Das Ende des Versteckspiels

CT-Trendbericht Wärmebildkameras in Instandhaltungs- und Messanwendungen

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25.04.2014 Was haben Raffinerien, Chemieanlagen, elektrische Anlagen und Öfen gemeinsam? Alle müssen von Zeit zu Zeit auf ihre Funktionstüchtigkeit und Sicherheit überprüft werden. Schließlich drohen bei kaputten Anlagenkomponenten oder Stillstand neben einem hohen Geldverlust auch Umweltbelastung oder sogar der Verlust von Men­schen­leben.

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Entscheider-Facts Für Betreiber


  • Wärmebildkameras eignen sich aufgrund ihrer bildlichen Darstellung für die vorbeugende Instandhaltung. Anwender können sich schnell einen Überblick über die Anlagensituation machen.
  • Die Geräte finden ihren Nutzen im Überprüfen von Schaltanlagen, von Kesseln und Öfen und von potenziell undichten Stellen. Spezielle Kameras können aber auch austretende Gase detektieren.
  • Heute lassen sich viele Kameras mit anderen Messgeräten, aber auch mit Anzeigegeräten wie PCs oder Tablets vernetzen. So kann der Anwender aus sicherer Entfernung auch in gefährlichen Bereichen Anlagen überprüfen.
Weiteres über Thermografie finden Sie hier und über Instandhaltungsmöglichkeiten hier.

Für viele Prüf- und Überwachungsaufgaben sind Wärmebildkameras heute erste Wahl – ob es sich um überhitzte Stromkreis-Bestandteile, kaputte Solarzellen oder Gasleckagen handelt: Die Kameras können Fehlerstellen in Bildflächen aufspüren. Damit vereinfachen sie die Arbeit in vielen Branchen.
Mit der Thermografie erhält der Anwender ein berührungsloses Gesamtbild der thermischen Situation. Damit eignet sie sich vor allem als Voruntersuchungsmethode. Das Prinzip: Jeder Körper emittiert Wärme und damit Infrarot-Strahlung. Die Infrarot-Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen im Bereich von 780 nm bis 1 mm. Eine Wärmebildkamera kann einen Teil dieser Strahlung aufnehmen und in ein Bild umwandeln. Funktionieren elektrische Anlagen nicht richtig, und schleicht sich eine Fehlfunktion ein, kommt es in der Regel zu einer Wärmeentwicklung an der beeinträchtigten Stelle. Im schlimmsten Fall besteht bei einer nicht beachteten Störung Brand- oder Explosionsgefahr. Gaslecks in Chemieanlagen und Raffinerien  belasten  sowohl die Umwelt als auch die Menschheit. Und verschwendetes Gas ist außerdem äußerst unwirtschaftlich.
In Öfen brennt das Feuer nicht immer so wie es soll: Wird eine Rohrleitung oder Ähnliches unvorhergesehen beflammt, kann es zum Produktionsausfall und schweren Unfällen kommen. Beim Überprüfen auf solche Probleme lohnt sich ein Gesamtüberblick über größere Bereiche. Die Kamera hilft, Fehler zerstörungsfrei und aus sicherer Entfernung zu entdecken, bevor sie zu ernsthaften Problemen werden. Damit spart der Betreiber sowohl Zeit als auch Geld. Bei der Messung muss es nicht einmal zum Betriebsstopp kommen. Im Gegenteil: Es ist in der Regel besser für die Fehlersuche, wenn die Anlage im Normalbetrieb weiterläuft.

Der Stand der Technik
Thermografie-Kameras haben heute zumindest äußerlich Ähnlichkeit mit herkömmlichen Bildkameras. Seitdem es leichte und ungekühlte Mikrobolometer-Detektoren gibt, sind die Wärmebildgeräte bereits im Camcorder-Format erhältlich. Aber so unterschiedlich die Größen, so unterschiedlich sind auch die Qualität und damit die Möglichkeiten. Manch potenzieller Anwender hat der Thermografie bisher den Rücken gekehrt, allein weil die Auflösungen in früheren Modellen für viele Aufgaben zu gering waren und das Bild damit zu ungenau. Heute sind die Auflösungen bereits wesentlich höher. Um aber noch genauere Bilder zu erreichen, hat der Hersteller Flir in seinen neueren Kameras die MSX-Technologie im Einsatz. MSX bedeutet „Multi Spectral Dynamic Imaging“ und dient zur Kontrastverstärkung, indem Tageslichtbild und Wärmebild zusammengefügt werden können. Im Bild sind dabei in der Falschfarben-Darstellung auch Details zur besseren Orientierung zu erkennen, die ein reguläres Wärmebild nicht darstellen kann.
Wichtig für die Messungen mit einer Wärmebildkamera ist die richtige Einstellung der Geräte- und Messparameter. Thomas Jung, Sales Manager bei Flir, weiß, dass es auf den richtigen Umgang ankommt: „Eine Infrarotkamera ist Messtechnik, kein Fotoapparat. Viele verwechseln das, weil die Kameras heute so einfach zu bedienen sind und man schöne Bilder bekommt. Einfach zu benutzen sind die Wärmebildkameras heute durchaus. Aber die Parametereinstellungen dürfen nicht vergessen werden. Schöne bunte Bilder bringen für die Auswertung gar nichts, wenn die Parameter nicht stimmen.“ Einen häufig in der Praxis gemachten Fehler kennt er: „Es kommt häufig vor, dass mit falschen Emissionsgraden gearbeitet wird. Der Emissionsgrad beschreibt die Oberfläche, und den muss der Bedienende in der Kamera richtig eingeben oder in der Auswertung berücksichtigen, damit die Messdaten stimmen.“ Einen Tipp hat er: „Den Emissionsgrad und andere Parameter richtig einzustellen lernt man in der Ausbildung, es gibt Handbücher, das steht auch in den Bedienungsanleitungen.“
Besonders Metalle lassen sich schwierig messen, weiß Dr. Ulrich Kienitz, Geschäftsführer des IR-Messtechnik-Herstellers
Optris: „Die meisten Fehler werden gemacht, wenn der Anwender nicht beachtet, dass insbesondere Metalle eine geringere Strahlungskraft haben können. Wenn man eine Kunststoff-, Textil- oder Hautoberfläche hat, Blätter oder Keramik, klappt die Messung wunderbar. Man kann mit hohen Emissionsgraden arbeiten und bekommt auch eine zuverlässige Temperaturanzeige. Wenn es sich aber um niedrig emittierende Metalloberflächen handelt, muss erst der Emissionsgrad korrigiert werden, oder der Anwender muss auf Messgeräte zurückgreifen, die mit der richtigen Wellenlänge arbeiten – physikalisch tricksen – um trotzdem ausreichend genaue Messergebnisse zu erhalten.“

Die Tücken der Instandhaltung
Der Messtechnik-Hersteller Testo hat Kameras zusammen mit Anwendern aus der Instandhaltung entwickelt – dabei sind unter anderem mit der 870 und der 885 Geräte entstanden, die auf die für Instandhalter wesentlichen Bedienelemente abgespeckt wurden und trotz moderner Technik daher einfach zu bedienen und zusätzlich robust sind. Zu Schulungen für das Erlernen der Bedienung und Auswertung rät der Hersteller dennoch, so wie alle anderen auch.
    Mithilfe der Thermografie lassen sich Wartungsintervalle verkürzen und Austauschzeiten verlängern: Der Anwender kann messen, ob ein Bauteil zuverlässig funktioniert. Mathias Häffner vom Vertrieb Deutschland bei Testo ist da zuversichtlich: „Setzt ein Anwender Thermografie im Allgemeinen ein, kann er die Lebensdauer der Betriebsmittel optimal festlegen. So kann er schauen, ob die Komponenten nicht doch noch ein halbes Jahr länger halten und kann mit dem Austausch noch etwas warten.“
Für Anlagen, bei denen eine kontinuierliche Überwachung sinnvoll ist, sind statt transportabler Kameras feste Installationen sinnvoll, die ständig einen Blick auf den kritischen Teil haben. Optris stellt solche stationären Geräte her. Die Kameras der PI-Serie lassen sich durch ihre geringen Abmessungen – die kleinsten Geräte messen 45x45x62 mm – an zahlreichen Stellen anbringen. Durch die USB-2.0-Schnittstelle lassen sie sich einfach in Überwachungsprozesse eingliedern. In Kombination mit Tablets sind sie, auch aufgrund ihres geringen Gewichts von wenigen hundert Gramm, auch portabel nutzbar. Hotspots und Coldspots finden die Kameras automatisch. Temperaturverteilung und Temperaturverlauf kann der Betreiber so kontinuierlich überwachen. Gerade für die Überwachung von Öfen eignen sich solche Kameras, die ihre Bilder mit hoher Geschwindigkeit und über lange Zeiträume übertragen.

Instandhaltung von Öfen und Kesseln
Thermoelemente messen die Temperatur in einem Ofen zwar in der Regel exakt, aber eben nur punktgenau. Eine Wärmebildkamera gewährt dem Anwender hier einen Gesamtüberblick, und das auch an für die Mitarbeiter schwer erreichbaren und gefährlichen Stellen. Verkokungen, Oxidation, Schmutz – all das kann den Prozess negativ beeinflussen und die Prozesstemperatur senken. Versehentlich befeuerte Ofenrohre können den Temperaturen der Flammen auf Dauer nicht standhalten. Außerdem kann es sein, dass feste Temperaturmesser nach einiger Betriebszeit nicht mehr ganz zuverlässig sind und daher überprüft werden müssen. Dadurch kann im besten Fall sogar die Produktion gesteigert werden, da der Betreiber die Anlage nicht zu vorsichtig laufen lassen muss. Der Spektralbereich von speziellen IR-Kameras wird durch einen Flammenfilter so eingeschränkt, dass die Kamera einen Blick „durch die Flammen hindurch“ gewährt. Mit verschiedenen Kameras kann der Betreiber dann unterschiedliche Bestandteile der Öfen beobachten. Für solche Aufgaben eignen sich festinstallierte Kameras wesentlich besser als handgehaltene, da sie kontinuierlich den Prozess überwachen können und sich kein Mitarbeiter in Gefahrenzonen begeben muss.
 
Transparenz für Schaltschränke
Normales Glas hält den Großteil der Infrarotstrahlung auf – lediglich nahes Infrarot lässt es durch. Thermografie-Kameras arbeiten jedoch in der Regel im langwelligen IR-Bereich, weshalb sie nur eine vom Glas emittierte Strahlung detektieren können, jedoch nicht das, was hinter dem Glas liegt. Bei der Instandhaltung von Schaltschränken lebt der Thermograf unter Umständen gefährlich: Ist der Schrank offen, ist das davor stehende Personal nicht mehr gegen eventuell auftretende Lichtbögen oder Kurzschlüsse geschützt. Für genaue Untersuchungen der Schaltkreise ist jedoch eine gute Sicht auf das Innenleben unabdinglich. Ohne den Schrank öffnen zu müssen, kann ein Anwender aufgrund eines von Flir entwickelten Infrarotfensters auch Schaltkreise gefahrenfrei überprüfen. Das Fenster besteht aus einem Breitband-Kristall auf Basis von Kalziumfluorid. Es ist sowohl für sichtbares Licht, als auch für kurz-, mittel- und langwellige IR-Strahlung durchlässig.

Schwarze Fahnen in der Gasdetektion
Auch zur Überprüfung von Gaslecks können bestimmte Wärmebildkameras im Zuge der Instandhaltung eingesetzt werden. Beispielsweise ist in Raffinerien die Zahl der Rohre und Anlagen, in denen Gas eingesetzt wird, fast unübersichtlich hoch. Damit kein Gas in die Umwelt freigesetzt wird, muss die gesamte Anlage durchgängig überprüft werden. Durch einzelne Messungen mit einem Toxic Vapor Analyzer (TVA) oder „Schnüffel“-Tests verliert der Betreiber viel Zeit. Ein Inspekteur kann mit diesen Einzelmessungen höchstens 500 Einzelobjekte am Tag überprüfen. Dabei entfällt viel Zeit auf leckfreie Bereiche. Mit einer Wärmebildkamera zur Voruntersuchung hat er dagegen eine Übersicht und kann so schneller arbeiten und damit mehr als hundert Objekte pro Stunde inspizieren.
Zu solchen Zwecken gibt es bestimmte Wärmebildkameras mit gekühlten Detektoren und Wellenlängen-Filtern. Meist kommen Indiumantimonid-Detektoren (InSb) oder Quantentopf-Infrarot-Photodetektoren (QWIP) zum Einsatz. Jede Kamera kann dabei mehrere Gasarten detektieren. Dabei muss der Anwender jedoch darauf achten, die richtige Kamera zu nutzen, da jedes Gerät andere Gasarten erkennt. Die Gaslecks werden auf dem IR-Bild der passenden Kamera als schwarze Rauchfahnen dargestellt. Aufgrund des geringen Gewichts können Anwender die Kameras heute überall hin mitnehmen und sowohl aus sicherer Entfernung als auch an schwer zugänglichen Stellen messen. So eignen sie sich auch für den Einsatz in Hochdrucksystemen.
    Die GF-Serie von Flir, die speziell für den Gasdetektionsbereich entwickelt wurde, arbeitet nach dem Prinzip der Infrarot-­Absorption. Neben der Fotofunktion besitzen die Kameras auch eine Videofunktion sowohl für Tageslicht- als auch Wärmebildaufnahmen. Sich bewegende Rauchfahnen kann der Anwender so noch deutlicher erkennen. 

Automatisierung und Prozesse
In der Automatisierungsbranche werden IR-Messgeräte zum kontinuierlichen Überprüfen von Prozessen eingesetzt. Neben Infrarot-Thermometern kommen hier auch die Kameras von Optris und Geräte von Flir zum Einsatz. Die Firma Raytek, deren Hauptaufgabengebiet nicht Kameras, sondern Pyrometer sind, hat sich ebenfalls dieses Bereiches angenommen. Obwohl bisher in diesem Feld die Pyrometer aufgrund ihrer Preisvorzüge den Markt bestimmen, blickt Martin Budweg, Product Marketing Manager bei Raytek, in die Zukunft: „Die Industrie und der Markt sagen, dass bildgebende Systeme auch in der Automatisierung immer mehr an Bedeutung gewinnen werden. Das ist alleine schon eine Preisfrage. Sofern es technisch möglich ist, wird es dort auch zu Echtzeitkameras, also zu Echtzeit-IR-Bildern gehen.“ Den Vorteil sieht er vor allem in einer Sache: „Wir Menschen sind bildgegeben. Ein Bild sagt uns immer mehr als ein Punkt. Allerdings gibt es noch einen entscheidenden Nachteil: den Preis: „Es gibt heute Pyrometer, selbst gute Instrumente, die unter 100 oder 200 Euro kosten, während eine Kamera momentan mit 2.000 bis 5.000 Euro wesentlich teurer ist. In absehbarer Zeit wird sich das nicht angleichen. Es ist also stark davon abhängig, was der Kunde braucht und will. Braucht er mehr Informationen, ist eine Kamera von Vorteil. In Prozessen bei denen man mehr als zwei Pyrometer braucht, ergibt es Sinn, irgendwann eher eine Kamera zu nehmen. Generell denke ich, geht der Trend auf jeden Fall in diese Richtung.“
 
Was die Anwender sagen
Die Firma Tectrion, die unter anderem Instandhaltungsaufgaben für die Chemieparks in Dormagen, Leverkusen, Uerdingen und Monheim übernimmt, nutzt Wärmebildkameras seit dem Jahr 2000. Aktuell nutzt das Unternehmen seine Kamera hauptsächlich für die Elektrothermografie, aber auch zum Überprüfen von Leckagen an Rohrleitungen, Aufspüren von Wärme- oder Kältequellen, zum Erstellen von Wärmeprofilen bei Drehrohrofen und anderen Gebieten. Elektrothermografische Überprüfungen nimmt das Unternehmen dabei im jährlichen Turnus bei seinen Kunden vor. Laut René Zimmermann aus der Abteilung Mess- und Prüftechnik hat die Thermografie dort einen sehr hohen Stellenwert, da er und seine Kollegen mit der Kamera regelmäßig im Einsatz sind: „Vor Jahren hieß es mal, dass die Thermografie irgendwann nicht mehr so gefragt wäre, aber da kann ich nur widersprechen. Viele Kunden schätzen unsere Arbeit und beauftragen uns daher regelmäßig – beispielsweise für den jährlichen Check ihrer PLT-Schaltanlagen.“ Die Kameratechnik hat sich in seinen Augen in den letzten Jahren stark weiterentwickelt. „Die erste Kamera, die wir im Einsatz hatten, war mit 4,7 kg noch sehr schwer, unhandlich in der Praxis und hatte eine kurze Akkulaufzeit. Mit der jetzigen Kamera mit einer Auflösung von 320×240 Pixeln hat sich die Handhabung deutlich verbessert, da sie erstens mit 880 g viel leichter ist, ein schwenkbares Display hat und neben einer thermischen Auflösung von 50 mK auch eine integrierte Digitalkamera besitzt. Zusätzliche Informationen zu den Thermografie-Aufnahmen, wie Standort oder Anlagenbezeichnung, können direkt in die Kamera eingegeben werden.“ Die Kamera hat sich aufgrund ihrer regelmäßigen Nutzung schnell bezahlt gemacht.
Auch Infraserv Höchst, die Betreibergesellschaft des Industrieparks Höchst in Frankfurt, setzt die Thermografie regelmäßig ein – vor allem, um wärmebelastete Anlagenteile, wie Rauchgaskanäle, Aggregate, Turbinen und Kompensatoren, zu überprüfen. Aber auch bei der Instandhaltung elektrischer Anlagen und Komponenten – beispielsweise Endverschlüsse, Schaltanlagen und Maschinentransformatoren – sowie zum Überprüfen von Gebäudeisolierungen kommen Wärmebildkameras zum Einsatz. Die Anwender nutzen dabei eigenes Equipment, weil so mögliche Probleme oder Schadstellen schnell und wirksam eingegrenzt werden können.
Die BASF nutzt laut Jürgen Jester Thermografiegeräte in vielen unterschiedlichen Bereichen: „Anwendungsgebiete sind eigentlich überall vorstellbar, sofern eine Temperaturdifferenz vorhanden ist. Die Gebiete sind bei uns nur schwer zu trennen und beeinflussen sich gegenseitig. Daher ist es sinnvoll, dass für wiederkehrende Prüfungen Kollegen ausgebildet und geschult werden und somit auch eigenes Equipment vorhanden sein muss.“ Insgesamt besitzt der Konzern mehrere Geräte mit austauschbaren Linsen, und auch eine spezielle, im kurzwelligen IR-Bereich arbeitende für die Ofenthermografie.

Was die Zukunft bringt
Entwicklungssprünge sind aktuell bei der Technik von Wärmebildkameras nicht zu sehen – und diese wird es wohl auch zukünftig nicht mehr geben, da sind sich die Hersteller einig. Jedoch bedeutet das noch lange nicht, dass die Entwicklung der Thermografie damit abgeschlossen ist. Im Gegenteil: Die Bandbreite der Anwendungen nimmt zu. Mathias Häffner ist sich sicher, dass sich die Thermografie als Messinstrument und als Teilwerkzeug für die Instandhaltung immer mehr durchsetzen wird: „Das ist auch der Tatsache geschuldet, dass mittlerweile die Preise deutlich günstiger sind. Die Herausforderung besteht darin, die Thermografie noch besser und effizienter in bestehende Prozesse der Instandhaltung und in Systeme zu integrieren.“
Was sich weiterentwickelt, ist die Genauigkeit, mit der die neuen Generationen der Kameras heute arbeiten. Neben technischen Kniffs wie der MSX-Technik schaffen es die Hersteller, die Auflösungen weiter zu erhöhen. Mit der Variocam HD Inspect-Reihe von Infratec stehen aktuell die ersten Kameras mit drei Megapixeln IR-Auflösung in den Startlöchern.
Um die Integration in bestehende und sich ergänzende Prozesse zu erleichtern, arbeiten die Hersteller gezielt daran, die Kameras nicht nur mit PC, Smartphone und Tablet, sondern auch mit anderen Messinstrumenten wie Stromzangen und weiteren Sensoren zu verbinden – bevorzugt drahtlos über Wi-Fi oder Bluetooth. Thomas Jung von Flir sieht große Vorteile in dieser Entwicklung: „Der Anwender hat so alle Messdaten gesammelt in der Kamera gespeichert und muss nicht mit verschiedenen Auswertedateien arbeiten, die er erst zusammenfügen muss. Das macht die Auswertung wesentlich einfacher für den Anwender.“
Die Hersteller sind sich sicher, dass der Trend zu einem besseren Preis-Leistungs-Verhältnis der Kameras geht – bessere Auflösung für wenig Geld; denn viele Systeme sind noch sehr teuer. Vor allem in der Vergangenheit hat das potenzielle Anwender abgeschreckt. Dienstleister waren da ein möglicher Ausweg. Für die Zukunft sieht Dr. Kienitz von Optris die Dienstleister eher in den komplizierteren Bereichen, in denen man mehr Erfahrung und Wissen braucht: „Dienstleister kommen sicherlich beispielsweise in explosionsgefährdeten Bereichen oder auch in Mittel- und Hochspannungsanlagen zum Einsatz. Dort muss der Anwendende genau wissen, wo er was machen kann, ohne sich und andere zu gefährden. Für die Standardmessung beziehungsweise die Integration eines IR-Thermometers  oder einer Kamera  in bestehende Prüfaufgaben braucht ein Betreiber heute aber nicht mehr unbedingt einen Dienstleister.“
Mathias Häffner von Testo empfiehlt jedem Anwender ein Training, um sicherzustellen, dass die Herausforderungen der Messung und Interpretation auch richtig durchgeführt werden: „Wenn ein Betreiber sagt, dass ihm aufgrund der Anlagengröße und -menge eine bis zwei Messungen pro Jahr reichen, dann kann die Messung natürlich ein externer Beauftragter übernehmen. Das ist dann vielleicht sogar die bessere Lösung. Besitzt der Betreiber aber viele Anlagen und muss aus diesem Grund flexibel sein, um bei Bedarf eine Prüfung durchführen zu können, dann sollte er eventuell in eigenes Equipment investieren – aber immer in Kombination mit einer vorhergehenden Ausbildung.“
Eine Frage, die sich jeder Anlagenbetreiber stellen sollte, ist, was sich langfristig lohnt: amortisiert sich das Gerät schnell oder spare ich, indem ich extern nach Dienstleistern suche? Ein Auseinandersetzen mit den aktuell erhältlichen Geräten lohnt sich dennoch. Und sei es nur, um sicherzugehen, dass der extern beauftragte Profi denn tatsächlich ein solcher ist.

Heftausgabe: Mai 2014

Über den Autor

Sonja Utsch, Redaktion
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