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Grundlagen Wärmebildkamera. 2 | Agenda 1Allgemeines 2Grundlagen 3Historische Entwicklung 3Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4Einsatzanforderung 5Aufbau.

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1 Grundlagen Wärmebildkamera

2 2 | Agenda 1Allgemeines 2Grundlagen 3Historische Entwicklung 3Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4Einsatzanforderung 5Aufbau einer Wärmbildkamera

3 3 | Reflexion VISUELLES BILD WÄRMEBILD Wärmestrahlung Wärmebild Allgemeines Unterschied zum optischen Bild

4 4 | Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oder Bolometer). Im kurzwelligen Bereich werden Halbleiterdetektoren verwendet – auch Digitalkameras eignen sich dafür, wenn ihr IR- Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich auch spezielle fotografische Filme. Bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterempfänger oder pyroelektrische Sensoren (Anwendung z. B. im PIR-Bewegungsmelder) verwendet. Bildgebende Sensoren haben für die Thermografie, die Infrarotastronomie (Blick durch interstellare Staubwolken möglich) und Nachtsichtgeräte Bedeutung. Im Lauf der Zeit wurden die unterschiedlichsten Infrarotstrahler entwickelt, um Infrarotstrahlung zu erzeugen Quelle:http://de.wikipedia.org/wiki/Infrarotstrahlung Wärmebild Allgemeines Von der Wärmestrahlung zum Wärmebild

5 5 | Restlichtverstärker: Das Restlicht wird vorne in der Objektiv-Linse gesammelt und durch eine Reihe optischer Linsen an die elektronische Verstärkerröhre oder E.I.T. (Electronic Intensifier Tube) genannt, weitergegeben. Gesammelte Energie schlägt Elektronen aus dem Schirm der Kathode. Die selbe Energie baut ein hochstatisches Feld auf und schleudert Elektronen zum phosphoreszierenden Schirm, eine empfindliche Schicht am Ende der Verstärkerröhre. Die Elektronen schlagen mit einer hohen Geschwindigkeit auf diesen Schirm und bringen ihn auf diese Art und Weise zum erleuchten. Dieser Vorgang produziert ein Bild, welches durch die Okular-Linse vergrößert wird. Wenn man nun durch die Okular-Linse schaut, scheint es, als würde man durch ein übliches Optisches Gerät schauen, man sieht das Bild jedoch in monochronem Grün. Die Okular-Linse dient zusätzlich, zum Einstellen der individuellen Sehstärke. Die Objektiv-Linse dient zur Justierung des Fokus anhand der Sehstärke Nachsichtgerät Allgemeines Funktion und Aufbau

6 6 | - Kathode: Der Pol, der an den Minuspol einer Spannung angelegt wird um Strom zu erhalten ist die Kathode - Hochstatisches Feld: Elektrisch aufgeladenes Spannungsfeld, das bei Auftreffen der Energie (Infrarot oder Restlicht) Elektronen freisetzt - Okular: Dem Auge zugewandte Linse eines optischen Gerätes Nachtsichtgerät Allgemeines Funktion und Aufbau

7 7 | Nachsichtgerät Allgemeines Anwendungsbeispiele Zivile Anwendung Militarische Anwendung Grenzkontrolle Wild im Wald Wild auffinden nach einem Verkehsunfall Bildquelle:www. waffen-faude.de, cgi.ebay.at und triebel-shop

8 8 | Thermal- und Infrarot- Nachtsichtgeräte Ein thermales Nachtsichtgerät ist im Grunde eine Weiterentwicklung des passiven Infrarot-Nachtsichtgerätes. Beide liefern Bilder von Wärmestrahlungen. Der Unterschied dieser beiden Nachtsichtgeräte ist, dass das passive Nachtsichtgerät das Ziel erst mit einem Infrarotstrahl bestrahlen muss. Im Krieg ist das infrarote Nachtsichtgerät weniger geeignet, da der Gegner durch den Strahl die Position des Anderen erfährt. Das Thermal-Nachtsichtgerät jedoch nimmt die Wärmestrahlen des Ziels auf, ohne sich sichtbar zu machen. Allerdings kostet es zwischen und Euro. Infrarot-Nachtsichtgeräte werden mittlerweile nicht mehr hergestellt, was nicht an der Leistung liegt, sondern am Gewicht. Nachsichtgerät Allgemeines Funktion und Aufbau - Infrarot: Unsichtbare Wärmestrahlung, die im Lichtspektrum (siehe Übersicht Nachtsichtgeräte) zwischen dem roten Licht und den kürzesten Radiowellen liegt

9 9 | Agenda 1Allgemeines 2Grundlagen 3Historische Entwicklung 3Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4Einsatzanforderung 5Aufbau einer Wärmbildkamera

10 10 | Infrarote Strahlung hat die gleiche Natur / Ursprungsort wie Licht Sie breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus Der Unterschied zwischen Licht und Infrarot ist die Wellenlänge Das Elektromagnetische Spektrum definiert andere Arten von elektromagnetischer Strahlung in unserer Umgebung ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG Wärmebildkamera Grundlagen

11 11 | Weißes Licht besteht aus einem Spektrum an Farben Licht ist nicht unteilbar wie man bis dahin dachte Sir Isaac Newton, 1666 PRISMA Wärmebildkamera Grundlagen

12 12 | Sir William Herschel, 1800 Variieren die Farben des Spektrums in der Temperatur? Herschel benutzte ein Prisma, um das Licht in seine Einzelfarben zu teilen und entdeckte so den Infrarotbereich. Wärmebildkamera Grundlagen

13 13 | Blau- am kältesten, Rottöne am wärmsten Jenseits von rot wird es noch wärmer! Herschels Entdeckung: Wärmebildkamera GrundlagenGamma-strahlenRöntgen-strahlenUVIRRadiowellen Wellenlänge in µm 0,40, sichtbar nahesIRmittleresIR fernes Infrarot Arbeitsbereich der Wärmebildkamera 8 – 14 µm

14 14 | Wärmebildkamera Grundlagen Wärmestrahlung wird von allen Gegenständen abgestrahlt Wird verursacht durch die Bewegung und Rotation der Moleküle in der Materie Die molekulare Aktivität nimmt mit der Temperatur zu Die infrarote Strahlung nimmt zu mit steigener molekularer Aktivität

15 15 | Wärmebildkamera Grundlagen Was ist infrarote Strahlung ? Infrarote Strahlung ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums Es ist eine Energie, die von uns als Wärme wahrgenommen wird Alle Körper über dem absoluten Nullpunkt von 0 °K oder – 273 °C absorbieren infrarote Strahlung

16 16 | Wärmebildkamera Grundlagen Was ist ein Wärmebild ? Wärmebilder sind: - die Erkennung von infraroter Strahlung - die Umwandlung der Energieaufnahme in ein sichtbares Bild Ein Wärmebild ist die Darstellung unterschiedlicher Temperaturen eines Objektes (oder einer Person) 1°C 17°C 48°C 125°C

17 17 | Wärmebildkamera Grundlagen Unterschied zwischen sichtbarem Licht und infraroter Strahlung: Sichbares Licht: - Teil des elektromagnetischen Spektrum, welches das menschliche Auge erkennen und verarbeiten kann - Spektralfarben: Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot Infrarot: -Teil des Spektrums ausserhalb des sichbaren Bereiches (hinter dem roten Licht) - Infrarote Wellenlänge: nah = 0,75 - 1,5 µm mittel = 3,0 - 8,0 µm lang = 8,0 - 15,0 µm für Feuerwehren geeignet

18 18 | ABSCHWÄCHUNG DER WÄRMESTRAHLUNG - DURCH ATMOSPHÄRE IR - optische Fenster: 1.: bis 2,5 µm 2.: 2/3 bis 5 µm 3.: 8 bis 12 µm Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für optische Strahlung : Strahlungsdämpfung durch Wechselwirkungen mit Bestandteilen der Atmosphäre: Gase, Aerosole, Wasserdampf, u.a. Wärmebildkamera Grundlagen

19 19 | Wärmebildkamera Grundlagen Unterschied zwischen sichtbarem Licht und infraroter Strahlung: Sichtbares Licht: sichtbares Licht wird durch z.B. Rauchpartikel geblockt Infrarot: infrarote Strahlung geht durch Rauch hindurch

20 20 | WÄRMEBILD Wärmestrahlung Ursachen - Rauch - Wassernebel - Ruß - unverbrannte und verbrannte organische und anorganische Bestandteile Ursachen -Interpretationsfehler -Sichtverhältnisse Aber : Empfindlichkeit im Bereich 8-12 µm und Temperaturauflösung von 0,05 K gewährleisten ausreichenden Durchblick Wärmebildkamera Grundlagen

21 21 | Eine weitere Voraussetzung für die Anwendung von Wärmebildkamera´s (kurz WBK) ist eine Temperaturdifferenz. Die daraus resultierenden Ergebnisse werden im Bild darsgestellt. Stand der Technik : 0,05 ° C 1°C 17°C 48°C 125°C Detektieren - Auswertung – Darstellung Wärmebilder Grundlagen

22 22 | Agenda 1Allgemeines 2Grundlagen 3Historische Entwicklung 3Funktionsprinzip einer Kamera 4Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

23 23 | Wärmebildkamera Historische Entwicklung Geschichte der Wärmebildkameras Die Technologie wurde um 1960 ursprünglich für das Militär entwickelt 1987 kam die erste Kamera für die Feuerwehr auf den Markt Wärmebildkameras sind die bedeutendste Innovation für Feuerwehren in den letzten 15 Jahren Heute gibt es drei Sensoren aus verschiedenen Materialien, welche für bei Wärmebildkameras verwendet werden: barium strontium tinanat (BST), Vanadium Oxid (VOx), und amorphes Silikon (aSi) Weltweit sind heute ca Wärmebildkameras im Einsatz Weiteste Verbreitung: USA, Großbritannien, Deutschland

24 24 die Wärmebildkamera ist größte Innovation im Feuerwehrwesen der letzten Zehn Jahre zahlenmäßig führend: USA-GB-D; England -Pionier der Entwicklung rasche Verbreitung inEuropa nach der Interschutz Hannover 1995 Herstellung in den USA und GB, A und CN. Wärmebildkamera Historische Entwicklung

25 25 | Historische Entwicklung Ein Modell-Überblick

26 26 | Röhren (Vidicon Tube) erste Generation entwickelt in den 70er Jahren Technik ähnlich einer Fernsehkamera sehr empfindlich gegen Temperatur und Stöße begrenzte Haltbarkeit für Feuerwehreinsatz eher ungeeignet Historische Entwicklung Erste Generation

27 Die ersten Geräte waren Röhrenkameras mit rundem, recht unscharfen Bild. Röhrenkamera-BildBST- oder Mikrobolometerkamera-Bild Moderne Kameras arbeiten nach der BST (Barium-Strontium-Titanat) oder Mikrobolometer-Technologie Historische Entwicklung Erste Generation

28 Insgesamt verbesserte Bilddarstellung (Auswertung) Farbige Darstellung der Hitzezonen Direkte Temperaturanzeige Übertragungsmöglichkeit nach außen… Die wichtigste Neuerung ist allerdings die Verkleinerung (=Gewichtsersparnis) der Kameras Optimierungen in den letzten Jahren Historische Entwicklung Allgemeine Trends

29 29 | BST – Barium-Strontium-Titanat Entwicklung in den 80er Jahren Sensor mit 320 x 240 Bildpunkten nur Messung von Temperaturänderung möglich rotierende Scheibe mit 30 U/min mechanische Blende für Überstrahlungsschutz 8-bit-System mit 256 Graustufen Historische Entwicklung BST-Technologie

30 30 | neueste Sensortechnik – seit 1992 für den zivilen Bereich verfügbar Sensor mit 320 x 240 Bildpunkten Kleinbildkameras: 160 x 120 höhere Messempfindlichkeit statische Messung mit 60 Bildern pro Sekunde keine beweglichen Teile 12-bit-System mit 4096 Graustufen Überstrahlungsschutz und Helligkeitskontrolle ohne mechanische Blende möglich Historische Entwicklung Microbolometer

31 31 | Agenda 1Allgemeines 2Grundlagen 3Historische Entwicklung 3Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

32 32 | Wärmebildkamera Funktionsprinzip Wie entsteht ein Wärmebild ? /\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/ /\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/ /\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/ F.P.A IR Strahlung IR Detektor Signal Prozessor Elektronisches Signal LCD Bildschirm IRLinse F.P.A. = Focal Plane Array

33 33 | IR Lens Shutter / Iris or Chopper Detector Preamp FPA Detector Digital Image Processing Wärmebildkamera Funktionsprinzip Object / Scene Display

34 34 | IR Lens Shutter / Iris or Chopper Detector Preamp FPA Detector Digital Image Processing Wärmebildkamera Funktionsprinzip Object / Scene Display

35 35 | Detector Preamp Display Digital Image Processing Das thermische Bild wird durch den Sensor erst in elektrische Signale und dann mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoftware in ein sichtbares Bild umgewandelt, welches auf einem Bildschirm (z.B. LCD) dargestellt wird. Im Gegensatz zum BST Sensor führt die thermische Strahlung beim Microbolometer zu einer Widerstandsänderung und nicht zu einer Kapazitätsänderung. Das bedeutet, dass der Microbolometer Sensor auch ein Signal bei gleichbleibender Strahlungsintensität abgibt (z.B. unbewegtes Bild). Eine sich bewegende Scheibe (Chopper) ist daher nicht notwendig. Umso höher die Temperatur, umso höher das elektrische Signal und umso weißer wird das Pixel dargestellt. Wegen der erhöhten dynamischen Empfindlichkeit, kann der Microbolometer bis zu 60-mal pro Sekunde ein neues Bild abgeben. Dies führt zu einem weicheren und klareren Bild. Mit den MB Kameras wurde auch das erste mal die Farbdarstellung bei FW-Kameras eingeführt d.h. heiße Bereiche (bzw. gesättigte Bereiche des Bildes) können rot eingefärbt darrgestellt werden. Diese gibt einen schnellen visuellen Überblick über die Szene. Wärmebildkamera Funktionsprinzip

36 IR Mikrobolometer-Detektor Wärmebildkamera Funktionsprinzip

37 37 | Wärmebildkamera Funktionsprinzip Interpretation von Wärmebildern: Heisse Objekte Weiss oder helle Darstellung Kalte Objekte Schwarz oder dunkle Darstellung Heisses Wasser Kaltes Wasser

38 38 | Agenda 1Allgemeines 2Grundlagen 3Historische Entwicklung 3Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

39 39 | Sinne Sehen X Schmecken X Hören X Riechen X Tasten im Feuer erwarten Sie… erhöhte Lautstärke Feuer breitet sich aus - der Rückzug ist abgeschnitten ?? abströmende Luft vom Pressluftatmer ansteigende Lufttemperatur ansteigende Körpertemperatur unsichtbare Hindernisse unsichtbare Risiken Opfer in Lebensgefahr? Durch Menschen verursachte + natürliche Einflüsse WBK kann helfen das Sehen wesentlich zu verbessern Zeit Stressniveau Wärmebildkamera Einsatzanforderungen

40 40 | Agenda 1Allgemeines 2Grundlagen 3Historische Entwicklung 3Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

41 41 | Agenda 1Allgemeines 2Grundlagen 3Historische Entwicklung 3Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

42 42 | Schalter Frontgehäuse IR Sensor mit Signal- verarbeitung IR Objektiv Hinteres Gehäuse LCD Display LCD Gehäuse Wärmebildkamera Bauteile einer Kamera

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.


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