Vom Fieber messen bis zur industriellen Qualitätskontrolle

Mit den passenden Antrieben die Temperatur im Blick

Wärmebildkameras können einen wichtigen Beitrag dazu leisten, Infektionsketten zu unterbrechen. Mit ihrer Hilfe lassen sich beispielsweise erkrankte Personen schnell und unkompliziert bereits bei der Ankunft am Flughafen erkennen. Thermografische Verfahren eignen sich aber auch, wenn es gilt Wärmelecks in Gebäuden aufzuspüren oder zur industriellen Qualitätskontrolle, da Produkteigenschaften oft von präzise eingestellten Temperaturen abhängen. Heißwalzen, Laminieren oder Glashärten liefern dafür typische Beispiele. DC-Kleinstmotoren und kleine Schrittmotoren sind in all diesen Fällen unverzichtbar, beispielsweise um Fokus und Zoom der optischen Thermografiesysteme präzise zu justieren.

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 Sofortmaßnahmen ergriffen werden. Ein großer Vorteil der Temperaturmessung per Wärmebildkamera besteht dabei 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.

Berührungslose Temperaturmessung: vom Bolometer bis zum Quantentopf

Für eine schnelle und relativ zuverlässige Temperaturmessung am menschlichen Gesicht ist am besten der innere Lidwinkel am Auge geeignet. Anders als 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, der bis zu einer Million Pixel hat. Jedes Pixel dieses Bildsensors ist ein winziges sogenanntes Bolometer, ein wenige Quadratmikrometer kleiner thermischer Empfänger. Er ist nur 150 Nanometer dünn und wird 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.

Außer 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. Wellenlängendetektion und Bolometer werden aber nicht nur für die Fiebermessung beim Menschen genutzt. Eine weitere typische Anwendung ist die Suche nach Temperaturlecks in der Isolierung von Gebäuden. Weniger bekannt, aber ebenfalls weit verbreitet ist der Einsatz der Thermographie 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 in einem Schaltschrank sichtbar machen oder heiß laufende Lager in Maschinen, lange bevor sie einen kritischen Zustand erreichen.

In der Atmosphären- und der Weltraumforschung kommt ein weiteres Verfahren zur Temperaturbestimmung 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. Daraus lassen sich aussagekräftige Bilder gewinnen. Wärmebildkameras, die diese Methode nutzen, zeichnen sich durch besonders hochauflösende „Farben“ im Bereich bis zu 10 mK aus. Außerdem gibt es Thermografieverfahren, die nicht auf die vorhandene Wärmestrahlung setzen, sondern mit einer aktiven Beleuchtung quasi den Spieß umdrehen: Eine Infrarot-Lichtquelle leuchtet wie ein gewöhnlicher Foto-Scheinwerfer die beobachtete Szenerie aus, die Kamera wird zum Nachtsichtgerät. Dieses Verfahren wird zum Beispiel bei Antiterror-Einsätzen in dunklen Räumen verwendet. Für die Zielpersonen bleibt das Infrarotlicht unsichtbar.

Für jede Aufgabe die passende Antriebslösung

Welche Methode auch angewandt wird, für die Messung und Bildgebung müssen immer elektromagnetische Wellen gesammelt, gebündelt und zu den jeweiligen Empfängern gelenkt werden. Im Prinzip funktioniert das so ähnlich wie beim sichtbaren Licht in der „normalen“ Fotografie und es finden die gleichen optischen Elemente Verwendung: Zum Fokussieren und Zoomen werden Linsen verschoben, Blenden eingestellt, Filter in Position gebracht und Verschlüsse betätigt. Beim bolometrischen Verfahren 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 dieser Shutter sich bewegt, desto kürzer ist die Totzeit, also die Zeitspanne in der nicht gemessen werden kann.

Für all diese Anwendungen sind Antriebe gefragt, die möglichst effizient arbeiten, kompakt bauen und sich präzise ansteuern lassen. Zudem sollten sie gut in die Anwendung integrierbar sein. Kein Wunder also, dass DC-Kleinstantriebe und kleine Schrittmotoren aus dem Programm des Antriebsspezialisten FAULHABER (vgl. Firmenkasten) in thermografischen Geräten weit verbreitet sind. Für Fokus und Zoom werden in optischen Geräten beispielsweise häufig DC-Kleinstmotoren der Serie 1524…SR eingesetzt. Die edelmetallkommutierten DC-Motoren mit lediglich 15 mm Durchmesser und 24 mm Länge arbeiten rastmomentfrei, liefern ein Drehmoment von 2,8 mNm bei einem sehr geringen Stromverbrauch und sind obendrein dank der hohen Leistungsdichte mit einem Gewicht von nur 18 g auch noch ausgesprochen leicht. Selbst wenn Antriebe in extrem klein dimensionierten Mikro-Objektiven Platz finden sollen, gibt es passende Motoren. Hier lassen sich DC-Kleinstmotoren mit Durchmessern von lediglich 8 oder 10 mm integrieren, die ebenfalls durch ihre Leistungsdichte überzeugen.

Für die Bewegung von Filtern und Shuttern bieten sich oft Schrittmotoren an, z.B. der Typ DM0620 in Verbindung mit einer integrierten Spindel. Der Zweiphasen-Scheibenmagnet-Schrittmotor ist bei einem Durchmesser von 6 mm lediglich 9,5 mm lang und liefert pro Umdrehung 20 Schritte. Darüber hinaus finden sich im umfangreichen Produktprogramm viele weitere Motoren, die sich für den Einsatz in optischen Geräten eignen und das einschließlich passender Getriebe, Encoder und weiterem Zubehör. Für praktisch jede Anwendung lässt sich deshalb eine geeignete Lösung finden. Die Antriebskomponenten haben sich bereits seit vielen Jahren in konventionellen optischen Systemen bewährt. Das gilt auch für die automatische, motorisierte Ausrichtung der Kameras auf Schwenk-Neige-Gestellen. Hier finden unter anderem die kompakten und vibrationsarmen Schrittmotoren von FAULHABER einen typischen Einsatzbereich.