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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsprüfung einer wärmeisolierenden Wand, insbesondere einer Wand eines Haushaltskältegeräts wie etwa eines Kühl- oder Gefrierschranks.
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Die Wand eines Kältegeräts hat im Allgemeinen eine feste Außenhaut, die im Falle einer Außenseite der Wand meist aus Blech oder aus aluminiumkaschierter Pappe, im Falle einer der Lagerkammer zugewandten Innenseite aus Kunststoff besteht. Die Außenhaut umschließt eine wärmeisolierende Füllung, die bei den meisten gegenwärtig auf dem Markt befindlichen Kältegeräten durch Einspritzen und Expandieren lassen von Polyurethan in einen von der Außenhaut umschlossenen Hohlraum erhalten ist.
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Bei einer solchen ausgeschäumten Kältegerätewand können Isolationsstörungen auftreten, wenn der isolierende Schaum den Hohlraum der Wand nicht vollständig ausfüllt, so dass darin makroskopische Hohlräume, auch als Lunker bezeichnet, verbleiben. In diesen Lunkern ist durch Konvektion ein wesentlich schnellerer Wärmetransport möglich als in den mikroskopischen Poren einer ordnungsgemäßen Schaumschicht.
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Aufgrund ihrer ausgezeichneten Isolationseigenschaften erfreuen sich Vakuumisolationspaneele im Kältegerätebau zunehmender Beliebtheit. Da diese Vakuumpaneele im allgemeinen nicht geeignet sind, um unmittelbar aus ihnen ein Kältegerätegehäuse zusammenzufügen, werden sie im allgemeinen verbaut, indem eine Außenhaut mit Spiel in der einen oder anderen Richtung um ein Vakuumisolationspaneel herum montiert wird und zwischen dem Vakuumisolationspaneel und der Außenhaut verbleibende Hohlräume in herkömmlicher Weise mit Polyurethan ausgeschäumt werden.
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Da diese Hohlräume im Allgemeinen enger sind als die einer nur durch Ausschäumen isolierten Wand, ist die Gefahr der Lunkerbildung hier noch erhöht. Es können aber noch weitere Fehler auftreten, die die Isolationswirkung oder das Erscheinungsbild der Wand beeinträchtigen. Wenn zum Beispiel die Verklebung des Vakuumpaneels an einer Seite der Außenhaut unvollständig ist, dann führen thermische Spannungen, die auf eine sich im Betrieb des Geräts in der Wand ausbildenden Temperaturgradienten zurückgehen, dazu, dass wenn das Gerät einige Stunden lang betrieben worden ist, die Außenhaut sich lokal von dem Vakuumisolationspaneel abspreizt und sichtbare Wellen oder Beulen bildet. Das gleiche Problem kann sich bei einem Coldwall-Kältegerät im Falle einer unvollständigen Verklebung eines in der Wand zwischen Außenhaut und Isolationsmaterialfüllung angeordneten Verdampfers ergeben.
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Denkbar ist auch, dass ein Vakuumisolationspaneel bei seinem Einbau in der Kältegerätewand oder bei einem anschließenden Ausschäumen der verbleibenden Hohlräume der Wand Schaden nimmt. Wenn dies geschieht und Luft in das Paneel eindringt, nimmt dessen Wärmeleitfähigkeit erheblich zu. Zu erkennen ist dies gegenwärtig im wesentlichen nur daran, dass bei einem von einem solchen Defekt betroffenen Kältegerät der Verdichter wesentlich länger läuft, als bei ordnungsgemäßer Isolation zu erwarten wäre, und das Gerät dementsprechend einen hohen Energieverbrauch aufweist. Um dies zuverlässig zu erkennen, ist eine mehrstündige Funktionsprüfung erforderlich, die in einen automatisierten Produktionsablauf nur schwerlich zu integrieren ist.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Qualitätsprüfung anzugeben, das die Erkennung von Mängeln in einer wärmeisolierenden Wand zerstörungsfrei und in kurzer Zeit ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten:
- a) Erwärmen, insbesondere partielles Erwärmen einer Oberfläche der Wand, und
- c) Erfassen einer aus der Erwärmung resultierenden Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Wand.
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Fertigungsfehler wie Lunker, ungleichmäßige Verklebung etc. führen dazu, dass die Geschwindigkeit, mit der auf die Oberfläche aufgebrachte Wärme sich ins Innere der Wand hinein ausbreitet, lokal verändert. Während in einem Lunker an der Oberfläche erwärmtes Gas strömen und so seine Wärme in kurzer Zeit über große Entfernungen transportieren kann, wird dies in einer ordnungsgemäßen Isolierschaumschicht durch Wände zwischen den Poren verhindert. Die Oberfläche über einem Lunker kühlt daher schneller ab als die über einer ordnungsgemäßen Schaumschicht. Im Gegensatz dazu behindert eine mangelhafte Verklebung den Fluss der Wärme in die Wand hinein, so dass über einem Klebfehler eine langsamere Abkühlung als an benachbarten, korrekt verklebten Wandbereichen erkennbar ist. Ein defektes Vakuumpaneel ist daran erkennbar, dass sich seine Abkühlung nicht wesentlich von der benachbarter, lediglich mit expandiertem Schaum hinterfüllter Wandbereiche unterscheidet.
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Zwischen den Schritten a) und c) findet zweckmäßigerweise ein Schritt b) des Beendens des Erwärmens und des Eindringenlassens der Wärme in die Wand statt. Die optimale Dauer dieses Schrittes, der typischerweise zwischen 100 Millisekunden und einigen Sekunden betragen kann, hängt vom Aufbau der zu untersuchenden Wand ab, wobei man im allgemeinen eine umso kürzere Eindringzeit wählen wird, je dünner eine der Erwärmung ausgesetzte Außenhaut der Wand ist.
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Um die Qualität der Wand zu beurteilen, wird zweckmäßigerweise die erfasste Temperaturverteilung mit einer Soll-Verteilung verglichen, und die Qualität der Wand wird als unzureichend beurteilt, falls die erfasste Temperaturverteilung signifikant von der Soll-Verteilung abweicht. Eine solche Abweichung kann zum Beispiel darin bestehen, dass Teilbereiche der Wand signifikant von ihrer Umgebung abweichende, auf das Vorliegen von Lunkern oder Klebefehlern hinweisende Temperaturen aufweisen. Eine Abweichung von einer Soll-Verteilung kann aber auch darin bestehen, dass ein an sich zu erwartender Umriss eines in der Wand verbauten Vakuumpaneels in der erfassten Temperaturverteilung nicht oder nicht hinreichend deutlich erkennbar ist.
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Wenn der Schritt des Erfassens der Temperaturverteilung mehrfach mit jeweils unterschiedlichen Zeitabständen zum Schritt des Erwärmens ausgeführt wird, kann aus unterschiedlichen zeitlichen Entwicklungen der Temperatur auf die Art des Fehlers oder auch auf die Entfernung einer fehlerhaften Stelle von der erwärmten Oberfläche rückgeschlossen werden.
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Es ist daher auch möglich, allein aus der zeitlichen Entwicklung der Temperatur an einem gegebenen Ort der Wand auf das Vorliegen eines Fehlers an diesem Ort zu schließen.
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Um ein schnell und mit hinreichender Genauigkeit messbares Temperatursignal zu erhalten, ist die in Schritt a) aufgebrachte Wärmemenge vorzugsweise bemessen, um die Oberfläche um mehrere Grad Celsius zu erwärmen. Um eine Schädigung der Oberfläche auszuschließen, sollte die Erwärmung über mehrere zehn Grad Celsius nicht hinaus gehen.
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Die Dauer des Schritts des Erwärmens sollte maximal 100 Millisekunden betragen. So kann sichergestellt werden, dass die Tiefe, bis in die die Wärme noch während des Erwärmen in die Wand eindringt, klein ist im Vergleich zur erwarteten Tiefe der Fehler, so dass diese in der Folge einem starken Temperaturgradienten ausgesetzt sind und die Entwicklung der Temperatur an der Oberfläche in einem gut messbaren Ausmaß beeinflussen.
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Eine zweckmäßige Möglichkeit zum Erwärmen der Oberfläche ist das Beleuchten mit einem Blitz. Auf diese Weise kann eine große Oberfläche, vorzugsweise eine vollständige Wand, in kürzester Zeit gleichmäßig erwärmt werden.
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Um die daraus resultierende Temperaturverteilung mit einer auf der gesamten erwärmten Oberfläche einheitlichen Verzögerung zu erfassen, ist die Verwendung einer Infrarotkamera zweckmäßig.
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Eine alternative Möglichkeit ist, die Oberfläche zum Erwärmen mit einer darüber bewegten Strahlungsquelle abzutasten. Die Dauer der Erwärmung hängt dann von der Abtastgeschwindigkeit der Strahlungsquelle und der Ausdehnung ihres Strahls in Abtastrichtung ab.
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Um die Erwärmung zu erfassen, ist es zweckmäßig, einen Infrarotdetektor in gleicher Weise wie die Strahlungsquelle über die Oberfläche zu bewegen.
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Strahlungsquelle und Infrarotdetektor können dabei in einer Baueinheit zusammengefasst sein, so dass die Zeitverzögerung zwischen Erwärmung und Erfassung der resultierenden Temperaturverteilung durch den Abstand von Strahlungsquelle und Infrarotdetektor und ihre gemeinsame Abtastgeschwindigkeit bestimmt ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Anordnung zur Qualitätsprüfung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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2 ein mit der Anordnung der 1 erhaltenes Wärmebild einer fehlerfreien Wand;
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3 ein Wärmebild einer Wand mit Lunkern;
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4 ein Wärmebild einer Wand mit Klebfehlern;
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5 einen schematischen Schnitt durch eine ein Vakuumisolationspaneel enthaltende Kältegerätewand;
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6 ein Wärmebild, das von der Wand aus 5 erhalten wird, wenn das Vakuumisolationspaneel intakt ist;
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7 ein Wärmebild, das von der Wand aus 5 erhalten wird, wenn das Vakuumisolationspaneel defekt ist;
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8 eine zu 1 analoge Ansicht einer zweiten Anordnung; und
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9 exemplarische zeitliche Entwicklungen der Oberflächentemperatur an einer fehlerfreien Wandstelle bzw. an mit unterschiedlichen Fehlern behafteten Wandstellen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung zur Qualitätsprüfung von Wänden eines Korpus 1 eines Haushaltskältegeräts. Die Anordnung umfasst eine leistungsstarke Infrarot-Blitzlampe 2, die vorzugsweise in der Lage ist, Blitze mit einem Energieinhalt von mehreren Joule, vorzugsweise mehreren zehn Joule, zu erzeugen. Parallel zur Strahlachse der Blitzlampe 2 ist eine Infrarotkamera 3 angeordnet. Die Anordnung von Blitzlampe 2 und Kamera 3 ist hier auf eine Außenseite einer Seitenwand 4 des Gehäuses 1 ausgerichtet dargestellt, doch versteht sich, dass sie auch auf die Rückseite des Gehäuses 1 ausgerichtet sein könnte beziehungsweise in einem Innenraum 5 des Gehäuses 1 platziert sein könnte, um die Innenflächen der Seitenwände 4 oder der Rückwand zu untersuchen. Die Anordnung ist natürlich auch zur Untersuchung einer – hier nicht dargestellten – Tür des Kältegeräts geeignet.
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Die Blitzlampe 2 und die Kamera 3 sind hier im wesentlichen auf einer Oberflächennormalen 6 eines Mittelpunkts der untersuchten Seitenwand 4 angeordnet, um die Seitenwand 4 mit einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung zu beleuchten und die resultierende Wärmeverteilung der gesamten Wandoberfläche mit einem einzigen Bild der Kamera 3 erfassen zu können. Es ist jedoch auch denkbar, Blitzlampe 2 und Kamera 3 der Reihe nach an verschiedenen Stellen vor der Seitenwand 4 zu platzieren, um nacheinander verschiedene Teilbereiche der Seitenwand 4 zu untersuchen, falls die Leistung der Blitzlampe 2 nicht ausreicht, um auf der gesamten Fläche der Seitenwand 4 mit einem Blitz eine mit der Kamera 3 sicher erfassbare Temperaturerhöhung zu bewirken.
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Im Idealfall würde die Blitzlampe 2 die gesamte Oberfläche der Seitenwand 4 mit einem Blitz gleichmäßig erwärmen. In der Praxis nimmt die Intensität des Blitzes mit zunehmender Entfernung von der optischen Achse der Blitzlampe 2 ab, so dass die Erwärmung an den Rändern der Wand 4 etwas schwächer ist als in der Mitte. Dies wirkt sich zwar auf die erhaltenen Wärmebilder aus, es erschwert jedoch nicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Unter Umständen kann die etwas inhomogene Erwärmung sogar nützlich sein, wie im Folgenden noch deutlich wird.
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2 zeigt schematisch ein Wärmebild der Seitenwand 4, wie es typischerweise nach Erwärmen durch einen Blitz der Blitzlampe 2 und kurzzeitigem Eindringenlassen der Wärme in die Wand 4 mit der Kamera 3 erhalten werden könnte. Dabei stellen die Linien 7, die sich in der Fig. über diese Fläche der Seitenwand 4 erstrecken, jeweils Linien gleicher Temperatur beziehungsweise Isothermen dar. In der Praxis wird dieses Bild meist farbig auf einem Anzeigeschirm angezeigt, wobei die Farbe, in der ein von zwei Isothermen 7 begrenzter Bereich der Wand 4 im Bild erscheint, repräsentativ für die in diesem Bereich gemessene Temperatur ist. Eine Schwarzweißdarstellung mit Isothermenlinien, wie in der Fig. dargestellt, ist für eine Auswertung jedoch durchaus ausreichend.
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Es liegt auf der Hand, dass wenn die Auswertung der von der Kamera 3 gelieferten Wärmebilddaten per Computer erfolgt, eine bildliche Darstellung dieser Daten, egal ob in Farbe oder als Isothermendiagramm, auch vollständig unterbleiben kann oder auf Fälle beschränkt werden kann, bei denen die Computerauswertung ergibt, dass ein Fehler vorliegt oder vorliegen könnte.
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Die höchste Temperatur wird in der Mitte der Seitenwand 4 erreicht, dort wo die Strahlachse der Blitzlampe 2 die Seitenwand 4 kreuzt. Von dort aus nimmt die Intensität des Blitzstrahls mit zunehmender Entfernung von der Strahlachse in alle Richtungen gleichmäßig ab, was dazu führt, dass die Isothermen 7 in 2 ein Muster von konzentrischen Ringen bilden. Wenn die Qualität der Wand 4 gut ist, dann ist die Geschwindigkeit, mit der die auf ihre Oberfläche aufgebrachte Wärme sich in die Wand 4 hinein verteilt, überall im Wesentlichen gleich. Folglich ändern sich im Laufe der Zeit zwar in dem Maße, wie die Oberfläche abkühlt, die Durchmesser der einzelnen Isothermen 7; das Muster von konzentrischen Kreisen bleibt jedoch stets dasselbe.
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3 zeigt ein zu 2 analoges Wärmebild der Seitenwand 4, das erhalten wird, wenn diese unterhalb eines die Außenhaut der Wand 4 bildenden Blechs in einer isolierenden Schaumstoffschicht mehrere Lunker aufweist. Die Positionen der Lunker 8 sind in 3 jeweils als gestrichelte Umrisse angedeutet. Wie bereits eingangs erläutert, begünstigen die Lunker 8 den Wärmeabfluss von der Oberfläche, was sich in dem Wärmebild der 3 darin widerspiegelt, dass die Isothermen in der Umgebung der Lunker 8 im Vergleich zu der in 2 gezeigten normalen Verteilung zur wärmeren Seite hin, d. h. zur Mitte der Wand 4 hin, verschoben sind. Die Verformung der Isothermen 7 in der Nähe der Lunker 8 ist leicht erkennbar und erlaubt eine schnelle Beurteilung der Wand 4 als fehlerhaft.
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Wenn zwischen der Außenhaut der Wand und einem darunter verborgenen Einbauelement wie etwa einem Verdampfer oder einem Vakuumisolationspaneel die Klebung lückenhaft ist, dann behindert die fehlende Verklebung den Abfluss der Wärme ins Innere der Wand. Ein für eine solche Situation exemplarisches Wärmebild ist in 4 gezeigt. In dem als gestrichelter Umriss eingezeichneten nicht verklebten Bereich 9 sind die Isothermen 7 gegenüber der normalen Verteilung der 2 zur kälteren Seite, nach außen, verformt.
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5 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Seitenwand 4 eines Kältegerätegehäuses, in der ein Vakuumisolationspaneel 10 verbaut ist. Das Vakuumisolationspaneel 10 ist in unmittelbarem Kontakt mit einem unmittelbaren flächigen Kontakt mit einem Außenwandblech 11 des Gehäuses 1 angeordnet und sollte mit diesem vollflächig verklebt sein. Teile des Querschnitts der Wand 4, die nicht durch das Vakuumisolationspaneel 10 ausgefüllt sind, sind mit Polyurethanschaum 12 verfüllt. Wenn das Vakuumisolationspaneel 10 korrekt auf seiner ganzen dem Außenwandblech zugewandten Oberfläche verklebt ist, dann sollte der Abfluss der Wärme auf der gesamten mit dem Vakuumisolationspaneel 10 hinterlegten Fläche des Außenwandblechs 11 deutlich langsamer ablaufen als in den lediglich mit dem PU-Schaum 12 hinterfüllten Bereichen. In einem solchen Fall wird ein Wärmebild erhalten, das entlang der Ränder des Vakuumisolationspaneels 10 einen steilen Temperaturgradienten beziehungsweise eine dichte Anordnung von Isothermen 7, wie in 6 gezeigt, aufweist. Wenn allerdings. das Vakuumisolationspaneel 10 beschädigt ist und sein Inneres nicht luftleer ist, unterscheidet sich seine Wärmeleitfähigkeit nicht wesentlich von der des PU-Schaums 12. Zahl und/oder Dichte der Isothermen 7 entlang der Ränder des Vakuumisolationspaneels 10 ist deutlich verringert, wie in 7 zu sehen. Hieraus kann auf einen Defekt des Paneels geschlossen werden.
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8 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer Anordnung zur Durchführung der Qualitätsprüfung gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem (nicht dargestellten), parallel zur zu untersuchenden Seitenwand 4 bewegbaren Rahmen sind eine stabförmige Strahlungsquelle 13, z. B. ein von einem rinnenförmigen Reflektor 14 umgebener Heizstab 15 sowie, parallel zu dieser Strahlungsquelle 13, eine IR-Detektorzeile 16 montiert. Im hier gezeigten Fall sind die Strahlungsquelle 13 und die Detektorzelle 14 horizontal langgestreckt und vertikal beweglich. Die Länge der Strahlungsquelle 13 und der Detektorzeile 16 ist mindestens so groß wie die jeweils größere Abmessung unter Tiefe und Breite des zu untersuchenden Korpus 1, so dass jede vertikale Außenfläche des Korpus 1 durch eine einzige Abtastbewegung des Gestells in vertikaler Richtung auf ihrer gesamten Fläche untersucht werden kann. Natürlich können auch Decke und Boden des Korpus 1 untersucht werden, indem der Rahmen mit Strahlungsquelle 13 und Detektorzeile 16 horizontal darüber hinweg bewegt wird.
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Bei ihrer Abtastbewegung erwärmt die Strahlungsquelle 13 stets jeweils einen schmalen horizontalen Streifen der Wand 4. Wenn der Rahmen entlang der Wand 4 aufwärts bewegt wird, verstreicht nach dem Ende des Erwärmens eines gegebenen Punkts der Wand 4 jeweils eine feste Zeitspanne, bis die Detektorzelle 14 diesen Punkt erreicht und seine Temperatur erfasst. Die für eine Untersuchung benötigte Zeit ist zwar bei der Anordnung der 8 etwas länger als bei der der 1, doch dafür ist mit Hilfe der stabförmigen Strahlungsquelle 13 eine sehr gleichmäßige Erwärmung der Wand 4 erreichbar, was die Auswahl der resultierenden Temperaturverteilung erleichtert, und es kann eine einfache, preiswerte und robuste Strahlungsquelle verwendet werden.
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9 zeigt schematisch die zeitliche Entwicklung der Oberflächentemperatur nach dem Erwärmen. Die Erwärmung ΔT ist am stärksten zum Zeitpunkt t = 0, unmittelbar nach Ende des Lichtblitzes von der Blitzlampe 2 beziehungsweise unmittelbar nachdem der Strahl der sich bewegenden Strahlungsquelle 13 den betrachteten Punkt der Oberfläche verlassen hat. Wenn sich die auf der Oberfläche aufgebrachte Wärme anschließend in einer als im wesentlichen homogen angenommenen Isolationsschicht der Wand verteilt, nimmt die Erwärmung ΔT im Laufe der Zeit exponentiell ab, wie durch eine durchgezogene Kurve 17 in 9 dargestellt. Eine lückenhafte Verklebung behindert grundsätzlich den Wärmeabfluss, so dass in diesem Fall, wie durch die Kurve 18 dargestellt, die Temperatur langsamer als normal abfällt. Befindet sich unmittelbar unter der bestrahlten Oberfläche ein Lunker, so nimmt die Temperatur schneller ab als im Fall der Normalkurve 17. Dieser Fall ist durch die punktierte Kurve 19 dargestellt. Es ist auch möglich, dass ein Lunker sich innerhalb der Isolationsmaterialschicht befindet. In diesem Fall verläuft die Abkühlung zunächst normal, und nach einer gewissen Zeit, die die Wärme benötigt, um in der Wand bis zu dem Lunker vorzudringen, setzt eine schnellere Abkühlung ein, wie durch die strichpunktierte Kurve 20 dargestellt. Aus der Zeit, zu der sich die Kurven 17, 20 zu unterscheiden beginnen, kann abgeschätzt werden, wie tief in der Wand 4 ein Lunker liegt.
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Unmittelbar nach Ende der Erwärmung ist die Temperatur zwar am höchsten, und die Infrarotstrahlung, auf der die Erfassung der Temperatur durch die Kamera 3 bzw. die Detektorzeile 14 basiert, ist am stärksten, so dass eine kurze Messzeit ausreicht, um ein rauscharmes Messsignal zu erhalten; allerdings unterscheiden sich die Kurven 17 bis 20 zu dieser Zeit auch noch wenig. Welches der ideale Messzeitpunkt ist, an dem vorhandene Fehler am sichersten erkennbar sind, hängt vom Aufbau der Wand 4 ab. Es kann daher zweckmäßig sein, für jedes Modell von zu untersuchender Wand 4 beziehungsweise je nach Art des gesuchten. Fehlers die Wartezeit zu optimieren oder von einer Wand 4 mehrere Wärmebilder mit jeweils unterschiedlichen Wartezeiten zu gewinnen. Im Falle der Anordnung der 1 ist dies auf einfache Weise möglich, indem nach einer Betätigung der Blitzlampe 2 nacheinander mehrere Wärmebilder aufgenommen werden. Bei der Anordnung der 8 kann, wie durch eine gestrichelt gezeichnete Detektorzeile 14' angedeutet, zur Realisierung unterschiedlicher Wartezeiten der Abstand zwischen Strahlungsquelle und Detektorzeile variiert werden, oder es können mehrere Detektorzeilen 14, 14' in unterschiedlichen Abständen von der Strahlungsquelle 13 vorgesehen werden, um mit eine einzigen Abtastung mehrere, jeweils unterschiedlichen Wartezeiten entsprechende Wärmebilder zu erhalten.
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Wenn mehrere zu verschiedenen Zeiten aufgenommene Temperaturverteilungen der Wand 4 vorliegen, dann ist es auch möglich, für jeden Punkt der Wand eine Abklingrate der Erwärmung zu berechnen. Die dabei gemessenen Raten werden in ein Histogramm sortiert, um die am häufigsten vorkommende Abklingrate zu ermitteln. Falls Punkte eine von dieser häufigsten Abklingrate deutlich nach oben oder unten abweichende Abklingrate aufweisen, sind sie wahrscheinlich fehlerhaft.