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Infrared measurement: facts, fake or only colourful hocus-pocus? The bitter truth behind many “thermal images” and the simple reasons

And why no infrared thermometer?

First of all we have to remember that even many of the better infrared thermometers are absolutely useless for our measurements due to the resolution (diameter of the measuring range), because only an average value for the whole area is determined and so many details (hot or cold) are simply lost in the average value. After all, we don’t measure roughly, but want to discover hotspots and potential weak points in detail on our technology. So, as always, it’s a question of what you actually intend to measure!

The core problem here is also the emissivity. In cheaper devices, this is preset and cannot be changed. Unfortunately, fixed targets of 0.95 are usually standard. While many (aluminium-free) lacquers and most matt paints are still between 0.9 and 0.97 and thus fit into the scheme, metals and even wood, leather or concrete are already excluded. Water is just fine, glass may or may not, depending on the composition.

Opening angle and ratio of distance and diameter of the measuring point

Another thing that is important to note is the actual measurement point. Even with good thermometers, one rarely finds less than a 20:1 ratio between the distance to the object and the diameter of the detected area! So you almost always measure the environment, which also leads to falsifications, because in the end only the average is displayed! Good handheld thermometers, which have an emission value specification and a sophisticated laser positioning aid, cost about 150 Euro (incl. VAT) or more and you have to be really lucky to find anything useful under 100 Euro. The following two graphics show the approx. 2 cm measuring spot of an infrared thermometer:

Front side with voltage transformers and lots of unwanted cold spots in the measuring area
Back side of the same measuring area with lots of metal solder joints that cannot be measured exactly

We will come to the problems with the different emissivities of the various surfaces – and how we protect ourselves from errors in concrete cases – in a moment on the next pages.

Measuring instead of estimating: the high-resolution thermal imaging camera including software

Now we come to the equipment in the form of an Optris PI 640i, because in the end only a good resolution camera will be the tool of choice. But stop: It’s not quite that simple after all. After all, my tool is not a conventional video camera, but a much more complex structure, even if many basic principles are the same. That’s why I want to briefly explain how it works and how it’s structured, because you’ll quickly notice that the typical end-user action sequences á la turn it on, hold it down and be happy can‘t work at all.

My camera in the lab works on the basis of a bolometer in the range between 8 to 14 µm. These bolometers exploit the temperature dependence of electrical resistance, which changes when thermal radiation is absorbed, and thus also the signal voltage that drops across it. In order to be able to convert these values into a two-dimensional image, you need many resistors lying next to and below each other in the form of a matrix. These so-called FPAs (Focal Plane Arrays) are manufactured for the infrared cameras on the basis of thin-film bolometers. 

With a rate of 32 Hz, the PI 640i provides me with real-time thermal images in true VGA resolution (640 x 480 pixels), which are transferred via USB to a separate system, so that each preview can also be recorded as a (radiometric) image or video. With a thermal sensitivity of 40 mK, it is particularly suitable for detecting minimal temperature differences, which of course suits us very well.

In the end, you can measure all kinds of things without knowing the most important theoretical principles – just not what you really need and actually want to measure. Therefore, after the presentation of my technique on the following pages, I also want to describe what can go wrong and what you as a reader should always pay attention to when classifying infrared measurement results from different sources when it comes to trust and plausibility.

There are many reasons why I avoid the use of convenient “handhelds” and instead use a camera that can be fixed in a stationary position and that can be optimally adapted to the respective measurement setups (distance, area to be covered) with real and high-quality interchangeable lenses. However, this type of use also requires more work and time to set up and calibrate accurately. Only this also benefits the readers – and that’s what it’s all about in the end.

But before we go into our concrete measurement methods and setups, we would first like to briefly introduce our Optris PI 640i IR camera, which is probably less well known in this form (quite unjustifiably), although it is possible to make really reliable measurements if handled correctly. From a purely price point of view, it is actually a cheaper alternative compared to certain handhelds, with significantly more possibilities and ultimately also higher accuracy, even if it is mostly at home permanently installed in the industrial sector.

However, such devices not only involve extensive development and production processes, but also complex calibration and maintenance. Without regular calibration, even the best technology is of no use, because many things can change and age over the course of daily use. In addition, of course, everything should be on the technical cutting edge, so that always new devices must be developed.

Once again, a brief overview of the technical data before we go into more detail about our measurements:

Technical data of the IR camera Optris PI 640i
Detector: FPA, uncooled (17 μm x 17 μm)
Optical resolution: 640 x 480 Pixel
Spectral range: 7.5 to 13 µm
Temperature ranges:
-20 °C to 100 °C
0 °C to 250 °C
150 °C to 900 °C
Frame rate: 32 Hz / 125 Hz (640 x 120)
Optics (FOV): 33° x 25° FOV / f = 18.7 mm or
15° x 11° FOV / f = 41.5 mm or
60° x 45° FOV / f = 10.5 mm or
90° x 66° FOV / f = 7.3 mm
Thermal Sensitivity (NETD): 40 mK
System Accuracy: ± 2 °C or ± 2
Interfaces:
PC interface USB 2.0
Process interface (PIF):
0 to 10 Volt input, digital input, 0 to 10 Volt output
Housing
(size / protection class / weight):
4.6 x 5.6 x 9.0 cm
IP 67 (NEMA 4)
320 g incl. standard lens
Shock / Vibration: 25G, IEC 68-2-29 / 2G, IEC 68-2-6
Scope of delivery:

USB camera with 1 lens
USB cable (1 m)
Table stand
PIF cable with terminal strip (1 m)
Software package Optris PI Connect
Robust outdoor transport case (IP67)

The game is now on!

 

Kommentar

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RedF

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4,663 Kommentare 2,552 Likes

Das IR-Kamera Messungen nicht ohne sind war mir bekannt. Jetzt weiß ich auch warum : ).

Danke für den Artikel.

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S
SpiritWolf448

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120 Kommentare 33 Likes

Toller und informativer Artikel, und das am frühen Morgen. Das ist doch mal eine schöne Art, in die Woche zu starten. :love:

Danke dafür, Igor. (y)

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D
Deridex

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2,213 Kommentare 846 Likes

Das ist eigentlich recht weit vom "bunten Hokuspokus" entfernt.

Nur gilt bei der Thermografie noch mehr die Grundregel beim Messen:

Man muss immer beachten was genau man eigentlich misst und welchen Einfluss die Messung selbst hat.

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ipat66

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1,357 Kommentare 1,355 Likes

Gutes Video !!
Schöne Zusammenfassung Deines letzten Exkurses über dieses Thema.
Die halbe Stunde ging rum wie im Flug.

Ich muss auch immer grinsen,wenn Smartphonebesitzer über ihre verbauten Objektive sprechen....

Witziges Shirt...:)

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Igor Wallossek

1

10,193 Kommentare 18,807 Likes

Und genau deshalb ist das, was die kleinen Wunderkisten beim falschen Adressaten suggerieren, wirklich nur Hokuspokus. Für Unterwegs, wenn man mal Hotspots an einer PV-Anlage suchen muss, ist so ein CAT mit FLIR-Wärmesucher faktisch unersetzlich. Aber messen kann man damit wirklich nichts. :D

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g
goch

Veteran

475 Kommentare 181 Likes

Ganz toller Artikel! Es ist immer schön, auch mal einen tieferen Einblick hinter die Test-Kulissen zu bekommen.

Vor allem aber, in einem aktuellen Artikel (kein Retro!) einmal wieder etwas von "VGA Auflösung (640 x 480 Pixel)" als hochauflösend zu lesen, ist doch mal eine schöne Erinnerung an unterschiedliche Perspektiven zum Wochenstart.

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Megaone

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1,746 Kommentare 1,645 Likes

Wie war der Filmtitel nochmal?

Denn sie wissen nicht, was sie tun! ;-)

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Mr. Self Destruct

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20 Kommentare 6 Likes

Vielleicht sollte man hier auch nochmal klarstellen, dass man keine Rückschlüsse von der Messung eines Bauteils auf die Temperatur eines anderen Bauteils machen darf. Beispiel Wärmebild eines heißeren CPU-Kühlers bedeutet nicht zwangsläufig eine heißere CPU
Siehe dazu auch das Video vom Gamers Nexus When Thermal Cameras Shouldn't Be Used (PS5, Xbox, CPU Coolers, & Cases)
Da spielen viele ebenso viele Faktoren und Missverständnisse mit rein.

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D
Deridex

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2,213 Kommentare 846 Likes

Btw: Mir wurde mal erklärt, dass man mindestens eine Fläche von 3x3px braucht um in der Mitte davon einen verwendbaren Wert zu bekommen.

@Mr. Self Destruct
Man muss halt wissen was man misst (Die Temperatur an der Oberfläche stellenweise auch lackiert usw.) und was nicht (Junction Temperatur usw.)

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v
vonXanten

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803 Kommentare 335 Likes

Sehr schöner Artikel!

Leider interessieren sich viele nicht einmal für einfache Grundlagen und Vertrauen allem was so angezeigt wird blind (egal ob das Sinn macht oder nicht) steht ja da und Fehler macht ja keiner.
Wenn es dann noch ein wenig komplizierter wird, ohje.
Habe in der letzten Woche die Frage bekommen: "Wozu benötigt man eine Fehlerbetrachtung, bei der Aufnahme von Messwerten?" 😭
Vllt wäre da Igors Artikel genau das Richtige + im Nachgang dann eine Zusammenfassung in eigenen Worten. Da es auch ein Video gibt, aber das ist über 10min, solange reicht dann die Aufmerksamkeit bei 90% nicht.

@Megaone ist der Kassenschlager an den Lehranstalten 😑 wobei Doppel e passender wäre... Mit dem was Sie nicht wissen, können noch 3 durchfallen.

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Igor Wallossek

1

10,193 Kommentare 18,807 Likes

Unser Prof meinte immer zu solchen Spezis:
Mit Ihrem Wissen können Sie gern auch als diplomierte Ostseeboje anfangen. Sie sind so hohl, dass Sie mit Sicherheit nie untergehen werden... 💪😜👍

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RedF

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4,663 Kommentare 2,552 Likes

Bin da etwas uninformiert in meiner Blase.
Welches Video war der Auslöser?

Der Käse König?

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Igor Wallossek

1

10,193 Kommentare 18,807 Likes
v
vonXanten

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803 Kommentare 335 Likes

@Igor Wallossek der ist auch gut, aber Ostsee wäre zu weit weg.
Aber in der Elbe gibt es ja auch welche! 🥴

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Alkbert

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931 Kommentare 707 Likes

Gut, dass ich nix messen, sondern nur gucken muss und für den Entschluss dass ich neue Fenster brauche hat schon meine Flir one gereicht.

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e
eastcoast_pete

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1,473 Kommentare 830 Likes

Sehr guter Artikel, und auch das Video kann ich empfehlen! Wieder was gelernt. Danke, solche Hintergrund Artikel sind immer noch ein Grund, hier oft vorbeizuschauen.

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N
Name

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75 Kommentare 14 Likes

Vielen Dank für die gute Erklärung der Grundsätze. Einmal für mich persönlich super und auch echt hilfreich um andere Leute in aussichtslosen Diskussion auf deinen Artikel zu verweisen.

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DrWandel

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80 Kommentare 61 Likes

Vielen Dank für den Artikel und das Video. Besonders gut gefallen hat mir der historische Exkurs in Richtung Herschel. Wenn Physiklehrer in der Oberstufe so toll und anschaulich erklären könnten, hätten wir vermutlich weniger Probleme mit dem MINT-Nachwuchs (kein Thema bei mir selbst - hatte Phsyik-Leistungskurs und bin Ingenieur).

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B
Besterino

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6,730 Kommentare 3,326 Likes

Bei uns an der Schule ist die MINT-AG sehr gut besucht (überbucht)...

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Danke für die Spende



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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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