So sieht die Aufnahme einer Wärmebildkamera aus.

So sieht die Aufnahme einer Wärmebildkamera aus. - Bild: Faulhaber

| von Zsolt Pekker

Die Corona-Pandemie hat der ganzen Welt vor Augen geführt, was ein hochansteckendes Virus bewirken kann. Reisende haben ungewollt zu seiner Verbreitung beigetragen. Wenn man erkrankte Personen bereits bei der Ankunft am Flughafen erkennt, ist ein wichtiger Schritt zur Unterbindung einer möglichen Infektionskette getan.

Wärmebildkameras können hier einen entscheidenden Beitrag leisten. Motoren von Faulhaber helfen mit, damit sie in Sekundenbruchteilen präzise Bilder und Messwerte liefern.

Temperaturmessung ermöglicht Sofort-Maßnahmen

Die Idee der massenhaften Temperaturkontrolle ist nicht neu. Auslöser und Verstärker für ihre Einführung waren die begrenzten Epidemien, die von den Viren SARS, MERS und Ebola verursacht wurden. Im Angesicht der akuten Gefahr haben einige Länder schon vor Jahren auf Wärmescans an Flughäfen und anderen Ankunftspunkten gesetzt, um die Verbreitung der Krankheiten wenigstens zu behindern.

Covid-19 hat dafür gesorgt, dass diese Methode nun weltweit zunehmend zum Einsatz kommt. Fieber ist meistens ein Hinweis auf eine Infektionskrankheit. Auch wenn die erhöhte Temperatur nicht unbedingt vom Corona-Virus verursacht sein muss, bietet sie einen Anhaltspunkt für eine genauere Prüfung. Hat man dieses Symptom bei einem Reisenden erkannt, können anschließend gezielte Tests durchgeführt und weitere Sofort- Maßnahmen ergriffen werden.

Wärmebildkameras sind stationär oder als mobile Version verfügbar.
Wärmebildkameras sind stationär oder als mobile Version verfügbar. - Bild: Faulhaber

Schnell und berührungslos

Ein großer Vorteil der Temperaturmessung per Wärmebildkamera besteht in ihrer Massentauglichkeit. Die Prozedur ist berührungslos, dauert nur wenige Sekunden und lässt sich automatisieren. So kann man sie auf dem Flughafen, bei Grenzkontrollen oder in anderen Schleusensituationen anwenden, ohne die Bewegungsfreiheit der Menschen nennenswert einzuschränken oder sie in großer Zahl umständlichen Prozeduren zu unterziehen.

Für eine schnelle und relativ zuverlässige Temperaturmessung am Gesicht eines Menschen ist am besten der innere Lidwinkel am Auge geeignet. Anders als etwa an der Stirn, die durch Schwitzen deutlich abkühlen kann, ist die Temperatur an dieser Stelle sehr konstant. Sie lässt sich anhand der Infrarotstrahlung bestimmen, die von der Körperoberfläche ausgeht. Die meisten Wärmebildkameras erfassen diese Strahlung ähnlich wie normale Digitalkameras mit einem Bildsensor mit bis zu einer Million Pixeln.

Jeder Pixel ist ein winziger sogenannter Bolometer, ein wenige Quadratmikrometer kleiner thermischer Empfänger. Nur 150 Nanometer dünn, wird er durch die Wärmestrahlung innerhalb von 10 Millisekunden um etwa ein Fünftel des Temperaturunterschiedes zwischen Objekt- und Eigentemperatur erwärmt. Aus der Summe dieser Werte wird der Temperaturverlauf auf der erfassten Oberfläche berechnet. In der optischen Darstellung entsteht daraus das Wärmebild mit den bekannten Farbschattierungen – je heller, desto wärmer.

Wärmebild mit den bekannten Farbschattierungen
In der optischen Darstellung eines Bolometers entsteht daraus das Wärmebild mit den bekannten Farbschattierungen – je heller, desto wärmer. - Bild: Faulhaber

Wärme-Pixel und Quantentopf

Neben dem Bolometer gibt es weitere Verfahren, um die Temperatur berührungslos und „optisch“ zu messen. So erfassen bestimmte Sensortypen die Wellenlänge der Strahlung und leiten daraus die Temperatur ab. Bolometer und Wellenlängendetektion werden nicht nur für die Fiebermessung beim Menschen genutzt. Eine andere bekannte Anwendung ist die Suche nach Temperaturlecks in der Isolierung von Gebäuden. Auf dem farbigen Wärmebild lässt sich mit einem Blick erkennen, wo Wärme – oder Kälte bei Klimatisierung – verlorengeht.

Weniger bekannt, aber weit verbreitet ist der Einsatz der Thermografie für die Qualitätskontrolle. Ob Metall, Kunststoff oder Glas – bei thermischen Verarbeitungsschritten hängt die Qualität des Produkts oft entscheidend von einer präzise eingestellten Temperatur ab.

Deshalb werden Prozesse wie Heißwalzen, Laminieren oder Glashärten häufig mit Wärmebildkameras überwacht. Bei Solarzellen entdeckt die Thermographie Schäden in der Struktur anhand von stromfressenden „Hotspots“. Die Thermographie spielt außerdem in der Sicherheitstechnik eine wichtige Rolle. Ein Wärmescan kann zum Beispiel überhitzte elektrische Komponenten sichtbar machen, lange bevor sie einen kritischen Zustand erreichen.

In der Atmosphären- und der Weltraumforschung kommt ein ganz anderes Verfahren zum Einsatz: der Quantentopf-Infrarot-Photodetektor (englisch: quantum well infrared photodetector, QWIP). Er besteht aus abwechselnden, sehr dünnen Halbleiterschichten und nutzt einen Quanteneffekt. Die Schichten schränken die quantenmechanischen Zustände ein, die ein Teilchen dort einnehmen kann. Eintreffende Infrarotwellen beeinflussen den Zustand, und daraus lassen sich aussagekräftige Bilder gewinnen. Sie zeichnen sich durch besonders hochauflösende „Farben“ aus.

Außerdem gibt es Geräte, die nicht auf die vorhandene Wärmestrahlung setzen, sondern mit einer aktiven Beleuchtung gleichsam den Spieß umdrehen. Eine Infrarot-Lichtquelle leuchtet wie ein gewöhnlicher Foto-Scheinwerfer die beobachtete Szenerie aus, die Wärmebildkamera wird zum Nachtsichtgerät. Dieses Verfahren wird zum Beispiel bei Antiterror-Einsätzen in dunklen Räumen verwendet. Für die Zielpersonen bleibt das Infrarotlicht unsichtbar.

Farbiges Wärmebild eines Hauses
Auf dem farbigen Wärmebild eines Hauses lässt sich mit einem Blick erkennen, wo Wärme – oder Kälte bei Klimatisierung – verlorengeht. - Bild: Faulhaber

Optik in motorisierter Bewegung

Welche Methode auch angewandt wird, für die Messung und Bildgebung müssen immer elektromagnetische Wellen „eingefangen“, gebündelt und gelenkt werden. Das geschieht prinzipiell ähnlich wie bei der konventionellen Fotografie im Bereich des sichtbaren Lichts. Es kommen also dieselben optischen Elemente zum Einsatz: Zum Fokussieren und Zoomen werden Linsen verschoben, Blenden werden eingestellt, Filter in Position gebracht und Verschlüsse betätigt.

Beim besonders weitverbreiteten Bolometer müssen zudem die Wärme-Pixel in kurzen Abständen neu kalibriert werden, damit Punkte mit gleicher Temperatur im Bild gleich hell erscheinen. Dazu wird bei den meisten Geräten ein schwarzer Shutter automatisch vor den Sensor geschoben, um alle Pixel auf denselben Wert zu justieren. Je schneller er sich bewegt, desto kürzer ist die Zeitspanne, in der nicht gemessen werden kann.

Für Fokus und Zoom werden in optischen Geräten häufig DC-Kleinstmotoren der Serie 1524 ... SR mit Edelmetallkommutierung verwendet. Sie erreichen besonders hohe Leistungswerte bei minimalem Volumen. In Fällen, wo Antriebe auch in kleinstdimensionierten Mikro-Objektiven Platz finden sollen, werden Motoren von 8-10 mm Durchmesser integriert.

Für die Bewegung von Filtern und Shuttern sind unter anderem die Schrittmotoren des Typs DM 0620 in Verbindung mit einer integrierten Spindel besonders gut geeignet. Faulhaber bietet darüber hinaus eine große Auswahl umfangreicher Motoren sowie dazu passende Getriebe, Encoder und weiteres Zubehör an. Daraus lässt sich die optimale Lösung für praktisch jede Anwendung auswählen.

Die Antriebskomponenten sind bereits in vielen konventionell-optischen Geräten zu finden und haben sich dort seit vielen Jahren bewährt. Das gilt auch für die automatische, motorisierte Ausrichtung der Kameras auf Schwenk-Neige- Gestellen. Für diese sind besonders die kompakten und vibrationsarmen Schrittmotoren von Faulhaber prädestiniert.

Der Faulhaber Schrittmotor DM0620
Das ist der Faulhaber Schrittmotor DM0620. - Bild: Faulhaber

Fokus Covid-19: Antriebssysteme für die Medizintechnik

Das Coronavirus und die dadurch ausgelöste Krankheit Covid-19 haben die Welt nach wie vor fest im Griff. Der Schutz der Menschen, die etwa in Krankenhäusern um das Leben der Patienten kämpfen, muss lückenlos sein und ebenso zuverlässig funktionieren wie auf Beatmungsgeräte für erkrankte Patienten Verlass sein muss.

 

Für diese wichtigen, zum Teil lebenserhaltenden Systeme entwickelt und liefert Faulhaber mit seinen Antriebssystemen Schlüsselkomponenten. Erfahren Sie mehr über diese und weitere Anwendungen aus dem Bereich der Medizintechnik in der Faulhaber Sonderpublikation „Fokus Covid-19“, kostenlos erhältlich in Deutsch, Englisch, Französisch, Italienisch, Niederländisch, Polnisch, Ungarisch, Chinesisch und Japanisch.

 

https://www.faulhaber.com/de/maerkte/covid-19/

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