DE102019124344B4

DE102019124344B4 - Verfahren und Vorrichtung für eine Überprüfung der inneren Beschaffenheit eines Prüfobjektes mittels eines aufgeprägten Wärmeflusses

Info

Publication number: DE102019124344B4
Application number: DE102019124344.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Srajbr
Original assignee: EDEVIS GmbH
Current assignee: EDEVIS GMBH, DE
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: DE102019124344A1

Abstract

Verfahren zur Überprüfung der inneren Beschaffenheit eines Prüfobjektes (110) mit Hilfe eines aufgeprägten Wärmeflusses, wobei- mittels einer definierten Wärmeanregung gemäß vorgegebenem Funktionsverlauf in einem zu untersuchenden Prüfobjekt (110) ein dreidimensionales Wärmefeld und ein daraus resultierender Wärmefluss erzeugt werden, um das Prüfobjekt (110) zu einer analysierbaren Eigenemission von Wärmestrahlung anzuregen, und- das Prüfobjekt (110) mittels einer Infrarotkamera (120) bildgebend erfasst wird, um einen transienten Temperaturverlauf einer Oberfläche des Prüfobjektes (110) aufzuzeichnen, wobei- in Relation zu der ins Prüfobjekt (110) eingebrachten Wärme ein auf der Oberfläche des Prüfobjektes (110) (110) erzeugter Antworttemperaturverlauf sowie ein Zeitversatz der Antworttemperatur gegenüber einer zugeordneten definierten Anregungstemperatur ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass- die Oberfläche des Prüfobjektes (110) in eine Mehrzahl von Bildelementen (111) unterteilt wird und für jedes Bildelement (111) innerhalb einer vorab definierten Zeitspanne während und im Nachgang zu der definierten Wärmeanregung eine durch eine Amplitude wiedergegebene Wärmeintensität und ein Zeitversatz gegenüber der Anregung gemessen wird, wobei- innerhalb der vorab definierten Zeitspanne ein gemessener zeitlicher Verlauf einer eine Infrarotsequenz darstellenden Antwort-Temperatur eines jeden Bildelementes (111) einer Intensitäts- und einer zeitlichen Analyse unterzogen wird, und- ein gemessener Verlauf einer eine Infrarotsequenz darstellenden Antwort-Temperatur eines jeden Bildelementes (111) einer Fourier-Transformation unterzogen wird, und der fouriertransformierte Verlauf der Antwort-Temperatur für jedes Bildelement (111) im Bereich einer vorab definierten Evaluierungsfrequenz auf Intensität (Amplitude) und Zeitversatz (Phase) untersucht wird, und wobei- eine eine Fehlstelle (101) im Inneren eines Prüfobjektes (110) bedeutende Abweichung der inneren Beschaffenheit in einem Prüfobjekt (110) in Relation zu einem fehlstellenfreien Prüfobjekt (110) durch Subtraktion der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines untersuchten Prüfobjektes (110) und der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines fehlstellenfreien Prüfobjektes (110) aufgezeigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der inneren Beschaffenheit eines Prüfobjektes mit Hilfe eines aufgeprägten Wärmeflusses, wobei mittels einer definierten Wärmeanregung gemäß vorgegebenem Funktionsverlauf in einem zu untersuchenden Prüfobjekt ein dreidimensionales Wärmefeld und ein daraus resultierender Wärmefluss erzeugt werden, um das Prüfobjekt zu einer analysierbaren Eigenemission von Wärmestrahlung anzuregen, und das Prüfobjekt mittels einer Infrarotkamera bildgebend erfasst wird, um einen transienten Temperaturverlauf einer Oberfläche des Prüfobjektes aufzuzeichnen, wobei in Relation zu der ins Prüfobjekt eingebrachten Wärme ein auf der Oberfläche des Prüfobjektes erzeugter Antworttemperaturverlauf sowie ein Zeitversatz der Antworttemperatur gegenüber einer zugeordneten definierten Anregungstemperatur ermittelt wird.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung basieren auf dem Umstand, dass als Antwort einer Erwärmung des Inneren eines zu untersuchenden Prüfobjektes mittels einer Wärmemesseinrichtung eine analysierbare Intensitätsänderung gegenüber der Anregungstemperatur sowie eine analysierbare Phasenverschiebung oder auch Phase genannte Zeitverzögerung einer auf einer beobachtbaren Oberfläche des Prüfobjektes in Relation zu der Erwärmung des Inneren des Prüfobjektes zu verzeichnen ist.
Mit Hilfe einer bereits bekannten Versuchsanordnung wird das zu beobachtende Prüfobjekt mittels einer Wärmebildkamera aufgenommen, und es wird das Prüfobjekt Bildpunkt für Bildpunkt bzw. Bildelement für Bildelement untersucht und für jedes Bildelement eine im zeitlichen Verlauf sich ändernde Wärmeintensität gemessen.
Gemäß diesem bekannten und durch die vorliegende Erfindung zu verbessernden Verfahren wird ein so genanntes Phasenbild eines zu untersuchenden Objektes erstellt, bei dem für jedes einzelne Bildelement Farb- oder Grauton kodiert eine Phase dargestellt wird, die ein für diesen Punkt gemessenes Zeitintervall beschreibt, das sich ergibt als Differenz des Zeitpunktes einer vorgegebenen Temperatur einer Wärmeanregungsquelle und der dieser vorgegebenen Temperatur zugeordneten gemessenen Temperatur eines Prüfobjektes.
Ein Phasenbild eines zu untersuchenden Prüfobjektes gibt Aufschluss über in unterschiedlichen Bereichen gegebene unterschiedliche Temperaturleitfähigkeiten im Material des Prüfobjektes und lässt insofern Inhomogenitäten im Material des Prüfobjektes erkennen. Derartige Inhomogenitäten sind dabei erkennbar unabhängig davon, ob sie im Bereich der Oberfläche des Prüfobjektes oder in darunter angeordneten Schichten enthalten sind. Insofern gibt die Erstellung eines Phasenbildes gemäß Stand der Technik schon wichtige Information über die Beschaffenheit insbesondere der inneren Struktur eines Prüfobjektes.
Ein Phasenbild gemäß obigem Stand der Technik weist indes den Nachteil auf, dass in ihm nicht unterscheidbar ist ein erster Zustand A, in dem ein vorherbestimmter Bereich des zu untersuchenden Prüfobjektes eine Änderung seiner Stärke gegenüber umgebenden Bereichen aufweist, zu einem zweiten Zustand B, in dem dieser Bereich ein gegenüber den umliegenden Bereichen unterschiedliches Material enthält, wobei das unterschiedliche Material nicht nur im Bereich der Oberfläche sondern auch in tiefergelegenen Schichten des Prüfobjektes vorliegen kann.
Es hat sich gezeigt, dass die so erhaltenen Phasenbilder sich unterscheiden, je nachdem ob bei einem Prüfobjekt eine Stärkeänderung eines homogen verwendeten Materials A oder ein zu dem Material A unterschiedliches Material B beobachtet wird, wobei das unterschiedliche Material B in Schichten unterschiedlicher Tiefe im Prüfobjekt vorliegen kann. Ein zu dem Material A unterschiedliches Material B liegt insbesondere auch dann vor, wenn sich in dem Material A ein in der Regel mit einem Gas gefüllter Defekt befindet.
Aus EP 0 058 710 ist ein Verfahren zur kontaktlosen photothermischen Untersuchung von oberflächennahen und inneren Strukturen eines festen Körpers bekannt, bei dem dieser Körper mit einem gebündelten elektromagnetischen Anregungsstrahl abgetastet und die Wirkung der dabei örtlich induzierten Körpertemperatur auf der dem auftreffenden Anregungsstrahl abgewandten Seite des Körpers als vom Körper ausgehende Infrarotstrahlung gemessen wird, wobei der Anregungsstrahl moduliert wird und die durch den Körper transmittierte Wärmewelle als im Takt des Anregungsstrahles modulierte, abgestrahlte Infrarotstrahlung gemessen wird, um eine genaue Struktur-Untersuchung in Fläche und Tiefe auch an festen Körpern mit größeren Abmessungen und an bewegten Teilen zu ermöglichen, ohne dass der erfassbare Tiefenbereich durch die thermische Eindringtiefe des modulierten Anregungsstrahles beschränkt ist.
Aus der Druckschrift DE 198 37 889 C1 ist ein Thermowellen-Messverfahren zur berührungslosen Messung von geometrischen und/oder thermischen Merkmalen eines Schichtaufbaues einer Probe bekannt, wobei eine in ihrer Intensität modulierbare Wärmequelle mit mindestens zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen angesteuert und der Schichtaufbau entsprechend aufgeheizt wird, und wobei eine Thermowelle in der Probe angeregt und eine von der Probe aufgrund des Schichtaufbaus intensitätsmodulierte Strahlung emittiert wird, die korrespondierend zu der Modulation der Wärmequelle detektiert und ausgewertet wird, und wobei die aufgrund des Schichtaufbaues emittierte Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich ausgewertet wird und die Auswertung der emittierten Strahlung hinsichtlich Amplitude und/oder Phase bei den jeweiligen Modulationsfrequenzen der Wärmequelle gleichzeitig durchgeführt wird.
Des Weiteren offenbart die Druckschrift EP 1 484 165 A2 ein Verfahren zur Überwachung der Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Werkstoff, wobei das Bauteil durch Infiltration eines Faserhalbzeugs mit flüssigem Harz hergestellt wird, bei dem während des Infiltrationsvorgangs der Prüfling mit modulierten Wärmewellen thermisch angeregt wird und das Antwortsignal registriert wird.
Die Druckschrift US 5,070,733 A offenbart ein fotoakustisches Abbildungsverfahren, bei dem ein zu beobachtendes Objekt mit moduliertem Licht beleuchtet wird und dann jeglicher durch thermische Belastung des Objekts erzeugter Schall von einem akustischen Sensor erfasst, verstärkt und in ein Bild umgewandelt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Beleuchten des Objekts mit erstem Licht, das mit einer Frequenz moduliert ist, die eine erste Wärmediffusionslänge des Objekts erzeugt; Erfassen eines durch die Beleuchtung mit dem ersten Licht erzeugten Schalls als erstes fotoakustisches Signal unter Verwendung eines fotoakustischen Sensors; Beleuchten des Objekts mit zweitem Licht, das mit einer Frequenz moduliert ist, die eine zweite Wärmediffusionslänge des Objekts erzeugt; Erfassen eines durch die Beleuchtung mit dem zweiten Licht erzeugten Schalls als zweites fotoakustisches Signal unter Verwendung des fotoakustischen Sensors; Bestimmen der Intensität der so erfassten ersten und zweiten fotoakustischen Signale; Berechnen eines Verhältnisses zwischen diesen Intensitäten und Abbilden eines Bereichs in einer spezifischen Tiefe zwischen der ersten und der zweiten Wärmediffusionslänge des Objekts auf der Basis des so erhaltenen Verhältnisses.
Aus EP 0 058 710 ist ein Verfahren zur kontaktlosen photothermischen Untersuchung von oberflächennahen und inneren Strukturen eines festen Körpers bekannt, bei dem dieser Körper mit einem gebündelten elektromagnetischen Anregungsstrahl abgetastet und die Wirkung der dabei örtlich induzierten Körpertemperatur auf der dem auftreffenden Anregungsstrahl abgewandten Seite des Körpers als vom Körper ausgehende Infrarotstrahlung gemessen wird, wobei der Anregungsstrahl moduliert wird und die durch den Körper transmittierte Wärmewelle als im Takt des Anregungsstrahles modulierte, abgestrahlte Infrarotstrahlung gemessen wird, um eine genaue Struktur-Untersuchung in Fläche und Tiefe auch an festen Körpern mit größeren Abmessungen und an bewegten Teilen zu ermöglichen, ohne dass der erfassbare Tiefenbereich durch die thermische Eindringtiefe des modulierten Anregungsstrahles beschränkt ist.
EP 1 484 165 offenbart ein Verfahren zur Überwachung der Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Werkstoff, wobei das Bauteil durch Infiltration eines Faserhalbzeugs mit flüssigem Harz hergestellt wird, bei dem während des Infiltrationsvorgangs der Prüfling mit modulierten Wärmewellen thermisch angeregt wird und das Antwortsignal registriert wird.
Die Druckschrift DE 10 1008 030 691 B4 des Anmelders offenbart ein Verfahren zur Materialprüfung mittels Wärmestrahlung, bei dem

- die Wärmestrahlung eines in seiner Intensität gemäß einer ersten Anregungsfrequenz periodisch schwankenden Wärmestrahlers auf ein zu prüfendes Prüfobjekt in einem ersten Messvorgang abgegeben wird,
- dieses dadurch periodisch erwärmt und zu einer Eigenemission von Wärmestrahlung angeregt wird,
- mittels einer Wärmekamera ein Wärmebild des Prüfobjektes erstellt wird,
- aus dem mittels einer Zeitgebereinheit ein Phasenbild des Prüfobjektes erstellt wird, indem für jedes einzelne Bildelement eine Phase dargestellt wird, die ein für diesen Punkt gemessenes Zeitintervall beschreibt, das sich als Differenz des Zeitpunktes einer auf einen vorgegebenen Wert modulierten Temperatur der Wärmequelle und eines Zeitpunktes einer dieser vorgegebenen Temperatur zugeordneten gemessenen Oberflächentemperatur des Prüfobjektes ergibt, wobei eine Zusammenschau aller Bildelemente eines Wärmebildes des Prüfobjektes als Phasenbild erst nach Ablauf einer Einschwingzeit erstellt wird, welches die Zeit ist, innerhalb derer ein zu beobachtendes Prüfobjekt sich aufgrund der periodischen Erwärmung sich nur noch um einen konstanten Temperaturmittelwert periodisch erwärmt und abkühlt.
- ein zweiter Messvorgang an dem Prüfobjekt bei einer zweiten von der ersten unterschiedlichen Anregungsfrequenz durchgeführt wird und
- die in den zwei Messvorgängen erhaltenen Phasenbilder Bildelement für Bildelement einer differentiellen Bearbeitung unterzogen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer bei einer Materialprüfung mit Hilfe eines singulären oder periodischen Wärmeeintrages in ein Prüfobjekt Inhomogenitäten des Prüfobjektes besonders schnell und effektiv auffindbar sind.
Für ein Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Oberfläche des Prüfobjektes in eine Mehrzahl von Bildelementen unterteilt wird und für jedes Bildelement innerhalb einer vorab definierten Zeitspanne während und im Nachgang zu der definierten Wärmeanregung eine durch eine Amplitude wiedergegebene Wärmeintensität und ein Zeitversatz gegenüber der Anregung gemessen wird, wobei innerhalb der vorab definierten Zeitspanne ein gemessener zeitlicher Verlauf einer eine Infrarotsequenz darstellenden Antwort-Temperatur eines jeden Bildelementes einer Intensitäts- und einer zeitlichen Analyse unterzogen wird, und ein gemessener Verlauf einer eine Infrarotsequenz darstellenden Antwort-Temperatur eines jeden Bildelementes einer Fourier-Transformation unterzogen wird, und der fouriertransformierte Verlauf der Antwort-Temperatur für jedes Bildelement im Bereich einer vorab definierten Evaluierungsfrequenz auf Intensität (Amplitude) und Zeitversatz (Phase) untersucht wird, und wobei eine eine Fehlstelle im Inneren eines Prüfobjektes bedeutende Abweichung der inneren Beschaffenheit in einem Prüfobjekt in Relation zu einem fehlstellenfreien Prüfobjekt durch Subtraktion der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines untersuchten Prüfobjektes und der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines fehlstellenfreien Prüfobjektes aufgezeigt wird.
Für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Oberfläche des Prüfobjektes in eine Mehrzahl von Bildelementen unterteilt ist und mittels einer Temperatur-Messeinrichtung für jedes Bildelement innerhalb einer vorab definierten Zeitspanne während und/oder im Nachgang zu der definierten Wärmeanregung eine durch eine Amplitude wiedergegebene Wärmeintensität sowie ein Zeitversatz gegenüber der Anregung zum Zweck einer nachgängigen Analyse messbar ist, und eine Fourier-Transformations-Einrichtung vorgesehen ist, um den gemessenen Verlauf einer eine Infrarotsequenz darstellenden Antwort-Temperatur eines jeden Bildelementes einer Fourier-Transformation zu unterziehen, um die fouriertransformierte Antwort-Temperatur jedes Bildelementes im Bereich einer vorab definierten Evaluierungsfrequenz auf Intensität (Amplitude) und Zeitversatz (Phase) zu analysieren, wobei eine eine Fehlstelle im Inneren eines Prüfobjektes bedeutende Abweichung der inneren Beschaffenheit in einem Prüfobjekt in Relation zu einem fehlstellenfreien Prüfobjekt durch Subtraktion der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines untersuchten Prüfobjektes und der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines fehlstellenfreien Prüfobjektes erfolgt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche, deren Elemente im Sinne einer weiteren Verbesserung des Lösungsansatzes der der Erfindung zugrunde gelegten Aufgabe wirken. Die Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen dabei den Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens und werden zur Vermeidung von Wiederholungen nicht gesondert aufgeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Hilfe der Merkmale, dass die Oberfläche des Prüfobjektes in eine Mehrzahl von Bildelementen unterteilt wird und für jedes Bildelement innerhalb einer vorab definierten Zeitspanne während und im Nachgang zu der definierten Wärmeanregung eine durch eine Amplitude wiedergegebene Wärmeintensität und ein Zeitversatz gegenüber der Anregung gemessen, wobei innerhalb der vorab definierten Zeitspanne ein gemessener zeitlicher Verlauf einer eine Infrarotsequenz darstellenden Antwort-Temperatur eines jeden Bildelementes einer Intensitäts- und einer zeitlichen Analyse unterzogen wird, eine Materialprüfung mittels eines in seinem Verlauf vorgebbaren Wärmeeintrags in einem Prüfobjektes geschaffen, wobei durch Störstellen verursachte Inhomogenitäten des Prüfobjektes schneller und effektiver als gemäß Stand der Technik auffindbar sind. Dabei ist mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Deutungssicherheit bei einer Analyse von im Inneren vorhandenen Inhomogenitäten ermöglicht.
Die obigen Ausführungen betreffend die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten in entsprechender Weise für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die vorab definierte Zeitspanne während und/oder im Nachgang zu der definierten Wärmeanregung auf zwischen 0,01 Sekunden und 5 Sekunden ab Einsetzen der Wärmeanregung bemessen ist.
Gemäß einer ersten Alternative kann die definierte Wärmeanregung einen näherungsweise pulsförmigen Funktionsverlauf aufweisen, wobei die fouriertransformierte der Antworttemperatur-Funktion näherungsweise einer sin²(x)/x-Funktion entspricht, deren Intensität und Phase im Bereich der definierten Evaluierungsfrequenz gemessen wird.
Als Evaluierungsfrequenz wird dabei vorzugsweise diejenige Frequenz aus dem Frequenz-Spektrum der den zeitlichen Verlauf einer Antworttemperatur darstellenden Antworttemperatur-Funktion gewählt, bei der die fouriertransformierte Antworttemperatur-Funktion ein Intensitätsmaximum aufweist.
Alternativ kann auch diejenige Frequenz aus dem Frequenz-Spektrum der den zeitlichen Verlauf einer Antworttemperatur darstellenden Antworttemperatur-Funktion gewählt werden, bei der die Signaldifferenz der Antworttemperatur-Funktionen zwischen Fehlstellen eines Prüfobjektes und fehlerfreien Stellen des Prüfobjektes maximiert ist.
Gemäß einer zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die definierte Wärmeanregung einen periodischen, insbesondere sinusförmigen oder multiimpulsförmigen Funktionsverlauf auf, wobei die Fourier transformierte Funktion der Antworttemperatur-Funktion in der Regel näherungsweise einer Delta-Funktion entspricht, deren Intensität und Zeitversatz (Phase) gemessen wird.
Beiden Ausführungsformen ist gemein, dass jede Inhomogenität im Inneren des Prüfobjektes ein charakteristisches Muster in der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion erzeugt und eine Bewertung eines Zustandes oder einer Qualität des Prüfobjektes aufgrund der Gestalt des charakteristischen Musters erfolgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Wärmeanregung vorzugsweise mittels einer als Induktor ausgebildeten Wärmeanregungs-Einrichtung, wobei im Inneren eines elektrisch leitenden Prüfobjektes einen das Prüfobjekt erwärmenden elektrischen Wirbelstrom erzeugt wird.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die vorab definierte Zeitspanne während und/oder im Nachgang zu der definierten Wärmeanregung auf zwischen 0,01 Sekunden und 5 Sekunden ab Einsetzen der Wärmeanregung bemessen.
Die definierte Wärmeanregung kann dabei einen pulsförmig genäherten rechteckförmigen Funktionsverlauf aufweisen, wobei die fouriertransformierte der Antworttemperatur-Funktion näherungsweise einer sin²(x)/x-Funktion entspricht, deren Intensität und Phase im Bereich der definierten Evaluierungsfrequenz analysierbar.
Als Evaluierungsfrequenz ist dabei vorzugsweise diejenige Frequenz aus dem Frequenz-Spektrum der den zeitlichen Verlauf einer Antworttemperatur darstellenden Antworttemperatur-Funktion gewählt, bei der die fouriertransformierte Antworttemperatur-Funktion ein Intensitätsmaximum aufweist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die definierte Wärmeanregung entsprechend eines periodischen und dabei vorzugsweise aber nicht notwendigerweise sinusförmigen Funktionsverlaufes vorgegeben, wobei die fouriertransformierte der Antworttemperatur-Funktion im Falle einer sinusförmigen Anregung näherungsweise einer Delta-Funktion entspricht, deren Intensität und Zeitversatz (Phase) mittels einer entsprechenden Einrichtung analysierbar ist. Insbesondere kann die definierte Wärmeanregung einen multipulsförmigen Funktionsverlauf aufweisen, wobei weine Einrichtung vorgesehen ist, mittels derer eine Analyse der fouriertransformierte der Antworttemperatur-Funktion auf Intensität und Zeitversatz (Phase) durchführbar ist.
Jede Inhomogenität im Inneren des Prüfobjektes erzeugt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein charakteristisches Muster in der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion, wobei eine Bewertung eines Zustandes oder einer Qualität des Prüfobjektes aufgrund der Gestalt des charakteristischen Musters erfolgt.
Eine Wärmeanregung eines Prüfobjektes erfolgt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise mittels einer als Induktor ausgebildeten Wärmeanregungs-Einrichtung, die im Inneren eines elektrisch leitenden Prüfobjektes einen das Prüfobjekt erwärmenden elektrischen Wirbelstrom erzeugt.
Der Induktor ist vorzugsweise in Form eines U-Profils ausgebildet, in dem zwei sich gegenüberstehende Schenkel über einen Induktorkörper miteinander verbunden sind, wobei jeder der Schenkel von einem Spulenkörper umschlossen ist, und wobei der Stromfluss durch die betreffenden Spulenkörper derart erfolgt, dass eine gleichgerichtete Überlagerung der zentral zwischen den Spulenkörpern vorhandenen Feldlinien gegeben ist.
Des Weiteren ist der Induktorkörper vorzugsweise von einem ferrimagnetischen Material mit geringem Hystereseverhalten gebildet. Der Induktorkörper enthält dabei vorzugsweise zwei sich gegenüberstehende Induktorkerne, die formschlüssig miteinander verbunden oder integral hergestellt sein können.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Blockdiagramms;
2 einen Induktor zur Erzeugung eines definiert wiederholbaren dreidimensionalen Wärmefeldes im Inneren eines mittels der in 1 erfindungsgemäßen Vorrichtung zu untersuchenden Prüfobjektes in einer Seitenansicht;
3 den in 2 dargestellten Induktor in einer Ansicht von vorne mit eingezeichneten Feldlinien;
4 den in 2 dargestellten Induktor in einer Ansicht von schräg vorne.

Die in den 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überprüfung der inneren Beschaffenheit eines Prüfobjektes 110 mit Hilfe dessen pulsförmiger Erwärmung, enthält eine Wärmeanregungs-Einrichtung 200, mittels derer eine definierten Wärmeanregung gemäß vorgegebenem Funktionsverlauf in einem zu prüfenden Prüfobjekt 110 ein dreidimensionales Wärmefeld sowie ein daraus resultierender Wärmefluss erzeugbar ist, um das Prüfobjekt 110 zu einer analysierbaren Eigenemission von Wärmestrahlung anzuregen.
Das Prüfobjekt 110 ist mittels einer Infrarotkamera 120 bildgebend erfassbar, um einen transienten Temperaturverlauf einer Oberfläche des Prüfobjektes 110 aufzuzeichnen, um in Relation zu der ins Prüfobjekt 110 eingebrachten Wärme den Verlauf einer auf einer Oberfläche des Prüfobjektes 110 erzeugten Antworttemperatur sowie den Zeitversatz der Antworttemperatur gegenüber einer zugeordneten definierten Anregungstemperatur zu bestimmen.
Zu diesem Zweck ist die Oberfläche des Prüfobjektes 110 in eine Mehrzahl von Bildelementen 111 unterteilt. Mittels einer Temperatur-Messeinrichtung ist für jedes Bildelement 111 innerhalb einer vorab definierten Zeitspanne während und im Nachgang zu der definierten Wärmeanregung die durch die Anregungstemperatur verursachte Antworttemperatur sowie ein Zeitversatz der gemessenen Antworttemperatur gegenüber der verursachenden Anregungstemperatur ermittelbar, wobei diese beiden Parameter zum Zweck einer nachgängigen Analyse herangezogen werden.
Ein gemessener Verlauf einer eine Infrarotsequenz darstellenden Antwort-Temperatur eines jeden Bildelementes 111 ist mittels einer Fourier-Transformations-Einrichtung 130 spektral zerlegbar, wobei der fouriertransformierte Verlauf der Antwort-Temperatur für jedes Bildelement 111 im Bereich einer vorab definierten Evaluierungsfrequenz auf Intensität (Amplitude) und Zeitversatz (Phase) analysierbar ist.
Die definierte Wärmeanregung weist einen näherungsweise pulsförmigen Funktionsverlauf auf, wobei die fouriertransformierte der Antworttemperatur-Funktion näherungsweise einer sin²(x)/x-Funktion entspricht, deren Intensität und Phase im Bereich der definierten Evaluierungsfrequenz analysierbar ist.
Als Evaluierungsfrequenz ist dabei diejenige Frequenz aus dem Frequenz-Spektrum der den zeitlichen Verlauf einer Antworttemperatur darstellenden Antworttemperatur-Funktion gewählt, bei der die fouriertransformierte Antworttemperatur-Funktion ein Intensitätsmaximum aufweist.
Jede Inhomogenität erzeugt im Inneren des Prüfobjektes ein charakteristisches Muster in der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion, wobei eine Bewertung eines Zustandes oder einer Qualität des Prüfobjektes 110 aufgrund der Gestalt des charakteristischen Musters erfolgt.
Eine eine Fehlstelle 101 im Inneren eines Prüfobjektes 110 bedeutende Abweichung der inneren Beschaffenheit in einem Prüfobjekt 110 in Relation zu einem fehlstellenfreien Prüfobjekt 110 erfolgt durch Subtraktion der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines untersuchten Prüfobjektes 110 und der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines fehlstellenfreien Prüfobjektes 110.
Eine Wärmeanregung eines Prüfobjektes 110 erfolgt mittels einer als Induktor 200 ausgebildeten Wärmeanregungs-Einrichtung, die im Inneren eines elektrisch leitenden Prüfobjektes 110 einen das Prüfobjekt 110 erwärmenden elektrischen Wirbelstrom erzeugt.
Der in den 2 bis 4 dargestellte Induktor 200 ist in Form eines U-Profils ausgebildet, in dem zwei sich gegenüberstehende Schenkel 210, 211 über einen Induktorkörper 220 miteinander verbunden sind, wobei jeder der Schenkel 210, 211 von einem Spulenkörper 230, 231 umschlossen ist, und wobei der Stromfluss durch die betreffenden Spulenkörper 230, 231 derart erfolgt, dass eine gleichgerichtete Überlagerung der zentral zwischen den Spulenkörpern 230, 231 vorhandenen Feldlinien gegeben ist.
Der Induktorkörper 220 ist aus einem ferrimagnetischen Material mit geringem Hystereseverhalten hergestellt und enthält zwei sich gegenüberstehende Induktorkerne 221, 222, die integral hergestellt sind.
Das oben erläuterte Ausführungsbeispiel der Erfindung dient lediglich dem Zweck eines besseren Verständnisses der durch die Ansprüche vorgegebenen erfindungsgemäßen Lehre, die als solche durch das Ausführungsbeispiel nicht eingeschränkt ist.
Bezugszeichenliste

110: Prüfobjekt
101: Fehlstelle
111: Bildelemente
120: Infrarotkamera
130: Fourier-Transformations-Einrichtung
200: Wärmeanregungs-Einrichtung = Induktor
210, 211: Schenkel
220: Induktorkörper
221, 222: Induktorkerne
230, 231: Spulenkörper

Claims

Verfahren zur Überprüfung der inneren Beschaffenheit eines Prüfobjektes (110) mit Hilfe eines aufgeprägten Wärmeflusses, wobei - mittels einer definierten Wärmeanregung gemäß vorgegebenem Funktionsverlauf in einem zu untersuchenden Prüfobjekt (110) ein dreidimensionales Wärmefeld und ein daraus resultierender Wärmefluss erzeugt werden, um das Prüfobjekt (110) zu einer analysierbaren Eigenemission von Wärmestrahlung anzuregen, und - das Prüfobjekt (110) mittels einer Infrarotkamera (120) bildgebend erfasst wird, um einen transienten Temperaturverlauf einer Oberfläche des Prüfobjektes (110) aufzuzeichnen, wobei - in Relation zu der ins Prüfobjekt (110) eingebrachten Wärme ein auf der Oberfläche des Prüfobjektes (110) (110) erzeugter Antworttemperaturverlauf sowie ein Zeitversatz der Antworttemperatur gegenüber einer zugeordneten definierten Anregungstemperatur ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Oberfläche des Prüfobjektes (110) in eine Mehrzahl von Bildelementen (111) unterteilt wird und für jedes Bildelement (111) innerhalb einer vorab definierten Zeitspanne während und im Nachgang zu der definierten Wärmeanregung eine durch eine Amplitude wiedergegebene Wärmeintensität und ein Zeitversatz gegenüber der Anregung gemessen wird, wobei - innerhalb der vorab definierten Zeitspanne ein gemessener zeitlicher Verlauf einer eine Infrarotsequenz darstellenden Antwort-Temperatur eines jeden Bildelementes (111) einer Intensitäts- und einer zeitlichen Analyse unterzogen wird, und - ein gemessener Verlauf einer eine Infrarotsequenz darstellenden Antwort-Temperatur eines jeden Bildelementes (111) einer Fourier-Transformation unterzogen wird, und der fouriertransformierte Verlauf der Antwort-Temperatur für jedes Bildelement (111) im Bereich einer vorab definierten Evaluierungsfrequenz auf Intensität (Amplitude) und Zeitversatz (Phase) untersucht wird, und wobei - eine eine Fehlstelle (101) im Inneren eines Prüfobjektes (110) bedeutende Abweichung der inneren Beschaffenheit in einem Prüfobjekt (110) in Relation zu einem fehlstellenfreien Prüfobjekt (110) durch Subtraktion der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines untersuchten Prüfobjektes (110) und der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines fehlstellenfreien Prüfobjektes (110) aufgezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorab definierte Zeitspanne während und/oder im Nachgang zu der definierten Wärmeanregung auf zwischen 0,01 Sekunden und 5 Sekunden ab Einsetzen der Wärmeanregung bemessen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Wärmeanregung einen pulsförmig genäherten rechteckförmigen Funktionsverlauf aufweist, wobei die fouriertransformierte der Antworttemperatur-Funktion näherungsweise einer sin²(x)/x-Funktion entspricht, deren Intensität und Phase im Bereich der definierten Evaluierungsfrequenz gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Evaluierungsfrequenz diejenige Frequenz aus dem Frequenz-Spektrum der den zeitlichen Verlauf einer Antworttemperatur darstellenden Antworttemperatur-Funktion gewählt wird, bei der die fouriertransformierte Antworttemperatur-Funktion ein Intensitätsmaximum aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Evaluierungsfrequenz diejenige Frequenz aus dem Frequenz-Spektrum der den zeitlichen Verlauf einer Antworttemperatur darstellenden Antworttemperatur-Funktion gewählt wird, bei der die Signaldifferenz der Antworttemperatur-Funktionen zwischen Fehlstellen (101) eines Prüfobjektes (110) und fehlerfreien Bereichen des Prüfobjektes (110) maximiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Wärmeanregung einen sinusförmigen periodischen Funktionsverlauf aufweist, wobei die fouriertransformierte der Antworttemperatur-Funktion näherungsweise einer Delta-Funktion entspricht, deren Intensität und Zeitversatz (Phase) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Inhomogenität im Inneren des Prüfobjektes (110) ein charakteristisches Muster in der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion erzeugt und eine Bewertung eines Zustandes oder einer Qualität des Prüfobjektes (110) aufgrund der Gestalt des charakteristischen Musters erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeanregung mittels einer als Induktor (200) ausgebildeten Wärmeanregungs-Einrichtung (200) erfolgt, wobei im Inneren eines elektrisch leitenden Prüfobjektes (110) einen das Prüfobjekt (110) erwärmenden elektrischen Wirbelstrom erzeugt wird.
Vorrichtung zur Überprüfung der inneren Beschaffenheit eines Prüfobjektes (110) mit Hilfe eines aufgeprägten Wärmeflusses, mit - einer Wärmeanregungs-Einrichtung (200), mittels derer eine definierten Wärmeanregung gemäß vorgegebenem Funktionsverlauf in einem zu prüfenden Prüfobjekt (110) ein dreidimensionales Wärmefeld sowie ein daraus resultierender Wärmefluss erzeugbar ist, um das Prüfobjekt (110) zu einer analysierbaren Eigenemission von Wärmestrahlung anzuregen, wobei - das Prüfobjekt (110) mittels einer Infrarotkamera (120) bildgebend erfassbar ist, um einen transienten Temperaturverlauf einer Oberfläche des Prüfobjektes (110) aufzuzeichnen, wobei - in Relation zu der ins Prüfobjekt (110) eingebrachten Wärme ein auf der Oberfläche des Prüfobjektes (110) erzeugter Antworttemperaturverlauf sowie ein Zeitversatz der Antworttemperatur gegenüber einer zugeordneten definierten Anregungstemperatur ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Oberfläche des Prüfobjektes (110) in eine Mehrzahl von Bildelementen (111) unterteilt ist und mittels einer Temperaturmesseinrichtung (Infrarotkamera 120) für jedes Bildelement (111) innerhalb einer vorab definierten Zeitspanne während und/oder im Nachgang zu der definierten Wärmeanregung eine durch eine Amplitude wiedergegebene Wärmeintensität sowie ein Zeitversatz gegenüber der Anregung zum Zweck einer nachgängigen Analyse messbar ist, und - eine Fourier-Transformations-Einrichtung (130) vorgesehen ist, um den gemessenen Verlauf einer eine Infrarotsequenz darstellenden Antwort-Temperatur eines jeden Bildelementes (111) einer Fourier-Transformation zu unterziehen, um die fouriertransformierte Antwort-Temperatur jedes Bildelementes (111) im Bereich einer vorab definierten Evaluierungsfrequenz auf Intensität (Amplitude) und Zeitversatz (Phase) zu analysieren, wobei - eine eine Fehlstelle (101) im Inneren eines Prüfobjektes (110) bedeutende Abweichung der inneren Beschaffenheit in einem Prüfobjekt (110) in Relation zu einem fehlstellenfreien Prüfobjekt (110) durch Subtraktion der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines untersuchten Prüfobjektes (110) und der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion eines fehlstellenfreien Prüfobjektes (110) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorab definierte Zeitspanne während und/oder im Nachgang zu der definierten Wärmeanregung auf zwischen 0,01 Sekunden und 5 Sekunden ab Einsetzen der Wärmeanregung bemessen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Wärmeanregung einen pulsförmig genäherten rechteckförmigen Funktionsverlauf aufweist, wobei die fouriertransformierte der Antworttemperatur-Funktion näherungsweise einer sin²(x)/x-Funktion entspricht, deren Intensität und Phase im Bereich der definierten Evaluierungsfrequenz analysierbar.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Evaluierungsfrequenz diejenige Frequenz aus dem Frequenz-Spektrum der den zeitlichen Verlauf einer Antworttemperatur darstellenden Antworttemperatur-Funktion gewählt ist, bei der die fouriertransformierte Antworttemperatur-Funktion ein Intensitätsmaximum aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Evaluierungsfrequenz diejenige Frequenz aus dem Frequenz-Spektrum der den zeitlichen Verlauf einer Antworttemperatur darstellenden Antworttemperatur-Funktion gewählt ist, bei der die Signaldifferenz der Antworttemperatur-Funktionen zwischen Fehlstellen (101) eines Prüfobjektes (110) und fehlerfreien Bereichen des Prüfobjektes (110) maximiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Wärmeanregung einen sinusförmigen periodischen Funktionsverlauf aufweist, wobei die fouriertransformierte der Antworttemperatur-Funktion näherungsweise einer Delta-Funktion entspricht, und eine Einrichtung vorgesehen ist, mittels derer eine Analyse der fouriertransformierte der Antworttemperatur-Funktion auf Intensität und Zeitversatz (Phase) durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Wärmeanregung einen multipulsförmigen Funktionsverlauf aufweist, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, mittels derer eine Analyse der fouriertransformierte der Antworttemperatur-Funktion auf Intensität und Zeitversatz (Phase) durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jede Inhomogenität im Inneren des Prüfobjektes (110) ein charakteristisches Muster in der fouriertransformierten Antworttemperatur-Funktion erzeugt und eine Bewertung eines Zustandes oder einer Qualität des Prüfobjektes (110) aufgrund der Gestalt des charakteristischen Musters erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeanregung eines Prüfobjektes (110) mittels einer als Induktor (200) ausgebildeten Wärmeanregungs-Einrichtung erfolgt, die im Inneren eines elektrisch leitenden Prüfobjektes (110) einen das Prüfobjekt (110) erwärmenden elektrischen Wirbelstrom erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (200) in Form eines U-Profils ausgebildet ist, in dem zwei sich gegenüberstehende Schenkel (210, 211)) über einen Induktorkörper (220) miteinander verbunden sind, wobei jeder der Schenkel (210, 211) von einem Spulenkörper (230, 231) umschlossen ist, und wobei der Stromfluss durch die betreffenden Spulenkörper (230, 231) derart erfolgt, dass eine gleichgerichtete Überlagerung der zentral zwischen den Spulenkörpern (230,231) vorhandenen Feldlinien gegeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktorkörper (220) zwei sich gegenüberstehende Induktorkerne (221, 222) enthält, die formschlüssig miteinander verbunden oder integral hergestellt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (200) von einem ferrimagnetischen Material mit geringem Hystereseverhalten gebildet ist.