DE102008030691A1

DE102008030691A1 - Verfahren und Vorrichtung für eine Materialprüfung mittels periodischer Wärmebestrahlung

Info

Publication number: DE102008030691A1
Application number: DE200810030691
Authority: DE
Inventors: Christian Spiessberger; Andreas Gleiter; Gerd Prof. Rer. Nat. Habil. Busse
Original assignee: EDEVIS GmbH
Current assignee: EDEVIS GmbH
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: DE102008030691B4

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Materialprüfung mittels Wärmebestrahlung, wobei die Wärmestrahlung eines in seiner Intensität gemäß einer Anregungsfrequenz periodisch schwankenden Wärmestrahlers auf ein zu prüfendes Testobjekt abgegeben wird und dieses dadurch periodisch erwärmt und zu einer Eigenemission von Wärmestrahlen angeregt wird, wobei ein Phasenbild eines zu untersuchenden Objektes erstellt, bei dem für jedes einzelne Bildelement eine Phase dargestellt wird, die ein für diesen Punkt gemessenes Zeitintervall beschreibt, das sich ergibt als Differenz des Zeitpunktes einer vorgegebenen Temperatur eines Initialstrahlers und eines Zeitpunktes einer dieser vorgegebenen Temperatur zugeordneten gemessenen Oberflächentemperatur eines Testobjektes wird eine Fallunterscheidung zwischen dem Vorliegen unterschiedlicher Materialstärken des gleichen Materials und einem Vorhandensein unterschiedlicher Materialien dadurch erreicht, dass zwei oder mehr Messvorgänge bei jeweils unterschiedlichen Anregungsfrequenzen durchgeführt werden und die dabei erhaltenen Phasenbilder Bildelement für Bildelement einer differentiellen Bearbeitung unterzogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Materialprüfung mittels Wärmebestrahlung, wobei die Wärme mittels einer geeigneten Einrichtung wie beispielsweise eines Halogenstrahlers periodisch auf ein zu prüfendes Testobjekt abgegeben wird und dieses dadurch stimuliert wird.
Als Antwort auf diese periodische Wärmebestrahlung eines zu untersuchenden Testobjektes erwärmt sich die Oberfläche dieses Objektes ebenfalls periodisch, wobei eine Phasenverschiebung oder auch Phase genannte Zeitverzögerung festzustellen ist betreffend einer periodischen Wärmeschwankung eines Wärmestrahlenemittenten im Vergleich zu einer periodischen Wärmeschwankung auf Seiten der zu beobachtenden Oberfläche eines Testobjektes.
Mit Hilfe einer bereits bekannten Versuchsanordnung wird das zu beobachtende Testobjekt mittels einer Wärmebildkamera aufgenommen, und es wird das Testobjekt Bildpunkt für Bildpunkt bzw. Bildelement für Bildelement untersucht, wobei für jedes Bildelement eine im zeitlichen Verlauf sich ändernde Wärmeintensität gemessen wird.
Gemäß einem 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 codiert eine Phase dargestellt wird, die ein für diesen Punkt gemessenes Zeitintervall beschreibt, das sich ergibt als Differenz des Zeitpunktes einer vorgegebenen Temperatur eines Initialstrahlers und der dieser vorgegebenen Temperatur zugeordneten gemessenen Temperatur eines Testobjektes.
Ein Phasenbild eines zu untersuchenden Testobjektes gibt Aufschluss über in unterschiedlichen Bereichen gegebene unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten im Material des Testobjektes und lässt insofern Inhomogenitäten im Material des Testobjektes erkennen. Derartige Inhomogenitäten sind dabei erkennbar unabhängig davon, ob sie im Bereich der Oberfläche des Testobjektes 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 Testobjektes.
Ein Phasenbild gemäß 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 Testobjektes 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 Testobjektes vorliegen kann.
Es hat sich gezeigt, dass die so erhaltenen Phasenbilder sich unterscheiden, je nachdem ob bei einem Testobjekt 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 Testobjekt 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 Riss befindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer bei einer Materialprüfung mit Hilfe periodischer Wärmebestrahlung und Erstellung von Phasenbildern eine Fallunterscheidung ermöglicht ist bezüglich einem Zustand A, in dem ein untersuchter Bereich eines Testobjektes eine Änderung seiner Stärke gegenüber ambienten Bereichen aufweist, und einem Zustand B, in dem ein untersuchter Bereich eines Testobjektes ein gegenüber ambienten Bereichen unterschiedliches Material enthält.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zwei Messvorgänge bei jeweils unterschiedlichen Anregungsfrequenzen durchgeführt werden und die dabei erhaltenen Phasenbilder Bildelement für Bildelement einer differentiellen Bearbeitung unterzogen werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Merkmalskombination, dass zwei Messvorgänge bei jeweils unterschiedlichen Anregungsfrequenzen durchgeführt werden und die dabei erhaltenen Phasenbilder Bildelement für Bildelement einer differentiellen Bearbeitung unterzogen werden, erreicht, dass von einem Testobjekt summarisch mehr Information als bei einem einzigen Messvorgang bei einer festen Anregungsfrequenz bezogen wird, wobei die zusätzliche Information ausreichend ist, um eine Unterscheidung dahingehend zu treffen, ob ein Zustand A vorliegt, in dem ein untersuchter Bereich eines Testobjektes eine Änderung seiner Materialstärke (Dicke) gegenüber ambienten Bereichen aufweist, oder ein Zustand B, in dem ein untersuchter Bereich eines Testobjektes ein gegenüber ambienten Bereichen unterschiedliches Material enthält.
Das Resultat eines jeden Messvorgangs ist ein Phasenbild, wobei eine differentielle Bearbeitung eines einer Phase entsprechenden skalaren Wertes der jeweiligen Bildelemente eines ersten Phasenbildes, das bei einer ersten Anregungsfrequenz erstellt worden ist, mit dem einer Phase entsprechenden skalaren Wert der jeweiligen Bildelemente eines zweiten Phasenbildes erfolgt, das bei einer zweiten, höheren Anregungsfrequenz erstellt worden ist.
Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei die Erkenntnis, dass die Kombination zweier (oder mehr) Phasenbilder die zeitliche Änderung einer gemessenen Temperatur in einem Testobjekt eine Information bereitstellt, mit deren Hilfe eine Unterscheidung zwischen einer Änderung der Dicke eines spezifischen ersten Materials und einer Anwesenheit eines zweiten Materials ermöglicht ist. Dies führt dazu, dass bei Anwesenheit eines zweiten Materials bei einer Erhöhung der Anregungsfrequenz die gemessene Phase eines speziellen Bildelementes sich in spezifisch anderer Weise ändert als bei einer Materialhomogenität in Verbindung mit unterschiedlicher Materialstärke.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Anregungsfrequenz eines ersten Messvorgangs doppelt so hoch ist wie die Anregungsfrequenz eines zweiten Messvorgangs.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die periodische Wärmestimulation über die Zeit in Form einer sinusförmigen Intensitätsverteilung abgegeben wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die periodische Wärmestimulation über die Zeit in Form einer rechteckförmigen Intensitätsverteilung abgegeben wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Zusammenschau aller Bildelemente eines Wärmebildes eines Testobjektes als Phasenbild erst nach Ablauf einer Einschwingzeit erstellt wird, welches die Zeit ist, innerhalb derer ein zu beobachtendes Objekt sich aufgrund der periodischen Erwärmung sich nur noch um einen konstanten Temperaturmittelwert periodisch erwärmt und abkühlt.
Die oben angegebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten in äquivalenter Form für die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei auch die Merkmale des jeweiligen unabhängigen Verfahrens- und Vorrichtungsanspruchs sich in äquivalenter Weise entsprechen in eine gleiche Wirkung zeitigen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, deren Grundlagen in den Figuren der Zeichnung erläutert sind.
Darin zeigen:
1 Die Phase eines Bildpunktes für zwei unterschiedliche Anregungsfrequenzen, aufgetragen über die Stärke (Dicke) eines Testobjektes. Die erste Anregungsfrequenz (schwarze Kurve) ist doppelt so hoch wie die zweite Anregungsfrequenz (graue Kurve);
2 Phasenkurven, die entstehen, wenn die bei zwei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen gemessenen Phasen aus 1 gegeneinander aufgetragen werden. Der Parameter R ist dabei ein Maß für die Anwesenheit eines zweiten, vom ersten Material abweichenden Materials.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Materialprüfung mittels Wärmebestrahlung beinhaltet eine Abgabe von Wärmestrahlung eines in seiner Intensität gemäß einer Anregungsfrequenz periodisch schwankenden Wärmestrahlers auf ein zu prüfendes Testobjekt, wobei dieses periodisch erwärmt und zu einer Eigenemission von Wärmestrahlen angeregt wird. Es wird dabei ein Phasenbild eines Testobjektes erstellt, bei dem für jedes einzelne Bildelement in Form einer Grauwertkodierung eine Phase dargestellt wird, die ein für diesen Punkt gemessenes Zeitintervall beschreibt, das sich ergibt als Differenz des Zeitpunktes einer vorgegebenen Temperatur eines Initialstrahlers und eines Zeitpunktes einer dieser vorgegebenen Temperatur zugeordneten gemessenen Oberflächentemperatur eines Testobjektes. Es werden zwei Wärme-Messvorgänge eines Testobjektes bei jeweils unterschiedlichen Anregungsfrequenzen durchgeführt und die dabei erhaltenen Phasenbilder werden Bildelement für Bildelement einer differentiellen Bearbeitung unterzogen.
Mittels einer differentiellen Bearbeitung von Phasenbildern wird eine Unterscheidung zwischen Materialstärke eines spezifischen ersten Materials und der Anwesenheit eines zweiten Materials ermöglicht.
Die Anregungsfrequenz eines ersten Messvorgangs ist bei dem dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren doppelt so hoch wird wie die Anregungsfrequenz eines zweiten Messvorgangs gewählt.
Die periodische Wärmestimulation im Sinne einer Modulation der abgegebenen Wärmeleistung wird über die Zeit in Form einer rechteckförmigen Intensitätsverteilung abgegeben.
Eine Zusammenschau aller Bildelemente eines Wärmebildes eines Testobjektes als Phasenbild wird erst nach Ablauf einer Einschwingzeit erstellt, welches die Zeit ist, innerhalb derer ein zu beobachtendes Objekt sich aufgrund der periodischen Erwärmung sich nur noch um einen konstanten Temperaturmittelwert periodisch erwärmt und abkühlt.
Eine differentielle Bearbeitung der Phasenbilder Bildelement für Bildelement wird dabei anhand der in den 1 und 2 dargestellten Grafiken durchgeführt. Die Graphen der 1 beschreiben dabei die Phase eines Bildpunktes für zwei unterschiedliche Anregungsfrequenzen, aufgetragen über die Stärke (Dicke) eines Testobjektes, wobei eine erste Anregungsfrequenz doppelt so hoch gewählt ist wie eine zweite Anregungsfrequenz.
Die Graphen der 2 beschreiben Phasenkurven, die entstehen, wenn die bei zwei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen gemessenen Phasen eines Bildpunktes gegeneinander aufgetragen sind, wobei also die Phase einer ersten Anregungsfrequenz entlang einer Abszisse und die Phase einer zweiten Anregungsfrequenz entlang einer Ordinate eines Koordinatensystems aufgetragen sind.
Es zeigt sich dabei, dass die jeweils unterschiedliche Materialien repräsentierenden Graphen für jeden gemessenen Phasenwinkel, d h. für jede Differenz zweier gemessener Phasen zweier Anregungsfrequenzen eine eindeutige Zuordnung zu einer in einem Testobjekt tatsächlich vorhandenen Materialstärke ermöglichen.
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.

Claims

Verfahren zur Materialprüfung mittels Wärmebestrahlung, wobei die Wärmestrahlung eines in seiner Intensität gemäß einer Anregungsfrequenz periodisch schwankenden Wärmestrahlers auf ein zu prüfendes Testobjekt abgegeben wird und dieses dadurch periodisch erwärmt und zu einer Eigenemission von Wärmestrahlen angeregt wird, wobei ein Phasenbild eines Testobjektes erstellt wird, bei dem für jedes einzelne Bildelement eine Phase dargestellt wird, die ein für diesen Punkt gemessenes Zeitintervall beschreibt, das sich ergibt als Differenz des Zeitpunktes einer vorgegebenen Temperatur eines Initialstrahlers und eines Zeitpunktes einer dieser vorgegebenen Temperatur zugeordneten gemessenen Oberflächentemperatur eines Testobjektes, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wärme-Messvorgänge eines Testobjektes bei jeweils unterschiedlichen Anregungsfrequenzen durchgeführt werden und die dabei erhaltenen Phasenbilder Bildelement für Bildelement einer differentiellen Bearbeitung unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer differentiellen Bearbeitung von Phasenbildern eine Unterscheidung zwischen Materialstärke eines spezifischen ersten Materials und der Anwesenheit eines zweiten Materials ermöglicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsfrequenz eines ersten Messvorgangs doppelt so hoch wird wie die Anregungsfrequenz eines zweiten Messvorgangs ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Wärmestimulation über die Zeit in Form einer rechteckförmigen Intensitätsverteilung abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Wärmestimulation über die Zeit in Form einer sinusförmigen Intensitätsverteilung abgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusammenschau aller Bildelemente eines Wärmebildes eines Testobjektes als Phasenbild erst nach Ablauf einer Einschwingzeit erstellt wird, welches die Zeit ist, innerhalb derer ein zu beobachtendes Testobjekt sich aufgrund der periodischen Erwärmung sich nur noch um einen konstanten Temperaturmittelwert periodisch erwärmt und abkühlt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Darstellung einer Phase eines Bildelementes in Form einer Grauwertkodierung erfolgt.
Vorrichtung zur Materialprüfung mittels Wärmequelle zur Wärmebestrahlung von Testobjekten, wobei die Wärmestrahlung mittels einer Steuer-Einrichtung in ihrer Intensität gemäß einer Anregungsfrequenz periodisch modulierbar ist und auf ein zu prüfendes Testobjekt abgebbar ist und dieses dadurch periodisch erwärmbar und zu einer Eigenemission von Wärmestrahlen anregbar ist, wobei mittels einer Wärmekamera ein Wärmebild eines Testobjektes erstellbar ist, aus dem mittels einer Zeitgebereinheit ein Phasenbild eines Testobjektes erstellbar ist, bei dem für jedes einzelne Bildelement eine Phase darstellbar ist, die ein für diesen Punkt gemessenes Zeitintervall beschreibt, das sich ergibt als Differenz des Zeitpunktes einer definiert auf einen vorgegebenen Wert modulierten Temperatur der Wärmequelle und eines Zeitpunktes einer dieser vorgegebenen Temperatur zugeordneten gemessenen Oberflächentemperatur eines Testobjektes, dadurch gekennzeichnet, dass sukzessive zwei Wärme-Messvorgänge eines Testobjektes bei jeweils unterschiedlichen Anregungsfrequenzen durchführbar sind und die dabei erhaltenen Phasenbilder mittels einer Vergleichseinheit Bildelement für Bildelement differentiell bearbeitbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine differentielle Bearbeitungseinheit vorgesehen ist, um bei Phasenbildern eine Unterscheidung zwischen Materialstärke eines spezifischen ersten Materials und der Anwesenheit eines zweiten Materials zu ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsfrequenz eines ersten Messvorgangs doppelt so hoch gewählt ist wie die Anregungsfrequenz eines zweiten Messvorgangs.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Wärmestimulation über die Zeit in Form einer rechteckförmigen Intensitätsverteilung abgebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Wärmestimulation über die Zeit in Form einer sinusförmigen Intensitätsverteilung abgebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusammenschau aller Bildelemente eines Wärmebildes eines Testobjektes als Phasenbild erst nach Ablauf einer Einschwingzeit erstellbar ist, welches die Zeit ist, innerhalb derer ein zu beobachtendes Testobjekt sich aufgrund der periodischen Erwärmung sich nur noch um einen konstanten Temperaturmittelwert periodisch erwärmt und abkühlt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Darstellung einer Phase eines Bildelementes in Form einer Grauwertkodierung erfolgt.