TGA Infomaterialien

TGA Ausgabe 07-2017
Brandschutz-Thermografie

Gefahren erkennen und Schäden vorbeugen


1 Thermografie-Systeme vereinfachen die Kontrolle und Instandhaltung mechanischer und elektrischer Anlagen.

1  Thermografie-Systeme vereinfachen die Kontrolle und Instandhaltung mechanischer und elektrischer Anlagen.

Per Thermografie können im vorbeugenden Brandschutz Gefahren erkannt, Schäden vorgebeugt und Betriebsausfälle vermeiden werden. Zugleich setzt sie Expertenwissen und eine gute Kameratechnik voraus. Welche Möglichkeiten bietet die Thermografie und welche Fehlerquellen lauern bei der Aufnahme und Auswertung?

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Neben konventionellen Prüf- und Messverfahren der technischen Diagnostik etabliert sich zunehmend auch die Infrarot-Thermografie als Mess- und Inspektionsmethode im vorbeugenden Brandschutz.

Von der Norm abweichende Zustände können bei der Thermografie-Kontrolle mit einem Blick erkannt und im Thermogramm dokumentiert werden.

Damit Thermogramme hinreichend genau ausgewertet werden können, müssen sie eine bestimmte Mindestqualität haben, was ein entsprechendes Equipment voraussetzt.

Der Thermograf benötigt neben dem thermografischen Spezialwissen Kenntnisse aus mehreren Bereichen (Optik, Wärmestrahlung, Wärmeleitung, Messtechnik, Materialkunde und Bauphysik), für zahlreiche Anwendungsbereiche sind spezielle Zertifizierungen erforderlich.

Versicherer-Statistiken zufolge nimmt die auf elektrische Defekte zurückzuführende Zahl von Brandschäden stetig zu. Auch mechanische Reibung, schadhafte Isolierungen, Risse oder andere Bauteildefekte können Brände auslösen.

Per Infrarot-Messtechnik lassen sich Anlagen inspizieren und thermisch belastete Bauteile lokalisieren. Mit periodischen Infrarot(IR)-Kamerainspektionen können Defekte frühzeitig erkannt und Folgeschäden vermieden werden, ohne den laufenden Betrieb unterbrechen zu müssen. Defekte an Antriebsaggregaten, Lagern, Walzen, Wärmeübertragern oder Isolierungen können ebenso entdeckt werden, wie überhitzte Transformatoren oder Kabel, Klemmstellen und Sicherungen in Schaltschränken.

Auch im Hinblick auf die Anlagen-Versicherung ist die Thermografie wichtig, da sie Bedingung für einen Vertragsabschluss sein kann. Last but not least werden durch die Dokumentation der Anlagen sowie die Verarbeitung der Messergebnisse in Thermografie-Berichten die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit von Anlagen gesteigert, Anlagenwerte gesichert und mehr Rechtssicherheit für Anlagenbetreiber geschaffen.

Anlagen und Geräte inspizieren

Anlagenbetreiber sind verpflichtet, (Bedien-)Personen und Anlagen vor potenziellen Schäden zu schützen und dazu alle technischen Maßnahmen und Mittel auszuschöpfen. Sichere Betriebsabläufe und Produktionsprozesse setzen regelmäßige Anlageninspektionen und Wartungsarbeiten voraus, damit Schäden frühzeitig erkannt, Folgeschäden und Betriebsunterbrechungen vermieden werden.

Neben konventionellen Prüf- und Messverfahren der technischen Diagnostik (Sichtprüfung, Strom-, Ultraschall-, Schwingungsmessung etc.) etabliert sich zunehmend auch die Infrarot-Thermografie als Mess- und Inspektionsmethode im vorbeugenden Brandschutz. Mithilfe mobiler, handgeführter oder stationärer Thermografiekameras lassen sich über regelmäßige Inspektionen oder ein kontinuierliches Monitoring überhitzte Stellen (Hot Spots) an gefährdeten Bauteilen schnell aufspüren.

Stationäre, auf der Wärmebildtechnik basierende Monitoring-Systeme geben per Abgleich mit hinterlegten Schwell- und Grenzwerten automatisch Alarm. In gebäudetechnischen Anlagen, Produktionsanlagen oder Werkstätten ist damit eine schnelle Zustandskontrolle von Rohrleitungen, Speichern, Wärmeübertragern, Ventilen, Maschinen, Lagern, Werkzeugen, Schaltschränken, Elektrokabeln, Schaltern und anderen Systembauteilen möglich.

Überhitzte Bauteile können nicht nur für das Umfeld zur Gefahrenquelle werden und Brände auslösen, sondern auch Leistungseinbußen nach sich ziehen. Thermografische Untersuchungen steigern damit die betriebliche Sicherheit, die Wirtschaftlichkeit und senken Betriebskosten – auch weil sich beispielsweise Reinigungs- und Wartungsintervalle optimieren lassen.

Werden alle Anlagenbereiche detailliert abgebildet, können von der Norm abweichende Zustände mit einem Blick erkannt und im Wärmebild (Thermogramm) dokumentiert werden. Gegenüber anderen Prüf- und Messverfahren hat die Thermografie zudem den Vorteil, dass berührungs- und gefahrlos aus der Distanz gemessen werden kann. Maschinen und Anlagen müssen nicht abgeschaltet werden, sodass der Anlagenbetrieb ungestört weiterläuft.

Mit speziellen IR-Kameras lassen sich auch Gas-Leckagen, etwa an Leitungen oder Behältern aus sicherer Entfernung aufspüren und sichtbar machen. Auch durch chemische Reaktionen oder biologische Zersetzungsprozesse bedingte Erwärmungen können erkannt und so Brandgefahren verhindert werden. Weil auch Wärme- oder Glutnester auf dem IR-Kameradisplay lokalisiert werden können, ist die Thermografie-Technik auch in der Brandbekämpfung einsetzbar.

Welches Equipment ist erforderlich?

Damit Thermogramme durch Fachleute hinreichend genau ausgewertet werden können, müssen sie eine bestimmte Mindestqualität haben. Je höher die Auflösung des Infrarot-Detektors und je höher die thermische und geometrische Auflösung (NETD und IFOV) sind, desto mehr Details lassen sich erkennen.

Der NETD-Wert gibt die kleinste Temperaturdifferenz an, die vom Detektor erfasst werden kann. Die geometrische Auflösung (IFOV) 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 in einem Wärmebild zugeordnet werden kann. Die Messfleckgröße entscheidet darüber, wie genau bei einer vorhandenen Objektgröße und Objektentfernung gemessen werden kann. Das ist insbesondere bei weiter entfernten Objekten (z. B. Starkstrom-Anlagen), respektive feinen Strukturen (z. B. elektronische Bauteile) entscheidend.

Für anspruchsvolle Messaufgaben (Anlagen, MSR-Technik-Schränke, Sicherungskästen, Kabeltrassen, Transformatoren, Photovoltaik-Anlagen etc.) sollte eine Wärmebildkamera über einen IR-Detektor mit einer Auflösung von mindestens 320 × 240 Pixel, über einen NETD-Wert von mindestens 0,08 K (bei 30 °C) und über eine geometrische Auflösung (IFOV) von mindestens 2 mrad bei Verwendung eines Normalobjektivs verfügen (kleinstes messbares Objekt:  3 mm).

Zu den Kamera-Einstellmöglichkeiten sollten mindestens der Emissionsgrad (materialspezifischer Wärmeabstrahl-Kennwert des Messobjekts) sowie die reflektierte Temperatur gehören. Die Kamera-Anzeige- und -Messfunktionen sollten eine Temperatur-Bereichsskala, ein Messpunkt (Spot), eine Isotherme, eine Messfläche sowie eine automatische Hotspot-Suchfunktion enthalten.

Je nach räumlicher Situation bzw. Objektentfernung sollte das Kameraobjektiv aufgabenbezogen durch ein Weitwinkel- oder Teleobjektiv austauschbar sein. Ein externes oder schwenkbares Display vereinfacht die Aufnahme in beengter Situation oder aus ungewöhnlicher Perspektive. Weitere Kamera-Anforderungen enthalten DIN 54 191 [1], VdS 2859 [7] und die VATh-Richtlinie für Elektrothermografie [12].

Werden Anlagen entsprechend den Forderungen der Brandschutzversicherungen untersucht, so schreibt der VdS eine jährliche Kalibrierung der Kameratechnik vor. Hier entstehen zusätzlich zum Kamera-Kaufpreis (ab 3000 Euro) laufende Kosten von etwa 500 bis 1500 Euro/a, abhängig von der Kameratechnik und der Anzahl der Objektive.

Was muss der Thermograf können?

Sowohl die Aufnahme als auch die Interpretation und Auswertung von Wärmebildern setzt Kenntnisse aus den Bereichen Optik, Wärmestrahlung, Wärmeleitung, Messtechnik, Materialkunde und Bauphysik voraus, die sich der Thermograf über Seminare oder im Selbststudium aneignen sollte. Zusätzliche Kenntnisse über verwendete Materialien, den technischen und konstruktiven Aufbau des jeweiligen Messobjekts, helfen bei der Deutung thermischer Auffälligkeiten.

Ferner sollte sich der Thermograf vorher mit der Funktionsweise und thermischen Charakteristik der zu untersuchenden Anlage sowie möglichen Störungen vertraut machen. Welche konkreten Anforderungen an den Thermograf gestellt werden, hängt davon ab, was mit welchem Ziel untersucht werden soll. So werden an Elektro-Handwerker oder Haustechniker, die gelegentlich Schaltschränke oder Anlagen überprüfen, geringere Anforderungen gestellt, als an qualifizierte Elektrothermografie-Dienstleister, die Brandrisiken beurteilen sollen.

Anlagen, von denen ein besonderes Brandrisiko ausgeht, sollten nur Personen untersuchen, die entsprechend den Forderungen des Gesamtverbands der Deutschen Versicherungswirtschaft als Sachverständiger für Elektrothermografie oder VdS anerkannter Sachverständiger für Elektrothermografie zertifiziert sind (siehe: www.vath.de/ausbildung/zertifizierung ).

Eine Anerkennung als Elektrothermograf liegt vor, wenn der Thermograf eine Stufe 2-Zertifizierung (IT 2 Elektro) nach DIN 54 162 bzw. DIN EN ISO 9712 [2] oder die Zertifizierung als Sachverständiger für Elektrothermografie nach der VdS-Richtlinie 2859 auf der Grundlage der Europäischen Feuerschutzrichtlinie CFPA nachweisen kann. Eine Zertifizierung ist im Rahmen eines fünftägigen Lehrgangs mit anschließender Prüfung für etwa 3000 Euro erhältlich und muss alle vier bis fünf Jahre im Rahmen einer Rezertifizierung aufgefrischt werden, um die Qualität der fachlichen Qualifikation zu erhalten.

Aufnehmen und auswerten

Zunächst sollte der Thermograf, gegebenenfalls zusammen mit dem Anlagenbetreiber den Ablauf der Messung festlegen. Bei der Festlegung eines geeigneten Messtermins sollten mehrere Faktoren berücksichtigt werden, z. B. die Jahreszeit (Temperaturentwicklung), Produktionszyklen oder planmäßige Anlagenstillstände. Letztere können gegebenenfalls zur Beseitigung der festgestellten Fehler genutzt werden.

Messungen an Elektroanlagen sollten stets nur in Begleitung durch eine Elektrofachkraft des Betriebs erfolgen. Nur er sollte eventuelle Abdeckungen entfernen und auch wieder anbringen. Bei der IR-Messung sind gegebenenfalls die in der DGUV [11] vorgegebenen Sicherheitsabstände zu berücksichtigen.

Die eigentliche Thermografie-Prüfung besteht aus einer IR-Inspektion und Sichtprüfung. Zu jeder Thermografie-Aufnahme sollte deshalb parallel auch ein Digitalkamera-Foto (Lichtbild) angefertigt werden. Sinnvoller als die in der Regel integrierte Digitalfoto-Funktion ist eine separate Digitalkamera ab 10 Megapixel Bildauflösung.

Schon während der Messung sollten Thermogramme vorab begutachtet werden, um einen ersten Eindruck vom Messobjekt zu erhalten, für Plausibilitätsprüfungen etc. Auffälligkeiten, welche die Betriebssicherheit gefährden, müssen den Verantwortlichen sofort mitgeteilt und in der schriftlichen Dokumentation (siehe unten) besonders hervorgehoben werden. In dem parallel geführten Messprotokoll sollten auch nicht thermische Auffälligkeiten erfasst werden, wie etwa starke Verunreinigungen, defekte Isolierungen, nicht zu öffnende Schränke, nicht entfernte Abdeckungen etc.

Die eigentliche Auswertung mithilfe der zum Lieferumfang gehörenden Auswertungssoftware erfolgt im Büro. Sie kann Thermogramme anzeigen, modifizieren, optimieren, organisieren, analysieren, einem Digitalfoto gegenüberstellen oder mit diesem überlagern und zu einem nachvollziehbaren Thermografie-Bericht zusammenstellen.

Bei der Bewertung und Interpretation der Thermogramme müssen stets die Betriebsbedingungen der untersuchten Anlagenteile berücksichtigt werden. Zu beachten ist auch, dass festgestellte Temperaturen bei bestimmten Betriebsmitteln und Bauarten unter Umständen gefährlich, bei anderen normal sind. Auffällige Temperaturdifferenzen müssen nicht prinzipiell ein Problem darstellen, umgekehrt können auch kleine Temperaturdifferenzen auf gravierende Mängel hinweisen. Daher ist bei der Interpretation thermografisches Fachwissen ebenso wichtig, wie die Erfahrung und das Detailwissen des Anlagenbetreibers.

Thermografie-Dokumentation

Thermografie-Berichte oder -Dokumentationen dienen als Grundlage und Entscheidungshilfe für eine optimale Planung, beispielsweise von Instandsetzungs- und Instandhaltungsmaßnahmen, und sollten deshalb sorgfältig ausgeführt werden. In einem Thermografie-Bericht werden alle Messergebnisse dargestellt und zusammengefasst. Er besteht aus dem Prüfbericht, dem Messprotokoll, Mängellisten und den IR-Reports. Diese enthalten die Bilddokumentation, inklusive einer Auswertung der belastungsabhängigen Temperaturwerte.

Thermografie-Berichte müssen verständlich, nachvollziehbar und vollständig sein. Das setzt voraus, dass die Dokumentation alle relevanten Angaben enthält, etwa gemäß VdS 2860 [8] und VATh-Richtlinie Elektrothermografie. Zu den Basisdaten von Thermografie-Berichten gehören der Auftraggeber und der Auftragnehmer, die untersuchten Objekte, die Zielsetzung, der Name des Thermografen und beteiligter Personen, der Prüftermin, das eingesetzte Wärmebildkamera-System mit den verwendeten Optiken sowie eventuell ergänzend eingesetzte Messgerätetechnik.

Der Auswertungsteil sollte die Wärmebilder und Digitalfotos enthalten, inklusive Aufnahmeort, Aufnahmedatum, Aufnahmeuhrzeit und Dateiname. Erkannte Fehlstellen oder Hot Spots sollten im Wärmebild mit einem Temperaturmesspunkt versehen sein, wobei zu beachten ist, dass jeder Hot Spot einen anderen Emissionsfaktor haben kann.

Zu den weiteren Pflichtinhalten gehören eine Objektbeschreibung (Gebäude, Raum, Anlage, Schaltschrank, Schaltfeld, Bauteil etc.) sowie möglichst der Belastungszustand zum Messzeitpunkt in Ampere und / oder in Prozent zur Maximalbelastung. Zu den weite-ren Angaben gehören vorhandene Temperaturen der Fehlerstelle und/oder Temperaturdifferenzen zwischen Fehlerstellen und baugleichen, thermisch unauffälligen Bauteilen mit identischer Belastung sowie eine Fehlerklassifikation.

Geregelt wird die Klassifizierung und Bewertung von thermischen und nichtthermischen Auffälligkeiten in DIN 54 191. Allerdings fehlen die dazugehörigen Temperaturkriterien. Daher sollten zuvor individuelle Beurteilungskriterien für thermische Auffälligkeiten mit dem Anlagenbetreiber definiert oder VdS-Kriterien bei der Auswertung berücksichtigt werden.

Ideale Ergänzung, aber kein Ersatz

Die Thermografie ist im vorbeugenden Brandschutz eine zeitsparende und wirtschaftliche Messmethode. Dennoch kann sie kein Ersatz zur wiederkehrenden Sichtkontrolle, Funktionsprüfung, Messung etc. von Anlagen und Bauteilen sein. Sie ist vielmehr eine sinnvolle Ergänzung. Wärmebilder stellen immer nur eine Momentaufnahme dar. Deshalb empfiehlt sich eine turnusmäßige thermografische Überprüfung, weil sich dadurch die statistische Sicherheit, Fehler zu detektieren, zusätzlich steigern lässt.

Zudem muss man stets berücksichtigen, dass die Thermografie im vorbeugenden Brandschutz technische und systembedingte Grenzen hat. So ist beispielsweise eine thermografische Inspektion von Anlagen mit zu geringer Strombelastung nicht sinnvoll, weil Fehler kaum erkennbar sind. Deshalb sollte eine Mindestbelastung von 30 % bezogen auf die Nennbelastung vorliegen.

Defekte innerhalb eines Betriebsmittels werden auch erst dann von außen thermografisch erkannt, wenn sich die im Inneren entstandene Erwärmung auf die Gehäuseoberfläche übertragen hat. Ebenso lassen sich gekapselte Anlagen und Anlagen mit Abdeckungen überhaupt nicht oder nur mit Aufwand inspizieren. Diese Beispiele machen deutlich, dass die Thermografie zwar ein wirkungsvolles Mittel ist, um die Anlagensicherheit zu erhöhen, allerdings müssen dabei stets sowohl die Möglichkeiten als auch physikalisch-technisch bedingte Einschränkungen berücksichtigt werden.Marian Behaneck

Literatur / Quellen / Anbieter

 [1] DIN 54 191 Zerstörungsfreie Prüfung – Thermografische Prüfung von elektrischen Anlagen. Berlin: Beuth Verlag, März 2009

 [2] DIN EN ISO 9712 Zerstörungsfreie Prüfung – Qualifizierung und Zertifizierung von Personal für die zerstörungsfreie Prüfung. Berlin: Beuth Verlag, Dezember 2012

 [3] DIN VDE 0105-100 Betrieb von elektrischen Anlagen – Teil 100: Allgemeine Festlegungen. Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2015

 [4] VdS 2228 Richtlinien zur Anerkennung von Sachverständigen zum Prüfen elektrischer Anlagen. Köln: Verlag VdS Schadenverhütung, Januar 2017

 [5] VdS 2851 Berührungslose Temperaturmessung (Thermografie) Hinweise für die Praxis. Köln: Verlag VdS Schadenverhütung, März 2011

 [6] VdS 2858 Thermografie in elektrischen Anlagen, ein Beitrag zur Schadenverhütung und Betriebssicherheit. Köln: Verlag VdS Schadenverhütung, März 2004

 [7] VdS 2859 VdS-Anerkennung von Sachverständigen für Elektrothermografie (Elektrothermografen); Verfahrensrichtlinien. Köln: Verlag VdS Schadenverhütung, März 2011

 [8] VdS 2860 Untersuchungsbericht zur Elektrothermografie. Köln: Verlag VdS Schadenverhütung, März 2011

 [9] VdS 2871 Prüfrichtlinien nach Klausel SK 3602, Hinweise für den anerkannten Elektrosachverständigen. Köln: Verlag VdS Schadenverhütung, Januar 2017

[10] SK 3602 (Feuerschutzklausel): Klauseln für die Feuerversicherung, SK 3602 Elektrische Anlagen. Berlin: Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e. V., 2010

[11] DGUV Vorschrift 3 (BGV A 3) Elektrische Anlagen und Betriebsmittel, Unfallverhütungsvorschrift. Berlin: Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung, 1997

[12] VATh-Richtlinie Elektrothermografie, Teil A: Hochspannung, Teil B: Niederspannung. Nürnberg: Bundesverband für Angewandte Thermografie e. V.

[13] Wärmebildtechnik-Ratgeber für industrielle Anwendungen. Frankfurt: Flir Systems Germany, Eigenverlag, 2011, Download auf www.flir.de

[14] Praxisratgeber Thermografie in der präventiven Instandhaltung. Lenzkirch: Testo AG, Eigenverlag, 2014, Download auf www.testo.de

[15]  www.thech.ch Thermografie Verband Schweiz

[16]  www.thermografie.co.at Österreichische Gesellschaft für Thermografie

[17]  www.thermografie.de Praxisbeispiele aus Industrie, Elektro etc.

[18]  www.vath.de Bundesverband für angewandte Thermografie

[19] Kamera- und Schulungsanbieter (Auswahl): www.dias-infrared.de www.flir.de www.fluke.de www.icodata.de www.infratec.de www.irpod.net www.milwaukeetool.de www.pce-instruments.com www.reichelt.de www.testboy.de www.testo.de www.thermal.com www.trotec.de www.umarex-laserliner.de

  • 2  Die Thermografie-Kontrolle ist eine schnelle und wirtschaftliche Methode zur Schadensprävention.

  • 3  Thermisch auffällige Bauelemente von Maschinen, Geräten oder Anlagen lassen sich ebenso entdecken …

  • 4  … wie defekte Bauteile in Mess-, Steuer- und Regeltechnikschränken …

  • 5  … oder gefährliche Risse in gemauerten Schornsteinen in der Nähe von Elektroleitungen.

  • 6  Überhitzte Elektrobauteile können zu einer erheblichen Gefahrenquelle werden und Brände auslösen, …

  • 7  … deshalb werden insbesondere hochinstallierte Räume, wie Rechenzentren, kontinuierlich thermografisch überwacht.

  • 8  Auch thermisch auffällige Zellen, Module oder Wechselrichter von Photovoltaik-Anlagen lassen sich im Wärmebild lokalisieren.

  • 9  Mithilfe von auf die Gasdetektion spezialisierten IR-Kameras können auch Gas-Leckagen aufgespürt werden.

  • 10  Besonders wichtig sind das Detektorformat sowie die thermische und geometrische Auflösung der IR-Kamera: Vergleich der Detektorformate 160 × 120 IR-Bildpunkte (links) und 1280 × 960 IR-Bildpunkte (rechts) sowie der Messwerte. Industrielle Anwendungen setzen deshalb IR-Profikameras mit einer Detektorauflösung ab 320 × 240 IR-Bildpunkten voraus.

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