Thermografie

Das Prinzip der Infrarot-Thermographie basiert darauf, dass grundsätzlich jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts (0 K = - 273,15° C) eine elektromagnetische Strahlung aussendet (Wärmestrahlung). Diese Strahlung liegt „jenseits“ des sichtbaren Lichts im Infrarotbereich.

Das spektrale Maximum der Wärmestrahlung stimmt mit einem transparenten Fenster der Atmosphäre überein. In den meisten Bereichen des Infrarotspektrums wird die Strahlung durch Wasser, Kohlendioxid und Spurengase, wie Ozon und Methan, absorbiert. Es verbleiben aber zwei transparente Bereiche (sogenannte „IR-Fenster“), eins von 3 bis 5 μm, das andere bei 8 bis 12 μm. Beide Fenster werden zur Thermographie benutzt, das kürzerwellige für hohe Temperaturen, das langwelligere für den Raumtemperaturbereich, der bei der thermographischen Untersuchung von Gebäuden eine Rolle spielt.

Die Physiker Stefan und Boltzmann haben 1890 ein Gesetz aufgestellt, mit dem der Zusammenhang der Lichtabstrahlung und der Körpertemperatur in guter Näherung dargestellt werden kann (Stefan-Boltzmann-Gesetz):

Wichtig ist dabei, dass die abgestrahlte Intensität der Strahlung direkt proportional zur vierten Potenz der Temperatur des Körpers ist. Das bedeutet, dass eine geringe Temperaturänderung schon einen sehr großen Unterschied in der Helligkeit ausmacht. Das ist die Ursache dafür, dass sich Thermographie sowohl für eine rasche Orientierungs-„Messung“ eignet als auch sich für hochgenaue Analysen zur Oberflächentemperaturbestimmung einsetzen lässt.

Die einfallende Infrarot-Strahlung wird bei der Thermographie mit Hilfe eines IR-Detektors (ein so genannter Sensor) in elektrische Signale umgewandelt und mittels EDV in ein so genanntes Wärmebild umgerechnet. Bei diesen Wärmebildern wird jeder Temperatur eine bestimmte Farbe zugeordnet. Fehlstellen heben sich vom harmonischen Temperaturverlauf der Umgebung ab und sind auch für den Laien deutlich erkennbar. Die flächige Ausdehnung der Auskühlung, ihr Temperaturgradient und die Einströmgeschwindigkeit erlauben die Bestimmung von Fehlern und Undichtigkeiten. Bei der Thermographieuntersuchung von Gebäuden können z.B. Wärmebrücken, in Außenwänden liegende nicht isolierte Heizungsrohre, Fehlstellen in Wärmeisolationen oder undichte Fenster erkannt werden.

Um diese Fehlstellen zu ermitteln, ist es zwingend erforderlich, dass zwischen Innenraum und Außenbereich eine messbare Temperaturdifferenz herrscht. Aus diesem Grund werden in den Wintermonaten die besten Ergebnisse erzielt. In Verbindung mit dem Blower-Door-Verfahren sind ganzjährige Messungen realisierbar.
Sensoren für thermische Infrarotstrahlung haben ein „naturgegebenes“ Problem. Weil sie - wie jeder Körper - aufgrund ihrer Eigentemperatur ebenfalls Infrarotlicht aussenden, „sehen“ sie zunächst einmal selber. Dadurch würde ein sehr hoher störender Untergrund erzeugt (Untergrundrauschen), wenn diese Sensoren nicht (sehr tief) gekühlt werden.

Die einfachste Kühlung für Sensoren ist flüssiger Stickstoff. Der Stickstoff wird in ein Dewar-Gefäß (doppelwandiges, Wärmeisolierendes Gefäß) mit dem Sensor eingefüllt, in dem er dann langsam verdampft. Dabei wird die Temperatur des Sensors auf -196 °C gehalten.

Eine neuere Entwicklung ist die Kühlung von IR-Sensoren mit kleinen Kühlmaschinen auf Basis des Stirling- oder des Pulsetube-Prozesses. Bei den so genannten Handgeräten, die in der Thermographie im Bauwesen in den letzten Jahren verstärkt zum Einsatz kommen, werden auch „ungekühlte“ Sensoren verwendet, die mit Hilfe von Ferroelektrischen oder Peletierelementen auf ausreichend tiefe Temperaturen gekühlt werden.