Passive vs. Active Thermografie: Wie Wärmekameras verschiedene Inspektionsverfahren ermöglichen

Bei der Inspektion von Stromnetzen, der Wartung von industriellen Anlagen und in Sicherheitsüberwachungsszenarien sind Thermalkameras zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden, um verborgene Gefahrenquellen zu erkennen und betriebliche Risiken zu verringern. Allerdings treten mit zunehmender Verbreitung der Technologie Konzepte wie „passive Thermografie“ und „aktive Thermografie“ immer häufiger auf. Dieser Artikel stellt das Funktionsprinzip und den Anwendungsbereich dieser beiden Ansätze vor und klärt die Kernunterschiede zwischen ihnen auf, um Ingenieuren und Wartungspersonal zu helfen, die geeignete Thermografie-Lösung zu verstehen und auszuwählen.

1. Grundprinzipien der Infrarot-Thermografie

Das Wesen der Thermografie besteht darin, die für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotstrahlung „zu sehen“. Jedes Objekt oberhalb von absolutem Nullpunkt emittiert ständig Infrarotenergie, die Thermalkameras erfassen und in sichtbare Wärmebilder umwandeln.

Im Grunde funktioniert eine typische Thermografie-Kamera in diesen Schritten:

· Infrarotdetektion: Eine Linse sammelt die Infrarotstrahlung von der Objektoberfläche und fokussiert sie auf ein Sensorarray

· Signalumwandlung: Der Sensor wandelt die Strahlungsintensität in elektrische Signale um, wobei verschiedene Strahlungspegel verschiedenen Temperaturen entsprechen

· Bildgenerierung: Durch Kalibrierung und Temperaturberechnung wird die Temperaturverteilung auf ein Pseudofarben- oder Graustufen-Wärmebild abgebildet

Auf dieser Grundlage verwendet die Infrarotthermografie zwei Anwendungsansätze: passive Thermografie (ohne äußere Stimulation) und aktive Thermografie (mit zugeführter äußerer Energie).

2. Passive Thermografie: Die primäre Lösung in industriellen Anwendungen

Die passive Thermografie erfasst Wärme, indem sie die natürliche Wärmestrahlung eines Objekts aufnimmt, ohne äußere Wärme anzulegen. Die Wärmekamera analysiert die bereits im Bereich vorhandenen statischen oder langsam sich ändernden Temperaturunterschiede und entdeckt so Anomalien. In industriellen und Sicherheitsanwendungen ist die passive Thermografie zur primären Lösung geworden.

1) Anwendungen in der Energiewirtschaft: Entdecken versteckter Wärmequellen

In Stromerzeugungs-, Übertragungs- und Verteilungsanlagen können schlechte elektrische Kontakte, zu dünne Leiter oder lokale Überlastungen alle zu bemerkenswerten Temperaturerhöhungen führen, die oft die ersten Warnzeichen für Ausfälle und Unfälle sind. Passive Thermografie ermöglicht eine schnelle, berührungslose Inspektion zahlreicher elektrischer Knotenpunkte, ohne die Anlage abzuschalten.

Typische Anwendungen der passiven Thermografie in Energiesystemen umfassen:

· Prüfungen von Substationen und Schaltanlagen: Erkennung von anormaler Erwärmung in Sammelschienen, Schaltern und Trennschaltern für die rechtzeitige Planung von Wartungsarbeiten

· Prüfungen von Freileitungen und Verbindungen: Identifizierung von anormalen Temperaturerhöhungen an Klemmen, Anschlüssen und Befestigungselementen, um das Risiko von Überhitzungen und Ausfällen zu verringern

· Überwachung von Verteilertafeln und Räumen: Schnelle Prüfung zahlreicher Stromkreise in Niederspannungsschaltkästen und Verteilerkästen und Priorisierung derjenigen mit thermischen Anomalien

Passive Thermografie integriert sich gut in die routinemäßige Inspektion. Diese Integration ermöglicht die Trendanalyse über die Zeit, um zwischen einem temporären Temperaturanstieg und einem anhaltenden oder verschlechternden Temperaturanstieg zu unterscheiden.

2) Metallurgie und industrielle Fertigung: Inspektion während der Produktion

In metallurgischen und Fertigungsumgebungen erzeugt die Ausrüstung während des Betriebs naturgemäß erhebliche Wärme. Passive Thermografie ermöglicht die Zustandsbewertung der kritischen Komponenten, ohne die Produktion zu stören.

Übliche Anwendungen der passiven Thermografie in der industriellen Fertigung umfassen:

· Überwachung von Elektromotoren und Lagern: Erkennung von abnormalen Oberflächentemperaturen, die durch Überlastung, Fehlausrichtung oder schlechte Schmierung verursacht werden

· Inspektion von Getrieben und Getriebegehäusen: Beobachtung der Temperaturmuster auf Gehäusen, um schlechte Zahneingriffe oder Schmierstoffverschlechterung zu identifizieren

· Überprüfung von Öfen und Hochtemperaturleitungen: Beurteilung der Wärmeisolationsleistung und Identifizierung von lokalen Strukturschäden anhand der Oberflächentemperaturverteilung von metallurgischen Öfen, Wärmebehandlungöfen und Hochtemperaturrohrleitungssystemen

Mithilfe der passiven Thermografie können Ingenieure Probleme schnell identifizieren, indem sie Temperaturmuster analysieren – Sofortmaßnahmen sind erforderlich, wenn die Temperatur einer Komponente deutlich höher ist als die von ähnlichen Einheiten oder historischen Vergleichswerten.

3) Sicherheit und Überwachung: Identifizieren von Bedrohungen in der Dunkelheit

Thermalkameras bieten deutliche Vorteile in Umgebungen mit geringer Beleuchtung oder völliger Dunkelheit, da sie nicht auf sichtbares Licht angewiesen sind, sondern die eigene Wärmestrahlung des Ziels erfassen.

Übliche Anwendungen der passiven Thermografie in der Sicherheitstechnik umfassen:

· Perimeter-Protection für kritische Anlagen: Detektion von Eindringlingen nachts oder bei schlechtem Wetter, Beseitigung von Blindstellen bei Kameras mit sichtbarem Licht

· Hafen- und Flughafensurveillance: Identifizierung thermischer Signaturen von Menschen, Schiffen, Flugzeugen und Wildtieren aus großer Entfernung, um die Identifizierung und Alarmierung zu unterstützen

· Sicherheit großer Außenanlagen: Nachtschichten in Chemiewerken, Tanklagern und Lageranlagen, wo die Wärmebildtechnik hilft, verdächtige Aktivitäten und potenzielle Brandquellen zu erkennen

Passive Thermografie in Sicherheitsanwendungen legt nicht auf eine genaue Temperaturmessung, sondern auf die Fähigkeit zur Identifizierung von Menschen, Fahrzeugen und Objekten basierend auf thermischem Kontrast sowie auf die Resistenz gegen Umwelteinflüsse emphasizes.

4) Brandprävention und Früherkennung: Entdeckung von “Hotspots” vor der Verbrennung

Viele Brände beginnen mit unbemerktem Überhitzen. Die passive Thermografie kann gefährliche Hotspots lange bevor Flammen auftreten aufdecken und so ein entscheidendes Zeitfenster für vorbeugende Maßnahmen bieten.

Typische Anwendungen für passive Thermografie bei Brandwarnungen umfassen:

· Lagerhäuser und Logistikzentren: Detektion von anormalen Wärmequellen in gestapelten Waren, elektrischer Infrastruktur oder Ladebereichen

· Mülldeponien und Kohlehaufen: Kontinuierliche Überwachung der Oberflächentemperaturverteilung, um potenzielle Selbstentzündungspunkte zu identifizieren, an denen ein Risiko der spontanen Verbrennung besteht

· Batterie- und Ladeanlagen: Überwachung von Ladebereichen für elektrische Geräte, um überhitzte Batterien oder anormale Ladegeräte frühzeitig mithilfe von Wärmebildern zu erkennen

Passive Wärmeüberwachung arbeitet effektiv mit Alarmsystemen zusammen und löst Alarme aus, wenn die Temperaturen die festgelegten Schwellenwerte überschreiten oder anormale Heiße-Spot-Muster auftreten, wodurch wertvolle Reaktionszeit gewonnen wird.

5) Gebäudeprüfungen: Sichtbarmachen von Wärmeverlusten: Sichtbarmachen des Unsichtbaren

Im Bereich der Gebäudeenergieeffizienz und -diagnostik bietet passive Thermografie eine klare visuelle Darstellung der Wärmeverluste, die in Gebäudefassadenwänden, Türen, Fenstern und Dachstrukturen auftreten.

Typische Anwendungen der passiven Thermografie bei Gebäudeprüfungen umfassen:

· Beurteilung der Wärmedämmleistung der Außenwände: Identifizierung von Dämmlücken, Bauteilfehlern und Stellen von Wärmebrücken

· Prüfung der Dichtheit von Fenster- und Türrahmen: Beobachtung von Kaltluftzutritt und Wärmeverluststellen anhand der Temperaturverteilungsmuster

· Erkennung von Dachlecks und Feuchtigkeitsschäden: Erkennung, dass feuchte Bereiche andere thermische Eigenschaften aufweisen als trockene, und Beurteilung anhand der Thermografiebilder

Für Gebäudebetriebs- und Wartungsteams bietet die passive Thermografie eine zerstörungsfreie und flächenhafte Diagnosemethode, die bei der Entwicklung zielgerichteter Energiespar- und Wartungspläne hilft.

3. Aktive Thermografie: Anregungsbasierte Prüfung auf feine Defekte

Die aktive Thermografie wird weit verbreitet als zerstörungsfreie Prüftechnik (NDT) eingesetzt. Sie appliziert äußere Energie auf das Zielobjekt, erzeugt kontrollierte thermische Veränderungen und nutzt dann Thermografiekameras, um zu beobachten, wie thermische Wellen sich durch das Material ausbreiten und abklingen, und somit interne Defekte aufzudecken.

Typische externe Anregungsmethoden umfassen:

· Optische Anregung: Verwendung von Blitzlampen, Halogenlampen oder Lasern zur Erzeugung von kurzzeitiger oder periodischer Erwärmung (Puls-Thermografie, Lock-In-Thermografie)

· Konvektive Erwärmung: Verwendung von Heißluftströmen zur Erwärmung der Zieloberfläche und anschließende Analyse der Temperaturverteilung während des Abkühlens

· Ultraschall- oder mechanische Anregung: Erzeugung von lokaler Erwärmung innerhalb des Materials durch Methoden wie Ultraschallschwingungen und anschließende Erfassung dieser Temperaturdifferenz durch Thermografie

Bei der aktiven Thermografie liegt der Schwerpunkt auf der „dynamischen thermischen Reaktion“ – Regionen, die langsamer abkühlen oder schneller erwärmen, korrelieren oft mit internen Hohlräumen, Ablösungen oder Rissen.

Bei Bauteilen unmittelbar nach dem Schweißen zeigt eine kurze externe Erwärmung interne Defekte wie Porosität, Risse und Schlackeneinschlüsse durch Beobachtung der Wärmeausbreitungsmuster auf. Bei Verbundwerkstoffen identifiziert die gepulste thermische Anregung Delamination und Ablösung. Solche Anwendungen werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Automobilindustrie, wo die Materialintegrität von entscheidender Bedeutung ist, immer häufiger eingesetzt.

4. Aktive Thermografie vs. Passive: Verständnis der wichtigsten Unterschiede

Von einer praktischen Ingenieursicht aus spiegelt sich der Unterschied zwischen aktiver und passiver Thermografie eher in verschiedenen Verwendungstrategien als in grundlegend unterschiedlichen Hardwarekomponenten wider. Die gleiche Infrarotkamera kann sowohl passive als auch aktive Thermografie durchführen, wenn sie mit unterschiedlicher externer Anregung und Datenverarbeitungssoftware kombiniert wird.

Standard-Thermalkameras arbeiten normalerweise im passiven Modus, da die meisten Anwendungen wie Energie, Industrie, Sicherheit und Gebäudediagnose bereits ausreichende natürliche Temperaturunterschiede aufweisen, so dass keine externe Anregung erforderlich ist.

Daher sind für Unternehmen, die Thermografie-Lösungen in diesen Sektoren einsetzen, Hochleistungs-Passivsysteme normalerweise wirtschaftlicher und einfacher zu implementieren; spezialisierte aktive Thermografie-Systeme werden hauptsächlich für Hoch-End-NDT-Anwendungen reserviert, die die Detektion von internen Defekten erfordern.

5. Empfehlungen für Raythink Passiv-Infrarotkameras

Raythink's Passiv-Infrarotkameras verwenden ungekühlte VOx-Detektoren und fortschrittliche Bildverarbeitungsalgorithmen, um unter verschiedenen Umweltbedingungen klare und genaue Wärmebilder zu liefern. Unsere Produkte bieten Kernvorteile wie Echtzeit-Temperaturüberwachung, zerstörungsfreie Prüfungsmöglichkeit und Allwetterbetrieb.

PD464T Dual-Spectrum Speed Dome Camera

FC465T Dual-Spectrum Bullet Camera

RM620 Handheld Thermal Camera

TN220 Thermographic Cube Camera

6. Fazit

Passive und aktive Thermografie befriedigen verschiedene Anwendungsbedürfnisse und konkurrieren nicht darum, welches fortschrittlicher ist. Hochleistungsfähige passive Wärmebildsysteme erzielen das beste Gleichgewicht zwischen Implementierungskosten, Benutzerfreundlichkeit und praktischem Wert, was sie zur bevorzugten Wahl für die meisten industriellen und Sicherheitsanwendungen macht. Raythink ist spezialisiert auf passive Infrarot-Wärmebildlösungen, die auf die realen Betriebsbedingungen verschiedener Branchen zugeschnitten sind. Wenden Sie sich an Raythink's Experten-Team für professionelle Beratung bei der Systemauswahl und -implementierung.