Marktübersicht IR-Profikameras

Wer schärfer sieht, erkennt mehr. Das gilt auch für Wärmebilder. Bei der Inspektion von Gebäuden und haustechnischen Anlagen spielt die Kameraauflösung eine entscheidende Rolle. Ist sie zu gering, besteht die Gefahr, dass man potentielle Schäden und Detailprobleme übersieht. Mit einer hochauflösenden Thermografiekamera lassen sich diese Fehlerquellen ausschließen. Außerdem ist man schneller: Während bei großen Objekten mit Low-Cost-Kameras geringer Auflösung mehrere Aufnahmen notwendig sind, um Details überhaupt erkennen zu können, reicht mit einer Profi-Kamera meist eine einzige Aufnahme. Das beschleunigt die thermografische Erfassung vor Ort, aber auch die Auswertung der Wärmebilder im Büro.

Wie funktionieren IR-Kameras?

Das Messprinzip basiert darauf, dass jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes (-273,15° C oder 0 K) eine Wärmestrahlung aussendet. Je wärmer ein Gegenstand ist, desto mehr Infrarotstrahlung geht von ihm aus. Die Thermografie-Kamera, auch Wärmebild- oder Infrarot- (IR-)Kamera genannt, setzt die Infrarotstrahlung in Bilder um. Bereiche mit höheren Temperaturen sind als gelbe, rote oder weiße Flächen dargestellt. Kältere Bereiche sind grün, blau oder schwarz.

Wofür eignen sich IR-Kameras?

Grundsätzlich eignet sich die Thermografie für alle Einsatzbereiche, bei denen thermische Vorgänge eine Rolle spielen. Zu den wichtigsten Einsatzbereichen der Wärmebildtechnik im Bau- und SHK-Bereich zählen die energetische und bauphysikalische Gebäudeanalyse, die Gebäude-Energieberatung sowie die Wartung und Instandhaltung von Anlagen. Mit bloßem Auge nicht erkennbare Wärmebrücken an Hausfassaden, an Fenstern, Fensterbänken oder Rolladenkästen, in Heizkörpernischen, an Haustüren, im Sockel- oder Dachbereich werden erst auf dem Display einer Infrarot-Kamera sicht- und messbar. Thermografie-Kameras lassen sich ferner in der Bau- und Anlagenüberwachung, zur Qualitätssicherung von Bau-, Installations- oder Wartungsarbeiten, zur Strukturanalyse von Gebäuden oder zur Lokalisierung von Feuchtigkeit in Wänden, Decken oder Dächern einsetzen. Im Zusammenhang mit der so genannten Differenzdruckmessung (Blower-Door) können Fugen und Luftundichtigkeiten an Bauteilübergängen, an Fenstern oder Haustüren sichtbar gemacht werden. Auch außerhalb der Bauthermografie-Saison, die etwa von November bis März dauert, sind IR-Kameras vielseitig einsetzbar. So bietet der SHK-Bereich gleich ein ganzes Spektrum an Einsatzmöglichkeiten – etwa die Leckagesuche: Muss etwa ein Leitungsleck lokalisiert werden, um notwendige Reparaturarbeiten möglichst präzise eingrenzen zu können, kann die IR-Kamera wichtige Anhaltspunkte liefern. Auch unzureichend durchströmte Heizkörper, schlecht gedämmte Heizleitungen, Warmwasserspeicher oder defekte Heizungs- oder Klimaanlagen sind mit einem Blick erkennbar. Thermisch belastete Bauteile in haustechnischen oder elektrischen Anlagen werden ebenso entdeckt, wie einzelne defekte Solarzellen von Photovoltaik-Anlagen. Diese können zu Leistungseinbußen führen, im Extremfall sogar Brände auslösen. Gegenüber anderen Prüf- und Messverfahren hat die Thermografie den Vorteil, dass technische Anlagen bei Inspektionen nicht abgeschaltet werden müssen und der Betrieb ungestört weiterlaufen kann.

Ein guter Detektor macht die halbe IR-Kamera aus

Gute Thermografie-Kameras haben ihren Preis, denn Qualität gibt es gerade in der Thermografie nicht zum Nulltarif. Viele der Kamerakomponenten und ‑materialien sind teuer, wie etwa die aus dem Halbleiter Germanium bestehende, hochwertige Optik. Auch Herstellungs-, Bearbeitungs- und Kalibrierungsverfahren sind geräte-, personal- und kostenintensiv. Neben den Kamerakomponenten (Detektortyp, Optik, Optomechanik, Elektronik etc.) und den technischen Parametern (Detektorauflösung, geometrische Auflösung, thermische Empfindlichkeit etc.) hat auch das „Drumherum“ – die Kalibrierung, Wartung, Schulung und der Service – Einfluss auf die Wertigkeit einer Infrarot-Kamera. Die Detektoren ungekühlter Thermografiekameras – dem aktuellen Standard bei handgeführten Systemen – bestehen aus so genannten Mikrobolometer-Focal Plane Arrays – einer Matrix aus winzigen Strahlungsdetektor-Zellen. Je dichter das Matrixraster ist und je mehr Detektorzellen vorhanden sind, desto besser ist die Wärmebild-Qualität. Die Detektorauflösung, also die Anzahl der auf dem Sensor in X- und Y-Richtung verteilten Detektorzellen, ist deshalb ein wichtiges Qualitätskriterium. Ähnlich wie vor einigen Jahren im Digitalkamera-Bereich beginnt auch bei den IR-Kameras allmählich das „Pixelrennen“, wenn auch – physikalisch bedingt – auf einem niedrigeren Niveau. Als Stand der Technik gelten heute Kameras mit 320 x 240 IR-Bildpunkten – auch deshalb, weil sie im Sachverständigen-Bereich und bei thermografischen Gutachten auch vor Gericht Bestand haben. Doch die Technik schreitet voran und immer mehr Anbieter offerieren Kameras mit VGA-Auflösung (640 x 480). Die nächste Detektor-Generation mit 1024 x 768 IR-Bildpunkten wurde kürzlich von InfraTec mit der „VarioCAM HD 900“ vorgestellt. Das ist gegenüber der Einsteiger‑, Standard-, respektive Profiklasse 20, 10 bzw. 2,5 mal mehr. Auch die von einigen Herstellern offerierte Resolution Enhancement-Technologie zur Steigerung der IR-Auflösung trägt dazu bei, dass Wärmebilder immer mehr der Bildqualität von Fotos nahekommen.

Auch andere Kamerakompo­nenten sind wichtig…

Neben dem Detektor sind auch andere Kamerakomponenten für die Bildqualität verantwortlich, allen voran die Infrarotoptik. Zu den Qualitätskriterien von Objektiven gehören die Lichtstärke, die darüber entscheidet, wie viel Wärmestrahlung vom Objekt auf dem Detektor ankommt, das Auflösungsvermögen, die Abbildungstreue sowie die Qualität der Beschichtung. IR-Profikameras für den Baubereich sollten möglichst mit einem für die Fassaden- und Raumthermografie geeigneten Weitwinkelobjektiv (z.B. 8-15 mm) mit großem Sehfeld ausgeliefert werden, das optional durch Standard- (z.B. 30-50 mm) und Teleobjektive (z.B. 60-130 mm) erweiterbar sein sollte. Eine automatische Objektiverkennung macht den Objektivwechsel komfortabler, doch nicht alle Kameras haben sie. Kameras mit IR-Zoomobjektiv gibt es auch schon (z.B. von Avio/NEC), wobei aus technischen Gründen nur feste Zoomschritte möglich sind (z.B. 10, 20, 30 und 40 mm). Wie schnell und präzise der ergänzend zum manuellen Fokus zuschaltbare Autofokus bei IR-Kameras anspricht, hängt von der eingebauten Optomechanik und Steuerelektronik ab. Elektronik und Software entscheiden auch darüber, wie schnell nach dem Einschalten die Kamera hochgefahren und einsatzbereit ist. Wichtig ist auch, dass die Kamera ausgewogen, bequem und mithilfe einer individuell einstellbaren Handschlaufe sicher in der Hand liegt. Aufgrund der schweren Optik neigen einige Kameras zur Kopflastigkeit, was sich bei längerer Benutzung im Handgelenk negativ bemerkbar macht. Auch bei der Qualität des Kameragehäuses gibt es Unterschiede. Während Allround-Kameras aus dem mittleren Preisbereich meist über ein kratz- und schlagfestes ABS-Kunststoffgehäuse verfügen, bestehen Profikamera-Gehäuse in der Regel aus Leichtmetall (Aluminium oder Magnesium). Sind die Gehäuse zusätzlich teilgummiert, steigert das die Griffigkeit der Kamera. Für den rauhen Outdoor-Einsatz sind heute alle Kameras gemäß Schutzart IP54 geschützt, vereinzelt auch gegen Stürze aus geringer Höhe gewappnet. Der Staub- und Spritzwasserschutz bleibt jedoch nur mit geschlossenen Geräteklappen, respektive hochwertigen, aufgeschraubten Steckeranschlüssen erhalten. Über letztere verfügen nur wenige Modelle. Das möglichst große und helle Farb-TFT-Display mit möglichst hoher Bildauflösung sollte sich ausklappen und um zwei Achsen nahezu in beliebige Richtungen drehen lassen. Dadurch sind Aufnahmen auch in beengten Situationen, etwa in möblierten Räumen, aus praktisch jeder Position heraus möglich: über Kopf, über Eck oder aus der Froschperspektive. Bei starker Sonneneinstrahlung – etwa bei der Untersuchung von Klima- oder PV-Anlagen – sollte zusätzlich ein Sucher, möglichst mit Neigungs- und Dioptrien­einstellung vorhanden sein. Bedient werden die Kamerafunktionen in der Regel über einen Mini-Joystick und mehrere, teilweise programmierbare Tasten. Eine zusätzliche Touchscreen-Bedienung ist hilfreich – mit Handschuhen bei winterlicher Kälte nutzt sie aber wenig. Wichtig ist, dass häufig benötigte manuelle Einstellungsfunktionen wie Messbereich, Emissionsgrad, reflektierte Temperatur, Temperaturskala und ‑spreizung etc. ohne umständliche Suche direkt aufrufbar sind. Ein Schwachpunkt bei nahezu allen Modellen ist die integrierte Digitalkamera. Mit in der Regel 1,3 bis 3 Megapixel Bildauflösung sowie einer mehr oder weniger hellen LED-Videoleuchte, macht sie eher verschwommene als kontrastreiche visuelle Bilder, auf denen Details nicht immer gut erkennbar sind. Deshalb nehmen Thermografie-Profis lieber eine gute Digitalkamera mit Zoomfunktion mit. Auch bei der Kamerakalibrierung gibt es Unterschiede, denn sie erfordert viel Zeit, einen hohen technischen und personellen Aufwand und ist entsprechend teuer. Achten sollte man auf eine Mehr-Kennlinien-Kalibrierung sowie ein aussagekräftiges Kalibrierungszertifikat. Nach dem Kauf sollte ein umfangreiches Servicepaket dafür sorgen, dass der Kunde umfassend und individuell betreut wird. Dazu gehören beispielsweise ein kostenfreier Support, inklusive 24-Stunden-Servicehotline, ein ebenso kostenfreier Software-Updateservice sowie ein vielfältiges Schulungsangebot, das sowohl Einstiegskurse, als auch anwendungsbezogene Schulungen oder Zertifizierungen umfasst.

Welche Hardware-Zusatzaus­stattung ist sinnvoll?

Über die Standardfunktionen hinaus packen viele Anbieter gleich mehrere, mehr oder weniger nützliche Funktionen in die Kamera hinein. Ein Laserpointer, der am Objekt den aktuellen Messpunkt anzeigt, gehört zum Standard. Es gibt aber auch schon Kameras, die den Laserstrahl zusätzlich für die Messung des aktuellen Objektabstands zur Ermittlung der kleinstmöglichen Messfleckgröße nutzen. Auch ein Headset für Sprachnotizen ist teilweise im Kamera-Lieferumfang enthalten. Einfacher als die manuelle Eingabe von Messwerten, wie z.B. der Luftfeuchte zur Lokalisierung schimmelgefährdeter Stellen, ist die Verwendung eines Funk-Feuchtefühlers. Er liefert der Kamera aktuelle Messdaten, so dass man sie nicht ständig neu messen und eingeben muss. Zum Einsatz kommen dabei Funkübertragungsstandards (z.B. Bluetooth). Auch WLAN ist in einigen IR-Kameras schon integriert – etwa um Wärmebilder auf Smartphones oder Tablet-PC kabellos zu übertragen oder die Kamera fernzusteuern. Eine weitere, insbesondere für die Instandhaltung interessante Funktion bietet eine Messorterkennung, respektive ein integriertes GPS-Modul. Das ermöglicht eine geografische Verortung der Wärmebilder. Das ist dann nützlich, wenn beispielsweise in einem Stadtgebiet eine Vielzahl von Messobjekten an unterschiedlichen Stellen in regelmäßigen Zeitabständen thermografisch erfasst werden müssen. Über diese Zusatzfunktionen und ‑ausstattungen hinaus halten die Anbieter ein ganzes Arsenal an optionalem Zubehör vor allem für High-End-Kameras vor: Wechseloptiken, Filter, Stative, Kamera-Schutzgehäuse, diverses Datentransfer-Zubehör und anderes mehr. Zum Kamera-Lieferumfang sollten ein Netzteil, eine Ladestation, ein Netz- und USB-Kabel, ein stabiler Transportkoffer sowie eine Auswertungs-Software gehören.

Bedienfunktionen

Auch softwareseitig werden über den Standard hinaus so manche Zusatzfunktionen offeriert. Bevor es an die eigentliche Auswertung mit der kostenlos mitgelieferten Auswertungssoftware im Büro geht, kann man bereits am Kamera-Display Messungen und Analysen durchführen. So erkennt man noch vor Ort potentielle Problembereiche und kann ihnen gegebenenfalls weiter auf den Grund gehen. Auch deshalb sind möglichst große und brillante Displays wichtig. Zu diesen Mess- und Analysefunktionen gehören die Hotspot-/Coldspot-Anzeige, frei positionierbare Messpunkt-Markierungen sowie eine in ihrer Größe beliebig änderbare und ebenfalls frei positionierbare Messbereichsmarkierung mit Minimal-, Maximal- und Durchschnittswertanzeige. Alarmmarken können für die schnelle Anzeige von Messwertüber- oder ‑unterschreitungen ebenso gesetzt wie Isothermen angezeigt werden, die alle Bildbereiche eines zuvor definierten Temperaturbereichs farblich hervorheben. Für bauphysikalische Untersuchungen, Sachverständigengutachten und Schadensanalysen unerlässlich ist die Anzeige der Oberflächenfeuchte. Aus den Werten für die Umgebungstemperatur und Luftfeuchte wird für jeden Messpunkt die relative Oberflächenfeuchte ermittelt. Ein daraus generiertes Feuchtebild zeigt schimmelgefährdete Bereiche farbig an. Standard bei den meisten Kameras ist die Bild-im-Bild-Funktion oder die Überlagerung von Thermografie- und Realbild. Damit lassen sich manchmal Sachverhalte anschaulicher darstellen und Problemstellen besser lokalisieren. Teilweise werden Wärmebild- und Visualbild-Daten nicht einfach überlagert, sondern in Echtzeit rechnerisch zusammengefügt (z.B. mit der MSX-Funktion von FLIR Systems), was für mehr Klarheit und Brillanz der Wärmebilder sorgen soll. Bei besonders großen Objektausdehnungen kann eine in der Kamera integrierte Panorama-Funktion sehr nützlich sein. Mit ihrer Hilfe lassen sich nacheinander in horizontaler und/oder vertikaler Richtung aufgenommene Einzelbilder schon bei der Aufnahme rechnerisch zu einem Gesamtbild verschmelzen.

Profikameras im Vergleich

Berücksichtigt wurden in dieser tabellarischen Marktübersicht (die komplette Tabelle finden Sie online - siehe Online Plus-Kasten)Kameras mit einer Detektorauflösung von 320 x 240 bis 1024 x 768 IR-Pixel. In diesem mittleren und oberen Preissegment ist die Kamera-Modellvielfalt inzwischen recht groß. Teilweise haben die Anbieter mehrere Modelle für Fortgeschrittene und Profis im Programm. Aus Platzgründen konnte jeder Anbieter maximal zwei Geräte seiner Wahl vorstellen – sofern vorhanden möglichst ein Standard- und ein High-End-Modell. Stichwort Anbieter: Beim Kameravergleich sollte man auch ihn berücksichtigen: Ist er „nur“ Anbieter oder zugleich der Hersteller? Kalibriert er die Kamera auch? Ist er auf die IR-Thermografie spezialisiert? Zählen auch Gebäude-Energieberater zu seinen Kunden? Bietet er auch Schulungen an? Wie umfassend ist sein Service? Entscheidend für die Kamera sind die Bild- und Messdaten: Neben der Detektorauflösung (s.o.) bestimmt die thermische Empfindlichkeit und die geometrische Auflösung die Qualität des Thermogramms. Letztere, auch IFOV-Wert genannt, ist abhängig vom aktuell eingesetzten Objektiv und definiert die kleinstmögliche Messfleckgröße. Das ist jene Fläche auf dem Messobjekt, die aus einem Meter Entfernung einer einzelnen Detektorzelle (s.o.) in einem Wärmebild zugeordnet werden kann. Multipliziert man den IFOV-Wert (mrad) mit der Objektentfernung (m) und einem Korrekturwert für die verwendete Optik, erhält man in Millimetern die Messfleckgröße. Sie entscheidet insbesondere bei feinen Objektstrukturen, respektive bei großen Entfernungen darüber, wie genau gemessen werden kann. Das Seh- oder Bildfeld gibt in vertikaler und horizontaler Richtung den Erfassungsbereich der jeweiligen Optik an. Die Bildfrequenz sollte etwa um die 50 Hz (und höher) liegen und ist für die zeitliche Betrachtung thermischer Vorgänge wichtig, spielt aber im Bau- und SHK-Bereich, ebenso wie eine vollradiometrische Videomessung, so gut wie keine Rolle. Wichtige Parameter bei der Messung sind neben dem Spektralbereich (Standard: 7,5-14 µm), der erfasste Temperaturbereich, der meist zwischen -20° und +600°C liegt, sowie vor allem die thermische Empfindlichkeit (NETD-Wert). Sie gibt die kleinste Temperaturdifferenz an, die vom Detektor erfasst werden kann und liegt bei Profigeräten zwischen 0,03 und 0,05 K bei
30 °C. Die Genauigkeit gibt die Messabweichung; sie liegt etwa bei ±2 % oder
±2 °C. Damit man auch ein umfangreicheres Objekt  ohne Akkuwechsel erfassen kann, sollten die Akkulaufzeiten zwischen drei und fünf Stunden liegen. Anbieterangaben sind jedoch mit Vorsicht zu genießen, denn sie basieren häufig auf einem praxisfremden Nutzungsprofil. Deshalb sollte eine Ladestandsanzeige vorhanden und ein geladener Ersatzakku immer in der Nähe sein. Die austauschbaren Lithium-Ionen-Akkus sollten möglichst kurze Ladezeiten aufweisen.

Fazit

Alle Jahre wieder purzeln die Preise – nicht nur im unteren, sondern auch im mittleren und oberen Kamerasegment. Lag der Einstiegspreis von Mittelklasse- und Profikameras vor einigen Jahren noch bei rund 15000 bzw. 40000 €, sind Kameras mit 384 x 288-Detektor heute schon ab 2500 (Trotec) und 640 x 480-Kameras schon ab 12000 € bzw. 14000 € (Testo, ebs ATuS) zu haben. Dass dabei einige Abstriche gemacht werden müssen, ist naheliegend. Bemerkbar macht sich das, je nach Kameramodell, am Kunststoff-, statt Leichtmetallgehäuse, am nicht vorhandenen Sucher, einfacheren Optiken, Kabelanschlüssen, Kalibrierungsverfahren, einer kleineren Wechselobjektiv- und Zubehörauswahl und so weiter. Thermografie-Experten werden diese Abstriche an ihrem wichtigsten Arbeitswerkzeug kaum hinnehmen und den Mehrpreis für mehr Qualität und eine bessere Ausstattung akzeptieren. Wer die IR-Kamera dagegen nur sporadisch einsetzt, wird sich umgekehrt über mehr Bildschärfe für weniger Geld freuen.