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Messgenauigkeit und -unsicherheit von Infrarotkameras

Der Nutzen von Messergebnissen ist stark eingeschränkt, wenn es an Wissen fehlt, wovon Empfindlichkeit und Genauigkeit der verwendeten Messgeräte abhängen. Dies gilt auch für IR-Kameras. Bei Diskussionen zur Messgenauigkeit der Kameras wird häufig mit komplexen Modellen und Fachausdrücken operiert, die Missverständnisse begünstigen können. Im Folgenden wird daher der Begriff der Messunsicherheit ohne überflüssige Fachausdrücke erklärt.

Bild: Flir Systems GmbHBild: Flir Systems GmbH
Bild 1 | Flir-Labor für die Kalibrierung von Wärmebildkameras in Niceville, Florida (USA).

In den meisten Datenblättern von IR-Kameras werden Genauigkeitsangaben wie ±2°C oder 2% des Ablesewerts gemacht. Diese Werte sind das Ergebnis eines häufig eingesetzten Verfahrens zur Messfehlerbestimmung, der Bildung der geometrischen Summe der Einzelfehler (Root-Sum-of-Squares, RSS).

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Bild 2 | Typische Reaktion einer A325sc-Kamera bei Aufnahme eines Schwarzen Körpers mit 37°C.

Dahinter steckt die Idee, für die einzelnen Variablen der Temperaturmessgleichung jeweils die Einzelfehler zu ermitteln und aus der Summe der Quadrate der Einzelfehler die Quadratwurzel zu berechnen. Diese Berechnung klingt komplex, ist aber ziemlich einfach. Als weitaus schwieriger kann sich die Ermittlung der Einzelfehler erweisen. Diese können sich aus mehreren Variablen der typischen Temperaturmessgleichung von IR-Kameras ergeben, wie Emissionsgrad, reflektierte Umgebungstemperatur, Transmission, Atmosphärentemperatur, Reaktion der Kamera und der Temperaturgenauigkeit des Kalibrierungsgegenstands. Nachdem für die Einzelfehler aller genannter Größen plausible Werte ermittelt wurden, werden diese in die folgende Gleichung eingesetzt:

Gesamtfehler = T12+T22+T32 ...

wobei T1, T2, T3 usw. die Einzelfehler der Variablen der Messgleichung sind. Warum ist diese Vorgehensweise sinnvoll? In der Praxis können sich zufällige Messfehler gegenseitig verstärken, aber auch gegenseitig auslöschen. Die geometrische Summe ist deshalb das sinnvollste Maß zur Angabe des Gesamtfehlers. Aus diesem Grund wird diese Angabe in allen Datenblättern von Flir-Kameras verwendet. Grundsätzlich ist dabei zu berücksichtigen, dass die bisher diskutierten Berechnungen nur gelten, wenn die Kamera im Labor oder für kurze Distanzen (unter 20m) im Freien verwendet wird. Bei längeren Distanzen kommen zusätzliche Messungenauigkeiten aufgrund der atmosphärischen Absorption sowie in geringerem Ausmaß der atmosphärischen Emission hinzu. Wenn heute die Messunsicherheit moderner IR-Kamerasysteme unter Laborbedingungen analysiert wird, ergeben sich fast immer Werte um ±2°C oder 2%. Die Praxis zeigt aber, dass Hochleistungskameras wie die X6900sc erheblich bessere Ergebnisse als preisgünstige Kameras wie die E40 liefern.

FLIR Systems GmbH

Dieser Artikel erschien in inVISION 6 2017 - 02.11.17.
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