das kann zum Beispiel bei der Suche nach fehlerhaften Anschlüssen in Steckverbindungen sowie bei der Fehlersuche in Schaltschränken Vorteile bringen.

Ein wichtiger Parameter ist hier das „Instantaneous Field of View“ (kurz IFOVgeo). Damit ist das Sehfeld eines jeden Detektorelementes gemeint, das durch Brennweite und Mittenabstand bestimmt ist und die nominelle geometrische Auflösung einer Kamera beschreibt.

Je kleiner das IFOV, desto feiner die Granulierung des Bildes, das der Anwender sieht. Der IFOV-Wert der untersuchten Geräte variierte in etwa um den Faktor Drei. Erwartungsgemäß schnitten hier die Kameras mit der höheren Anzahl an Detektorelementen, zum Beispiel die Testo 885, besser ab.

Effiziente Rauschunterdrückung

Alle Thermographie-Kameras weisen prinzipbedingt ein gewisses Rauschen auf. Auch hier gab es signifikante Unterschiede zwischen den Geräten. Das Gesamtrauschen (ohne Hochpassfilter) variiert fast um den Faktor 5, wobei auch hier die Geräte mit 160 x 120-Detektor schlechter abschnitten als die mit einem 320 x 240-Detektor. Bei der Testo 885 ist es am geringsten, wie die Testergebnisse zeigen. Grund dafür ist das extrem geringe Rauschniveau der Testo-Kameras auf Basis einer intelligenten Rauschunterdrückung.

Aus dem alltäglichen Gebrauch heraus gibt es gute Gründe, die Variante mit HPF zu wählen: Das menschliche Auge filtert bei bewegten Bildern niederfrequente Strukturen aus dem Bild heraus. Da der Testaufbau dieses Verhalten des menschlichen Auges nicht berücksichtigte, wurde ein Hochpassfilter verwendet, um das Verhalten des menschlichen Auges im Test mit einzubeziehen.

Elektrooptische Qualität

In der dritten Messreihe („Linienbildfunktion und Modulation Transfer-Funktion“) zeigte sich, dass die Super-Resolution-Technologie eine gewisse „Überzeichnung“ der Temperaturen an den Randzonen darstellt.

Dies mag aus Sicht eines Forschers, der exakte Temperaturen ermitteln möchte, unbefriedigend sein. Für einen Instandhalter, den aber genau diese Temperaturunterschiede interessieren, weil sie auf Unregelmäßigkeiten hindeuten, ist diese Art der Darstellung, die sich aus der Überlagerung mehrerer „Momentaufnahmen“ ergibt, ein Vorteil, weil er in den oftmals unübersichtlichen industriellen Anlagen sehr schnell Temperaturerhöhungen feststellen und den Ursachen nachgehen kann.

Praxisgerechte Temperaturdarstellung durch Super-Resolution

Der Vergleich der vom IOSB gemessenen Temperaturwerte ergab, dass die Temperaturauflösung (NETD; Noise Equivalent Temperature Difference) durch die Super-Resolution-Technologie nicht verbessert wird, sofern man die Genauigkeit bei einem Bezugsintervall von +/- 1 K erfasst.

Die NETD gibt das Temperaturauflösungsvermögen der Kamera in Milli-Kelvin (mK) an. Je kleiner der Wert, desto besser das Temperaturauflösungsvermögen.

Hierzu ist aus Herstellerperspektive anzumerken, dass es keinen wissenschaftlichen beziehungsweise messtechnischen Standard für die exakte Evaluierung der Super-Resolution-Technologie unter dem Aspekt der Verbesserung der Messgenauigkeit gibt. Aus Herstellersicht ist ein Toleranzintervall von +/- 2 K für die industrielle Thermographie ein praxisgerechterer Wert als die hier zugrunde gelegten +/- 1K: Dem Anwender geht es schließlich nicht darum, den möglichst exakten Temperaturwert eines Wärmestaus im Schaltschrank oder eines heißgelaufenenen Lagers zu wissen. Vielmehr will er frühzeitig Temperaturveränderungen und -spitzen erkennen. Und genau diese Anforderung ist durch Super-Resolution gegeben. Nimmt man einen Toleranzwert von +/- 2K an, ergibt sich für die Super-Resolution-Technologie eine deutliche Verbesserung der Temperaturauflösung.

Fazit: Super-Resolution bringt Vorteile in der Praxis

Die vom Fraunhofer Institut IOSB durchgeführten Testreihen zeigen: Bei Anwendungen in der industriellen Instandhaltung bringen Geräte mit Super-Resolution deutliche Vorteile. Ihr Auflösungsvermögen ist deutlich höher, und die in den Tests festgestellte Überzeichnung bei der Temperaturdarstellung kommt den Zielen der Instandhalter sehr entgegen.

Nicht vergessen darf man die Kostenseite: Eine Thermographie-Kamera mit 320 x 240 Detektionselementen und Super-Resolution erreicht in etwa die gleiche Auflösung wie eine Kamera mit 640 x 480 Pixel ohne Super-Resolution. Sie kostet aber weniger als die Hälfte. Somit dürfte sowohl aus technischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht der Nutzen der Super-Resolution-Technologie erwiesen sein.