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Der Unterschied zwischen Tele-, Makro- und Weitwinkel-Infrarotobjektiven

19. Nov 2019 | Thermografie

Mit Wärmebildkameras können Untersuchungen aus sicherer Entfernung durchgeführt werden. Auf diese Weise ist es oft nicht nötig, den laufenden Betrieb zu unterbrechen oder persönliche Schutzkleidung anzuziehen. So sparen Sie Produktionszeit und tragen dazu bei, dass niemand einem Gefahrenbereich ausgesetzt wird. Für manche Anwendungen müssen jedoch Bilder von Objekten gemacht werden, an die man nur durch das Betreten eines Gefahrenbereichs, das Besteigen einer Leiter, oder unter Umständen sogar nur per Hebebühne oder Helikopter nahe genug herankommen würde. Sie werden nicht mehr mit dem Standardobjektiv Ihrer Kamera auskommen! Hochwertige Tele- und Makro-Objektive werden häufig als „Intelligente Objektive“ bezeichnet, da sie keine Kalibrierung für die Verwendung mit einer bestimmten Kamera erfordern. Sie können außerdem mit anderen kompatiblen Wärmebildkameras verwendet werden.

4- und 2-fach-Infrarot-Teleobjektive vergrößern die gewünschten Objekte, damit Sie vom Boden aus oder aus sicherer Entfernung viel mehr Details erkennen können. Alternativ bieten 25-µm-Makroobjektive ein Niveau an Wärmebilddetails, das Ihnen hilft Probleme zu erkennen, die Sie nicht mit einem Standardobjektiv würden einfangen können. Diese Detailtreue ist von entscheidender Bedeutung, um die Integrität und Produktionsqualität von immer kleiner werdenden Leiterplatten und mikroelektronischen Bauelementen zu gewährleisten.

Hochwertige Teleobjektive leisten deutlich mehr als nur das Motiv nähere heranzuholen. Sie erfassen mehr Details und verbessern dabei die räumliche Auflösung, damit Sie Anomalien erkennen und möglicherweise sogar messen können, die Ihnen mit einem Standardobjektiv ansonsten vielleicht entgangen wäre. Auf diese Weise können Sie potenzielle Probleme noch vor Ort einschätzen. Diese Teleobjektive sind eine ausgezeichneten Wahl für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche wie die Energieerzeugung, -übertragung und -verteilung, die Chemikalienherstellung, die Öl- und Gasbranche, die Metallveredelung oder für die Untersuchung von Gebäuden. Prinzipiell sind die Teleobjektive für alle industriellen und gewerblichen Unternehmen eine gute Wahl.

Anwendungsbereich eines Weitwinkelobjektivs

Weitwinkelobjektive eignen sich am besten für die Aufnahme großer Motive aus relativ kurzer Entfernung. Wenn Sie einen großen Bereich aufnehmen oder in einem engen Raum arbeiten müssen, was für Elektriker, Wartungs- und Prozesstechniker besonders nützlich ist. Gebäudetechniker können diese Objektive zur Prüfung von Dächern und Industriegebäuden verwenden, da sie eine größere Fläche auf einen Blick sehen können.

Wärmebild der Seattle Space Needle, die mit einem Fluke 2-fach-Teleobjektiv aufgenommen wurde
Dieses Bild wurde mit einer Wärmebildkamera TiX560 und einem 2-fach-Teleobjektiv von Fluke aufgenommen.
Wärmebild der Seattle Space Needle, die mit einem Fluke 4-fach-Teleobjektiv aufgenommen wurde
Dieses Bild wurde vom selben Standort aus mit einer Wärmebildkamera TiX560 und einem 4-fach-Teleobjektiv von Fluke aufgenommen.

Anwendungsbereich eines 2-fach-Teleobjektivs

Die 2-fach-Teleobjektive sind eine gute Wahl für kleine bis mittelgroße Messobjekte, an die Sie nicht nahe genug herankommen können, um mit einem Standardobjektiv die nötigen Details erkennen zu können. Wenn Ihre Wärmebildkamera mit Standardobjektiv beispielsweise über ein D:S-Verhältnis von 764:1 verfügt, dann könnten Sie aus einer Entfernung von 764 cm zum Objekt einen Messfleck von 1 cm erkennen. Mit derselben Kamera und einem 2-fach-Teleobjektiv würde sich das D:S-Verhältnis ungefähr verdoppeln (~1530:1). Um einen Messfleck von 1 cm erkennen zu können, könnten Sie jetzt also 15,3 m vom Objekt entfernt stehen. Dadurch könnten Sie denselben Messfleck aus fast der doppelten Entfernung erkennen oder einen Messfleck von ca. 0,5 cm aus derselben Entfernung.

Das 2-fach-Objektiv bietet deutlich mehr Details als das Standardobjektiv. Das bedeutet, dass Sie sich nicht mehr in den Gefahrenbereich Ihrer Anlage begeben oder eine hohe Leiter besteigen müssen, um wichtige Daten für die Fehlersuche oder Instandhaltungsarbeiten zu erhalten. Das Objektiv ist daher überaus hilfreich zur Untersuchung von elektrischen, elektromechanischen und Prozessanlagen. Es ist außerdem eine gute Wahl für Messungen an hoch liegenden Belüftungsöffnungen, Luftführungsanlagen oder Verkabelungen und sogar für Messungen in unterirdischen Bereichen, um etwa Details in einem Kellergewölbe oder einem kleinen Einlaufschacht erkennen zu können.

Sichtung einer Übertragungsleitung an einem Umspannwerk mit Standardobjektiv
Bei der thermografischen Untersuchung der äußeren Betriebsmittel eines Umspannwerks mit einer Wärmebildkamera TiX560 und einem Standardobjektiv wurde an einem der Phasenschalter eine Anomalie erfasst.
Übertragungsleitung an einem Umspannwerk mit 2-fach-Teleobjektiv von Fluke
Aufnahme desselben Bereichs mit einem 2-fach-Teleobjektiv von Fluke zeigt definitiv einen Hot-Spot am Schalter.
Übertragungsleitung an einem Umspannwerk mit 4-fach-Teleobjektiv von Fluke
Dieses dritte Bild der Übertragungsleitung des Umspannwerks, das mit einem 4-fach-Teleobjektiv von Fluke aufgenommen wurde, zeigt eindeutig einen Hot-Spot am Trennschalter, der durch einen hohen Widerstand verursacht wird.

Anwendungsbereich eines 4-fach-Teleobjektivs

4-fach-Teleobjektive eignen sich ausgezeichnet zur Erfassung des Wärmeprofils kleiner Messobjekte aus viel größerer Entfernung. Wenn das D:S-Verhältnis Ihrer Infrarotkamera beispielsweise mit dem Standardobjektiv 764:1 beträgt, dann würde es mit dem 4-fach-Teleobjektiv etwa das Vierfache betragen, also 3.056:1 (30,6 m Entfernung für einen Messfleck von 1 cm). Wenn Sie also 7,6 Meter vom Objekt entfernt stehen, dann würden Sie einen Messfleck von etwa 0,25 cm erkennen. Ein 4-fach-Teleobjektiv ist eine ausgezeichnete Wahl unter anderem für folgende Anwendungen:

  • Hochspannungsleitungen
  • Umspannwerke
  • Hohe Gasfackeln in petrochemischen Anlagen
  • Metallveredelung
  • Andere schwer erreichbare, stromführende oder unsichere Bereiche

Mit einem 4-fach-Teleobjektiv können Sie von Weitem wichtige Details erkennen, die auf andere Weise nur schwer zu sehen wären. Auf diese Weise erkennen Sie Probleme an Verbindungsstellen von Übertragungsleitungen oder an feuerfesten Auskleidungen, die eine schlechte Produktqualität, eine unsichere Arbeitsumgebung und/oder Umsatzeinbußen zur Folge haben könnten.

Wärmebild eines Hochspannungsmasts
Hochspannungsmast, aufgenommen mit einer Wärmebildkamera TiX560 mit Standardobjektiv
Hochspannungsmast mit 2-fach-Teleobjektiv von Fluke
Derselbe Mast, aufgenommen aus derselben Entfernung wie das vorherige Bild, diesmal jedoch mit einem 2-fach-Teleobjektiv von Fluke.
Hochspannungsmast mit 4-fach-Teleobjektiv von Fluke
Dieses Bild zeigt den rechten Verbindungspunkt aus derselben Entfernung wie das erste Bild. Die Aufnahme wurde diesmal jedoch mit einem 4-fach-Teleobjektiv von Fluke gemacht. Mit dem 4-fach-Teleobjektiv erhalten Sie den nötigen Detailgrad, um feststellen zu können, ob es sich um ein potenzielles Problem oder – wie in diesem Fall – vielleicht nur um eine Reflexion handelt.

Nutzung von Makroobjektiven bei der Arbeit

Ob Sie ein neues Bauelement entwerfen, Qualitätstests an Komponenten oder vollständig bestückten Leiterplatten durchführen oder Fehler an fertig gestellten Bauelementen suchen, die Möglichkeit zur Erkennung kleiner Unterschiede bei Temperaturprofilen von Mikroelektronikkomponenten kann dazu beitragen, fehlerhafte Stellen schneller zu finden oder die Qualitätskontrolle von Leiterplatten oder Komponenten schneller durchzuführen.

Widerstandschip, Aufnahme mit Standardobjektiv
Präzisionswiderstand-Chip, aufgenommen mit einer Fluke TiX560 und einem Standardobjektiv.
Widerstandschip, Aufnahme mit 25-µm-Makroobjektiv
Detailliertere Ansicht der Strukturdetails im Präzisionswiderstand-Chip, aufgenommen mit einer TiX560 und einem 25-µm-Makroobjektiv.

Wir haben mit einem Standardobjektiv einen Schaltkreis gescannt und einen überhitzten Bereich gefunden. Mit der TiX560 mit 25-µm-Makroobjektiv konnten wir erkennen, dass der überhitzte Bereich tatsächlich von zwei Stromkreisen in einem integrierten Schaltkreis gebildet wird, die beide normal funktionierten. Wenn einer der beiden Stromkreise ausgefallen wäre, würden Sie das auf dem Bild eindeutig erkennen, das mit dem Makroobjektiv aufgenommen wurde. In diesem Fall wäre nur ein Rechteck heiß, das andere wäre dunkel. Das mit dem Standardobjektiv aufgenommene Bild zeigt nicht genügend Details, um zwei Stromkreise erkennen zu können. Wenn ein Stromkreis heißer als der andere oder kalt wäre (was auf einen Ausfall hinweist), würden sie diesen Unterschied nicht erkennen können und weiter andere Bereiche der Leiterplatte untersuchen.

Die Diagnose und Beseitigung von Fertigungsproblemen ist für die Erzielung einer hohen Produktausbeute von entscheidender Bedeutung. Dies konnten wir bei Fluke bei einem unserer eigenen Fertigungsabläufe feststellen. Beim Prüfen unserer pyroelektrischen Detektoren auf Keramikbasis traten plötzlich viel mehr Ausfälle als im Durchschnitt auf. Eine 50-prozentige Verringerung der Ausbeute deutete auf ein Fertigungsproblem hin. Bei einer einfachen Messung an der Stromversorgung stellten wir fest, dass der Detektor zu viel Strom zog, was auf einen Kurzschluss hinwies. Das Problem bestand darin, diesen Kurzschluss zu lokalisieren.

Wir beschlossen, mit einer Hochleistungs-Wärmebildkamera Wärmebilder des eingeschalteten Detektors aufzunehmen. Als wir ein Wärmebild mit einem Standardobjektiv aufnahmen, war keine Unregelmäßigkeit zu erkennen. Als wir jedoch das 25-µm-Makroobjektiv montierten, zeigte das aufgenommene Bild auf der ansonsten einheitlichen Oberfläche einen deutlich wahrnehmbaren überhitzten Bereich.

Als wir wussten, wo das Problem zu suchen war, entfernten wir das Keramikmaterial vom Detektor und nahmen den Silizium-Messchip erneut mit dem Makroobjektiv auf. Diese Aufnahme zeigte einen klar umrissenen überhitzten Bereich mit einem Durchmesser von ca. 100 µm.

Nachdem wir den infrage kommenden Bereich lokalisiert hatten, untersuchten wir den Problembereich auf dem Siliziumchip mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM). Bei dieser Untersuchung wurden Vertiefungen im Siliziummaterial festgestellt, die zu einem Riss und in der Folge zu einem Kurzschluss zwischen den Leiterbahnen für den Pluspol und Minuspol der Stromversorgung führten. Beim Zurückverfolgen der Schritte des Fertigungsprozesses fanden wir heraus, dass an einem Punkt im Prozess die Lithografieplatte den Siliziumchip berührte und dadurch diese Vertiefung hervorrief.

Wir richteten die Lithografieplatte neu aus, um diese Berührung zu vermeiden. Damit war das Problem behoben. Die Produktionsausbeute erreichte wieder die vorherigen Werte. Wenn es uns nicht gelungen wäre, den Problembereich mithilfe des Makroobjektivs einzugrenzen, hätte die Suche nach der Problemursache länger gedauert. Wir hätten den gesamten Chip mit dem REM untersuchen müssen, um das Problem zu finden. Dies hätte Stunden dauern können und nicht nur Minuten, die wir mit einem 25-µm-Makroobjektiv brauchten.

Nutzen einer Makrodarstellung während des gesamten Produktionszyklus

Da das 25-µm-Wärmebildkamera-Makroobjektiv exakt auf derartig kleine Messobjekte fokussiert werden kann, ist es für die folgenden Analysen von enormem Wert:

  1. Werkstoffintegrität und -qualität
    Eine Wärmebildkamera mit 25-µm-Makroobjektiv zeigt Temperaturverläufe, die auf gelöste Verbindungen, Gitterfehlstellungen und andere Unregelmäßigkeiten hinweisen können. Gleiche Anomalien in der Temperaturverteilung bei mehreren Prüfmustern können ein Hinweis auf Fertigungsfehler sein.
  2. Parameter des Betriebsverhaltens von Werkstoffen
    Für alle Werkstoffe und Komponenten gelten Spezifikationen wie zum Beispiel Temperaturbereich und Feuchte. Temperaturverläufe auf der Oberfläche können darauf hinweisen, ob sich eine Komponente oder ein Werkstoff unter diesen vorgegebenen Bedingungen wie erwartet verhält. Die Möglichkeit, Temperaturunterschiede zwischen Details mit einer Größe von nur 25 µm festzustellen, kann dazu beitragen, eventuelle Ausfälle bei nahezu mikroskopisch kleinen Komponenten aufzuspüren.
  3. Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Werkstoffen
    Durch Erfassung der Temperaturverläufe von Werkstoffen mit einer Wärmebildkamera mit Makroobjektiv über einen längeren Zeitraum können F&E-Ingenieure die erwartete Lebensdauer einer Komponente ermitteln und Problembereiche erkennen, die unter Umständen zu einem frühzeitigen Ausfall führen.