Basics Editor's Desk Measuring instruments and tools Pro Reviews Technology

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

From black, grey and selective emitters

Again, I want to keep the theory as short as possible, but I can’t spare the reader it entirely. 100 years after Herschel’s lunch eureka, Planck, Stefan, Boltzmann, Wien and Kirchhoff defined the electromagnetic spectrum more precisely, establishing qualitative and quantitative relationships to describe infrared energy. For the sake of safety, I will leave out this part of the formula in detail, but must first briefly discuss the so-called black body, which represents the ideal case, so to speak, and is in fact indispensable for understanding non-contact temperature measurement technology and its calibration.

Sectional view of a black body radiator:
1 – ceramic tube, 2 – heater, 3 – tube made of Al
2O34 – orifice plate

This black body is an ideal body which absorbs all radiation falling on it and on which neither reflection nor transmission occur. It radiates the maximum possible energy for all possible radiators at each wavelength, whereby the radiance is independent of the angle. But nothing in life is really ideal and so we deal next with the grey as well as the selective emitters and thus come quite a bit closer to our goal.

The bright life along with some coffee cream

Not every body corresponds to the radiantly beautiful ideal of the black radiator with a so-called emissivity (explanation coming soon!) of 1.0 – unfortunately. If only this emissivity changes, the source is also referred to as a grey emitter. If temperature and wavelength dependence are added as modifying factors, one has a selective emitter. And this is exactly where the crux begins, if you just unpack the beautiful new infrared measurement technology and start without thinking.

Many bodies emit much less radiation at the same temperature! The emissivity ε indicates the ratio of the real radiation value and that of the black body. This value is between zero and one and must be known for the material in question.

The reflected radiation from the environment and possibly infrared radiation allowed to pass through the body we want to either ignore later in our actual measurements (since it is likely to fall within the range of measurement tolerances in these test setups) or even use specifically. Too much theory? I simply used the morning cup of coffee to symbolize this boring subject matter a little bit:

 

Test setup: Different emissivities, transmission and reflections

 

For the test setup, the freshly brewed hot coffee from my machine is placed at approx. 80 °C in a glass that has already been preheated with hot water, together with a hot stainless steel spoon and some coffee cream, in order to keep the respective temperature differences as low as possible and to prevent the coffee from cooling down too quickly. I still wait a few minutes until the coffee, glass and spoon are about the same temperature. Then I take out the spoon, wipe one half lengthwise with the kitchen towel, and the above infrared image emerges.

Different surfaces are the death of every standup measurement

Every surface (different materials and structures) has a certain emissivity, which must first be known in order to be able to measure anything accurately at all. Better handhelds can be calibrated manually or you can use a suitable software of the manufacturer. Unfortunately, a value of 1.0 is almost always preset by default, which is never or only very rarely encountered in reality. Thus, at least all measurements in which the emissivity was set to 1.0 can be confidently chalked up to expensive entertainment that is of no use to anyone. Because:

Without prior input or indication of the respective emissivity of a measuring point, any measurement carried out is completely worthless!

A nice example of this is the following shot. The different colors actually visually recreate the temperature curve, but what happened to the heatpipe and VRM heatsink? Although they are extremely hot, they appear rather dark and thus cold in the picture! Only by applying our special varnish from the “poison cupboard” (orange measuring points) usable measuring results are obtained”. Of course, one could also store the emissivity of the copper composite material and the aluminium for each of the measuring points, but would then encounter the problem that these emissivities in particular change strongly with increasing temperatures.

Therefore, we use a very temperature-resistant, somewhat matt clearcoat, whose emissivity is known to us and remains almost constant over the entire temperature range. Such special and unfortunately also very expensive lacquers are used by the industry to protect electrical components and even entire circuit boards from environmental influences such as high humidity. One speaks therefore also colloquially of a tropicalization. Unfortunately, you won’t find such lacquers in normal shops, especially as they have to be tested (or had tested) for our purpose in elaborate series of measurements beforehand.

Without special varnish and Messtape nothing works (except crooked)

However, for heatpipes (GPU, CPU coolers) up to 100 °C, we can even use a cheap black insulating tape in an emergency, but its emissivity must first be determined. Matte black measuring tape is thinner and has a much higher emissivity above 0.97, but it doesn’t have to be that expensive for the small test here. Let’s just take a look at the picture of our next test setup, where we see a hot heat pipe and the cheap tape.

 

While the measurement of the approx. 80 °C hot heatpipe with the factory default of 1.0 fails grandiosely, both the measurement with the previously measured tape (0.656) and the measurement with the correctly entered emissivity (0.12) for the material at 80 °C are correct. Unfortunately, the latter changes over the occurring temperature spectrum by a factor of three and is thus completely useless with possible temperature fluctuations. Metallic surfaces whose temperature changes can therefore not be measured in a meaningful way!

The varnish is ready: We measure pins correctly

It is important, not only for high-resolution cameras, that no disturbing temperature differences due to different emissivities are recorded in the measuring range, as they have a negative influence on the output mean value. The next two illustrations show how extreme something like this can be. First, we measure a VRM pin (which is very hot in itself), which gives off heat directly to the copper traces and thus to the immediate vicinity of the PCB. Nevertheless, due to the much lower emissivity of the solder joint, without correction for our measurement with the (incorrectly) read approx. 50 °C, this area is first a kind of cold spot.

Now we simply paint a part of the pins and notice that suddenly the entire surface has the known emissivity that we can use and the camera can no longer optically detect the painted pins as such. A difference of 23 °C between the two measurements at the identical measuring point is an order of magnitude that can decide whether such a measurement is successful or not!

Thus, without the most mundane basic knowledge of measurement technology as well as the necessary basic requirements for the measurement setup and procedure, much too low measurement results are almost always the regrettable rule.

 

Kommentar

Lade neue Kommentare

RedF

Urgestein

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.

Antwort 1 Like

S
SpiritWolf448

Veteran

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)

Antwort 2 Likes

D
Deridex

Urgestein

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.

Antwort Gefällt mir

ipat66

Urgestein

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...:)

Antwort Gefällt mir

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

Antwort Gefällt mir

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.

Antwort 1 Like

Megaone

Urgestein

1,746 Kommentare 1,645 Likes

Wie war der Filmtitel nochmal?

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

Antwort 1 Like

Mr. Self Destruct

Mitglied

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.

Antwort Gefällt mir

D
Deridex

Urgestein

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.)

Antwort Gefällt mir

v
vonXanten

Urgestein

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.

Antwort 1 Like

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... 💪😜👍

Antwort 5 Likes

RedF

Urgestein

4,663 Kommentare 2,552 Likes

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

Der Käse König?

Antwort Gefällt mir

Igor Wallossek

1

10,193 Kommentare 18,807 Likes
v
vonXanten

Urgestein

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! 🥴

Antwort Gefällt mir

Alkbert

Urgestein

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.

Antwort 3 Likes

e
eastcoast_pete

Urgestein

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.

Antwort 1 Like

N
Name

Mitglied

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.

Antwort Gefällt mir

DrWandel

Mitglied

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).

Antwort Gefällt mir

B
Besterino

Urgestein

6,730 Kommentare 3,326 Likes

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

Antwort Gefällt mir

Danke für die Spende



Du fandest, der Beitrag war interessant und möchtest uns unterstützen? Klasse!

Hier erfährst Du, wie: Hier spenden.

Hier kannst Du per PayPal spenden.

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.

Follow Igor:
YouTube Facebook Instagram Twitter

Werbung

Werbung