DE102013010116B4 - Method and device for measuring the directional emissivity of a component or specimen - Google Patents

Method and device for measuring the directional emissivity of a component or specimen Download PDF

Info

Publication number
DE102013010116B4
DE102013010116B4 DE102013010116.6A DE102013010116A DE102013010116B4 DE 102013010116 B4 DE102013010116 B4 DE 102013010116B4 DE 102013010116 A DE102013010116 A DE 102013010116A DE 102013010116 B4 DE102013010116 B4 DE 102013010116B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
component
specimen
camera
emissivity
measuring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102013010116.6A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102013010116A1 (en
Inventor
Boris Zubert
Abdellah Barioudi
Jan Rathmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH filed Critical Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Priority to DE102013010116.6A priority Critical patent/DE102013010116B4/en
Publication of DE102013010116A1 publication Critical patent/DE102013010116A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102013010116B4 publication Critical patent/DE102013010116B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0003Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiant heat transfer of samples, e.g. emittance meter
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/80Calibration
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J2005/0077Imaging

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

Verfahren zum Messen des gerichteten Emissionsgrades eines Bauteils oder Prüfkörpers, bei dem- an einem Referenzteil mit bekannter Geometrie und bekannter Emissivität die einfallende Lichtintensität Q (x, y) ermittelt wird, indem das Referenzteil mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierter Lichtquelle beleuchtet und dabei von einer mit einem Rechnersystem verbundenen IR-Kamera bekannter Position erfasst wird,- das Bauteil oder der Prüfkörper in mindestens einem Messbereich mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierter Lichtquelle sequentiell aus mindestens drei unterschiedlichen Positionen beleuchtet und dabei die Oberfläche Z (x, y) des Bauteils oder Prüfkörpers jeweils von der mit dem Rechnersystem verbundenen IR-Kamera bekannter Position erfasst wird,- für jeden Bildpunkt an den Stellen (x, y) der IR-Kamera die Intensität I (x, y) bei bekannter Richtung s = (s, s, s) des Lichts gemessen wird,- aus der Intensität I (x, y) und der Richtung des Lichtes s = (s, s, s) anschließend die Gradientensowie die Albedo p in jedem Bildpunkt berechnet werden mittels der Gleichungen für die drei Beleuchtungsrichtungen:wobeiist,- aus dem Zusammenhang 1 = p + e anschließend die gerichtete Emissivität e in jedem Bildpunkt bestimmt wird.Method for measuring the directional emissivity of a component or test specimen, in which the incident light intensity Q (x, y) is determined on a reference part of known geometry and emissivity by illuminating the reference part with a light source defined in terms of radiation intensity, direction and position and is detected by an IR camera of known position connected to a computer system, the component or the test body is sequentially illuminated from at least three different positions in at least one measuring range with a light source defined in terms of radiation intensity, direction and position and the surface Z ( x, y) of the component or specimen is respectively detected by the computer connected to the IR system known position, - for each pixel at the points (x, y) of the IR camera, the intensity I (x, y) in a known direction s = (s, s, s) of the light is measured, - from the Intensit t I (x, y) and the direction of the light s = (s, s, s), then the gradient and the albedo p in each pixel are calculated by means of the equations for the three directions of illumination: where ist, - from the relation 1 = p + e then the directional emissivity e in each pixel is determined.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des gerichteten Emissionsgrades eines Bauteils oder Prüfkörpers.The invention relates to a method and apparatus for measuring the directional emissivity of a component or specimen.

Aus der DE 28 39 107 ist ein Messverfahren bekannt, bei dem die Messoberfläche der Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers mit definierter Temperatur ausgesetzt wird. Der Wärmestrahler weist hierbei die Form eines sphärischen Halbraumes auf, um die Messfläche vollständig homogen ausleuchten zu können. Ein Teil der von der Messoberfläche reflektierten Wärmestrahlung tritt durch die Öffnung im Wärmestrahler hindurch und wird von einem Strahlungssensor erfasst. Auf diese Weise kann die Bestimmung der Emissivität beliebiger Oberflächen mit sehr kurzen Messzeiten und auch die Vermessung von strukturierten oder gekrümmten Oberflächen erfolgen.From the DE 28 39 107 For example, a measurement method is known in which the measurement surface is exposed to the heat radiation of a black body with a defined temperature. In this case, the heat radiator has the form of a spherical half-space in order to be able to illuminate the measuring area completely homogeneously. Part of the heat radiation reflected by the measurement surface passes through the opening in the heat radiator and is detected by a radiation sensor. In this way, the determination of the emissivity of any surface can be done with very short measurement times and also the measurement of structured or curved surfaces.

Zudem geht aus der EP 1 643 225 A1 eine Vorrichtung zum Messen der Emissivität als bekannt hervor, bei der ein kugelförmiger Hohlkörper mit einer Eintrittsöffnung für die von einer Infrarotstrahlungsquelle erzeugten Strahlungsenergie und mit einer der Eintrittsöffnung in Richtung der in den kugelförmigen Hohlkörper eintretenden Strahlungsenergie gegenüber liegenden Austrittsöffnung für letztere vorgesehen ist. Der kugelförmige Hohlkörper ist mit den Kanten der Austrittsöffnung auf ein Messobjekt schlüssig aufsetzbar. Von einem Strahlungsdetektor, der durch eine weitere zugeordnete Öffnung im Mantel des kugelförmigen Hohlkörpers positioniert und ausgangsseitig mit einem Rechnersystem gekoppelt ist, wird die vom Messobjekt in den kugelförmigen Hohlkörper reflektierte und von dessen Innenmantel vielfach gestreute Strahlungsenergie erfasst und mit einem im nachgeschalteten Rechnersystem gespeicherten Messwert der Emissivität eines bekannten Probeobjektes zur Berechnung der Emissivität des Messobjektes verglichen.In addition, goes from the EP 1 643 225 A1 a device for measuring the emissivity as known, in which a spherical hollow body is provided with an inlet opening for the radiation energy generated by an infrared radiation source and with one of the inlet opening in the direction of the entering into the spherical hollow body radiation energy outlet opening for the latter. The spherical hollow body can be placed in a conclusive manner with the edges of the outlet opening on a test object. From a radiation detector, which is positioned by a further associated opening in the shell of the spherical hollow body and coupled on the output side with a computer system, the radiant energy reflected by the measurement object in the spherical hollow body and often scattered by the inner shell is detected and stored with a stored in the computer system downstream measurement of Emissivity of a known sample object for calculating the emissivity of the measured object compared.

Weiterhin ist aus der DE 197 39 338 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der thermischen Emissivität bekannt, wobei ein Wärmestrahler und ein Sensor zur Messung wenigstens eines Teils der von einer mit dem Wärmestrahler angestrahlten Probefläche ausgehenden Wärmestrahlung vorgesehen sind und keine Referenzmessung durch Anstrahlung von Referenzflächen erforderlich ist, die die gleiche Temperatur wie die Probefläche aufweisen müssen.Furthermore, from the DE 197 39 338 A1 a device and a method for determining the thermal emissivity, wherein a heat radiator and a sensor for measuring at least a portion of the emanating from a radiated heat source sample surface heat radiation are provided and no reference measurement by irradiation of reference surfaces is required, the same temperature as must have the sample area.

Ferner ist in der DE 10 2005 018 254 A1 ein Verfahren zur Emissivitätskorrektur in Wärmebildern ungleichmässig temperierter Oberflächen mit örtlich schwankender Emissivität offenbart, bei dem ein Wärmebild mit realer Temperaturdarstellung erzeugt wird. Hierbei wird ein Wärmebild der gleichen Oberfläche mit homogen emittierender Beschichtung als Referenz verwendet, wobei angenommen wird, dass die Temperatur in jedem Punkt bekannt ist.Furthermore, in the DE 10 2005 018 254 A1 discloses a method for emissivity correction in thermal images of unevenly tempered surfaces with locally fluctuating emissivity, in which a thermal image with real temperature representation is generated. Here, a thermal image of the same surface with homogeneously emitting coating is used as a reference, assuming that the temperature is known at each point.

Bei den im Stand der Technik beschriebenen direkten Messverfahren und -vorrichtungen ist zum Teil eine Erwärmung der zu vermessenden Oberfläche eines Bauteils oder Prüfkörpers deutlich über die Umgebungstemperatur erforderlich. Bei indirekten Messverfahren oder Messvorrichtungen wird der Reflexionsgrad der Oberfläche zur Emissivitätsbestimmung ausgenutzt. Bereits geringe Abweichungen der Oberflächentopographie von einer ebenen Fläche können aufgrund des gerichteten Anteils der Reflexion zu Fehlern in der Emissivitätsberechnung führen. Mit den indirekten Messverfahren und -vorrichtungen, die das Absorptionsverhalten der Oberfläche auswerten, werden Gesamtemissionsgrade bestimmt. Eine Bestimmung des gerichteten Emissionsgrades im festen Wellenlängenband ist mit den indirekten Verfahren nicht möglich.In the case of the direct measuring methods and devices described in the prior art, heating of the surface to be measured of a component or test specimen significantly above the ambient temperature is sometimes necessary. For indirect measuring methods or measuring devices, the reflectance of the surface is used to determine the emissivity. Even small deviations of the surface topography from a flat surface can lead to errors in the emissivity calculation due to the directed part of the reflection. With the indirect measuring methods and devices, which evaluate the absorption behavior of the surface, total emission degrees are determined. A determination of the directional emissivity in the fixed wavelength band is not possible with the indirect methods.

Zur Vermessung der Topographie von Oberflächen von Bauteilen oder Prüfkörpern kann das bekannte Verfahren Shape from Shading (SfS) verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird ein Bauteil oder Prüfkörper in mindestens einem Messbereich mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierter Lichtquelle beleuchtet und von einer Kamera bekannter Position erfasst. Für Bauteile oder Prüfkörper, die im Sinne eines Lambertschen Strahlers reflektieren und eine homogene Albedo p aufweisen, kann aus den Grauwertverteilungen einer Aufnahme der Oberfläche auf die Oberflächenkrümmung rückgeschlossen werden.To measure the topography of surfaces of components or specimens, the known method shape from shading (SfS) can be used. In this method, a component or specimen is illuminated in at least one measuring range with respect to radiation intensity, direction and position defined light source and detected by a camera known position. For components or specimens that reflect in the sense of a Lambertian radiator and a homogeneous albedo p can be deduced from the gray value distributions of a recording of the surface on the surface curvature.

Das Rückstrahlvermögen einer diffus reflektierenden Oberfläche wird durch die Albedo p beschrieben. Für nichtleuchtende ebene Oberflächen entspricht die Albedo p dem Reflexionskoeffizienten r. Der Reflexionskoeffizient r hängt für einen opaken Körper mit der Emissivität e seiner Oberfläche zusammen. Der Zusammenhang lautet 1 = r + e.The reflectance of a diffusely reflecting surface is determined by the albedo p described. For non-luminous flat surfaces corresponds to the albedo p the reflection coefficient r , The reflection coefficient r depends on the emissivity for an opaque body e its surface together. The relation is 1 = r + e.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des gerichteten Emissionsgrades eines Bauteils oder Prüfkörpers zur Verfügung zu stellen. In diesem Zusammenhang wird weiterhin angestrebt, die Genauigkeit der Fehlerdetektion bei Verfahren zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen auf Oberflächenfehler und/oder innere Fehler zu steigern.The present invention has for its object to provide a method and an apparatus for measuring the directional emissivity of a component or specimen available. In this context, it is further desired to increase the accuracy of error detection in methods for nondestructive thermographic inspection of components for surface defects and / or internal defects.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Messen des gerichteten Emissionsgrades eines Bauteils oder Prüfkörpers, bei dem

  • - an einem Referenzteil mit bekannter Geometrie und bekannter Emissivität die einfallende Lichtintensität Q (x, y) ermittelt wird, indem das Referenzteil mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierter Lichtquelle beleuchtet und dabei von einer mit einem Rechnersystem verbundenen IR-Kamera bekannter Position erfasst wird (Kalibrierung),
  • - das Bauteil oder der Prüfkörper in mindestens einem Messbereich mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierter Lichtquelle sequentiell aus mindestens drei unterschiedlichen Positionen beleuchtet und dabei die Oberfläche Z (x, y) des Bauteils oder Prüfkörpers jeweils von der mit dem Rechnersystem verbundenen IR-Kamera bekannter Position erfasst wird,
  • - für jeden Bildpunkt (jedes Pixel) an den Stellen (x, y) des Sensors die Intensität I (x, y) (Grauwertverteilung) bei bekannter Richtung s = (sx, sy, sz) des Lichts gemessen wird,
  • - aus der Intensität I (x, y) und der Richtung des Lichtes s = (sx, sy, sz) anschließend die Gradienten p = Z x  und q = Z y
    Figure DE102013010116B4_0004
    sowie die Albedo p in jedem Bildpunkt berechnet werden mittels der Gleichungen für die drei Beleuchtungsrichtungen: I ( x , y ) = C K Q r cos Θ=ρ n s = ρ ( s z q s y p s x ) ,
    Figure DE102013010116B4_0005
    wobei n = 1 1 + p 2 + q 2 ( -p -q 1 )
    Figure DE102013010116B4_0006
    und CK die Kameraempfindlichkeit ist,
  • - aus dem Zusammenhang 1 = ρ + e anschließend die gerichtete Emissivität e in jedem Bildpunkt bestimmt wird.
This object is achieved by a method for measuring the directional emissivity of a component or specimen in which
  • - on a reference part with known geometry and known emissivity, the incident light intensity Q (x . y) is determined by illuminating the reference part with a light source defined in terms of radiation intensity, direction and position and thereby being detected by an IR camera of known position connected to a computer system (calibration),
  • - The component or the test specimen in at least one measuring range with respect to radiation intensity, direction and position defined light source sequentially illuminated from at least three different positions and thereby the surface Z (x . y) the component or specimen is in each case detected by the IR camera of known position connected to the computer system,
  • - for each pixel (each pixel) in the places (x . y) measuring the intensity I (x, y) (gray value distribution) in the known direction s = (s x , s y , s z ) of the light of the sensor,
  • - from the intensity I (x, y) and the direction of the light s = (s x , s y , s z ) then the gradients p = Z x and q = Z y
    Figure DE102013010116B4_0004
    as well as the albedo p in each pixel are calculated by means of the equations for the three directions of illumination: I ( x , y ) = C K Q r cos Θ = ρ n s = ρ ( s z - q s y - p s x ) .
    Figure DE102013010116B4_0005
    in which n = 1 1 + p 2 + q 2 ( -p -q 1 )
    Figure DE102013010116B4_0006
    and C K the camera sensitivity is,
  • - from the relationship 1 = ρ + e then the directional emissivity e is determined in each pixel.

Zur Fehlerminimierung werden statt drei Bildaufnahmen zur Berechnung der Albedo bevorzugt vier Bildaufnahmen mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierter Lichtquelle aufgenommen.In order to minimize the error, four image recordings with a light source defined with regard to radiation intensity, direction and position are taken instead of three image recordings for calculating the albedo.

Vorzugsweise übertreffen die Lichtquellen die thermische Eigenstrahlung des zu vermessenden Bauteils oder Prüfkörpers.Preferably, the light sources exceed the thermal radiation of the component or specimen to be measured.

Bevorzugt werden als Lichtquellen Wärmestrahler eingesetzt. Vorteilhaft werden als Lichtquellen Laser oder Breitbandstrahler verwendet.Radiant heaters are preferably used as light sources. Advantageously, lasers or broadband radiators are used as light sources.

Weiterhin wird bevorzugt ein Filtersystem verwendet, das den Spektralbereich der Lichtquellen auf den sensitiven Spektralbereich der Kamera beschränkt und die eingebrachte Energie reduziert. Als Filtersystem können Band Pass Filter, Kurz Pass Filter, Lang Pass Filter, Germaniumspiegel, Saphirglasfenster oder Kombinationen hieraus eingesetzt werden.Furthermore, a filter system is preferably used which limits the spectral range of the light sources to the sensitive spectral range of the camera and reduces the introduced energy. The filter system can be band pass filters, short pass filters, long pass filters, germanium mirrors, sapphire glass windows or combinations thereof.

Zur zeitlichen Begrenzung des Energieeintrages wird für jede Lichtquelle bevorzugt ein Shutter verwendet.To limit the time of energy input, a shutter is preferably used for each light source.

Die Beleuchtung des Bauteils oder Prüfkörpers erfolgt vorzugsweise mit homogenem, parallelem Licht.The lighting of the component or specimen is preferably carried out with homogeneous, parallel light.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird erfindungsgemäß zur zerstörungsfreien thermografischen Prüfung von Bauteilen oder Prüfkörpern auf Oberflächenfehler und/oder innere Fehler verwendet.The inventive method is used according to the invention for non-destructive thermographic testing of components or specimens for surface defects and / or internal defects.

Außerdem wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung zum Messen des gerichteten Emissionsgrades eines Bauteils oder Prüfkörpers,

  • - mit einem Referenzteil mit bekannter Geometrie und bekannter Emissivität, das von einer hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierten Lichtquelle zu beleuchten und dabei von einer mit einem Rechnersystem verbundenen IR-Kamera bekannter Position zur Ermittlung seiner Lichtintensität (Leuchtdichte) zu erfassen ist,
  • - mit mindestens drei Beleuchtungsanordnungen, die jeweils aus einer der hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierten Lichtquellen, einem Filtersystem und einem Shutter gebildet und
  • - an mindestens drei unterschiedlichen Positionen der Messvorrichtung so angeordnet sind, dass das Bauteil oder der Prüfkörper sequentiell aus mindestens drei unterschiedlichen Positionen direkt oder indirekt zu beleuchten ist, wobei
  • - mit der mit dem Rechnersystem verbundenen IR-Kamera bekannter Position die Oberfläche Z (x , y) des Bauteils oder Prüfkörpers in mindestens einem Messbereich bei jeder der mindestens drei sequentiellen Ausleuchtungen bildmäßig zu erfassen ist und
  • - dann von dem Rechnersystem zum einen aus mindestens drei Aufnahmen der IR- Kamera (16) die Gradienten p = Z x  und q = Z y
    Figure DE102013010116B4_0007
    der Oberfläche Z (x, y) des Bauteils in dem mindestens einen Messbereich mittels der Grauwertverteilungen für jeden Bildpunkt und
  • - aus den mindestens drei Aufnahmen der IR-Kamera die Albedo p für jeden Bildpunkt der Oberfläche Z (x, y) des Bauteils oder Prüfkörpers zu ermitteln und
  • - die gerichtete Emissivität e des Bauteils oder des Prüfkörpers aus dem Zusammenhang 1 = ρ + e für jeden Bildpunkt von dem Rechnersystem zu berechnen ist.
In addition, the object of the invention is achieved by a device for measuring the directional emissivity of a component or specimen,
  • with a reference part of known geometry and known emissivity to be illuminated by a light source defined in terms of radiation intensity, direction and position, and to be detected by an IR camera of a known position for determining its light intensity (luminance) connected to a computer system,
  • - With at least three lighting arrangements, each formed from one of the radiation intensity, direction and position defined light sources, a filter system and a shutter and
  • - Are arranged at at least three different positions of the measuring device so that the component or the specimen is sequentially directly or indirectly to illuminate from at least three different positions, wherein
  • - With the connected to the computer system IR camera known position the surface Z (x , y) of the component or specimen in at least one measuring range in each of the at least three sequential illuminations is to be detected imagewise and
  • - then from the computer system on the one hand at least three images of the IR camera ( 16 ) the gradients p = Z x and q = Z y
    Figure DE102013010116B4_0007
    the surface Z (x . y) of the component in the at least one measuring range by means of the gray scale distributions for each pixel and
  • - From the at least three shots of the IR camera the albedo p for every pixel of the surface Z (x . y) to determine the component or specimen and
  • - the directed emissivity e of the component or of the test specimen out of context 1 = ρ + e for each pixel to be calculated by the computer system.

Durch die sequentielle Verwendung mehrerer, an verschiedenen Positionen befindlicher Lichtquellen kann neben den Gradienten p = Z x  und q = Z y

Figure DE102013010116B4_0008
der Oberfläche Z (x, y) des Bauteils oder Prüfkörpers auch die Albedo p ermittelt werden.The sequential use of multiple, located at different positions light sources can in addition to the gradient p = Z x and q = Z y
Figure DE102013010116B4_0008
the surface Z (x . y) of the component or specimen also the albedo p be determined.

Aus den Gradienten p und q kann für jeden Punkt der Oberfläche Z (x, y) des Bauteils oder Prüfkörpers ein Normalenvektor aus der Gleichung: n = 1 1 + p 2 + q 2 ( p q 1 )

Figure DE102013010116B4_0009
berechnet werden.From the gradients p and q can for any point of the surface Z (x . y) of the component or specimen is a normal vector from the equation: n = 1 1 + p 2 + q 2 ( - p - q 1 )
Figure DE102013010116B4_0009
be calculated.

Für die Intensität ergibt sich somit die Gleichung: I ( x , y ) = C K Q r cos Θ=ρ n s = ρ ( s z q s y p s x )

Figure DE102013010116B4_0010
The intensity thus yields the equation: I ( x , y ) = C K Q r cos Θ = ρ n s = ρ ( s z - q s y - p s x )
Figure DE102013010116B4_0010

Bei bekannter Intensität I und bekannter Lichtrichtung s = (sx, sy, sz) können die drei Unbekannten p, q und ρ berechnet werden.With known intensity I and known light direction s = (s x , s y , s z ), the three unknowns p . q and ρ be calculated.

Für die Kameraempfindlichkeit CK wird in der Regel der Wert 1 festgelegt. Die einfallende Strahldichte Q ist aus der Kalibrierung bekannt, bei der folgende Ausgleichgleichung Verwendung gefunden hat: I ( x , y ) = C K Q ( x ,  y ) * rho * n * S

Figure DE102013010116B4_0011
mit

  • CK * Q (x, y) * rho: vereinfachte Albedo bei einer Bestimmung der Oberflächengradienten
  • I: von der IR-Kamera gemessene Strahldichte [W/sr * m2]
  • CK: Kameraempfindlichkeit
  • Q: einfallende Strahldichte [W/sr * m2]
  • rho: Reflexionsgrad der Referenzoberfläche [dimensionslose Verhältniszahl: 1 < rho < 0]
  • n: Normalvektor der Refenzoberfläche [dimensionslos]
  • S: Richtung des einfallenden Lichtes [m].
For the camera sensitivity C K is usually the value 1 established. The incident radiance Q is known from calibration in which the following equalization equation has been used: I ( x , y ) = C K Q ( x . y ) * rho * n * S
Figure DE102013010116B4_0011
With
  • C K * Q (x, y) * rho: simplified albedo for a determination of surface gradients
  • I: radiance measured by the IR camera [W / sr * m 2 ]
  • C K : Camera sensitivity
  • Q: incident radiance [W / sr * m 2 ]
  • rho: Reflectance of the reference surface [dimensionless ratio: 1 <rho <0]
  • n: normal vector of the reference surface [dimensionless]
  • S: direction of the incident light [m].

Es wird somit ermöglicht, mittels SfS den Gradienten von Oberflächen zu berechnen, die keine homogene Albedo besitzen.It is thus possible to calculate by means of SfS the gradient of surfaces that do not have a homogeneous albedo.

Von Wichtigkeit ist, dass bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Schattenbildung und spiegelnde Reflexe vermieden werden und nur eine diffuse Reflexion erhalten wird. Höhen der Topographie der Oberfläche des Bauteils oder Prüfkörpers müssen stets relativ zu einem Bezugspunkt erfasst werden, und die Gradienten müssen in jedem Bildpunkt (Pixel) der zu vermessenden Oberfläche definiert sein, d.h., die zu vermessende Oberfläche Z(x,y) darf keine Sprünge aufweisen.Of importance is that in carrying out the method according to the invention a shadowing and specular reflections are avoided and only a diffuse reflection is obtained. Heights of the topography of the surface of the component or specimen must always be detected relative to a reference point, and the gradients must be defined in each pixel of the surface to be measured, ie the surface Z (x, y) to be measured must not cracks exhibit.

Wesentliche Vorteile der Erfindung bestehen in der verbesserten Detektion von Fehlern bei thermografischen Prüfverfahren. Inhomogene Emissivitäten stellen bei der zerstörungsfreien thermografischen Prüfung häufig Störungen dar, die die Fehlerdetektion erschweren. Ein Abgleich der thermografischen Rohdaten zur Ermittlung von Temperaturen aus den gemessenen Strahlungen ist erstrebenswert und bei bekannter ortsaufgelöster Emissivität möglich. Die Emissivität kann ohne eine Erwärmung des Bauteils oder Prüfkörpers auch bei Abweichungen der Oberflächentopologie von der Ebene ermittelt werden.Significant advantages of the invention are the improved detection of defects in thermographic inspection methods. Inhomogeneous emissivities are often disturbances in non-destructive thermographic testing which make fault detection more difficult. An adjustment of the raw thermographic data for the determination of temperatures from the measured radiations is desirable and possible with known spatially resolved emissivity. The emissivity can be determined without heating the component or specimen even if the surface topology deviates from the plane.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen sind:

  • 1 ein Diagramm entsprechend dem Diagramm des Planckschen Strahlungsspektrums,
  • 2 eine schematische Seitenansicht eines Versuchsaufbaus für die Durchführung von Vorversuchen,
  • 3 eine schematische Schnittansicht einer Beleuchtungsanordnung,
  • 4 eine schematische Draufsicht einer Beleuchtungsanordnung,
  • 5 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen des gerichteten Emissionsgrades,
  • 6 eine schematische Ansicht der Befestigung einer Beleuchtungsanordnung an einer quadratischen Grundplatte,
  • 7 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen des gerichteten Emissionsgrades,
  • 8 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen des gerichteten Emissionsgrades,
  • 9 ein schematisches Schaltbild einer einzelnen Aufnahme,
  • 10 ein schematisches Blockschaltbild, aus dem der Ablauf einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hervorgeht, und
  • 11 ein schematisches Blockschaltbild, aus dem der Ablauf einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ersichtlich ist.
  • 1 zeigt ein Diagramm des Planckschen Strahlungsspektrums, in dem das sensitive Spektralband einer IR-Kamera 16, das den Wellenlängenbereich von 2,5 µm bis 5,1 µm umfasst, kenntlich gemacht ist.
The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. In these are:
  • 1 a diagram corresponding to the diagram of Planck's radiation spectrum,
  • 2 a schematic side view of a test setup for the implementation of preliminary tests,
  • 3 a schematic sectional view of a lighting arrangement,
  • 4 a schematic plan view of a lighting arrangement,
  • 5 a schematic plan view of a first embodiment of a device for measuring the directional emissivity,
  • 6 a schematic view of the attachment of a lighting assembly to a square base plate,
  • 7 a schematic sectional view of a second embodiment of the device for measuring the directional emissivity,
  • 8th a schematic sectional view of a third embodiment of the device for measuring the directional emissivity,
  • 9 a schematic diagram of a single recording,
  • 10 a schematic block diagram showing the sequence of a first embodiment of the method according to the invention, and
  • 11 a schematic block diagram showing the sequence of a second embodiment of the method according to the invention.
  • 1 shows a diagram of Planck's radiation spectrum, in which the sensitive spectral band of an IR camera 16 , which includes the wavelength range from 2.5 microns to 5.1 microns, is identified.

Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz ergibt sich die Strahlungsleistung M, die ein Schwarzer Körper in Abhängigkeit seiner Temperatur T in einem Wellenlängenbereich λ pro Flächeneinheit von sich gibt, aus folgender Gleichung:

Figure DE102013010116B4_0012

  • c = Lichtgeschwindigkeit
  • h = Plancksche Wirkungsquantum (eine Konstante)
  • k = Planck-Boltzmannsche Konstante (unabhängig von der Stoffart)
  • c1, c2 = Konstante sind.
According to Planck's Law of Radiation, the radiation power M results, which is a black body as a function of its temperature T in a wavelength range λ per unit area, from the following equation:
Figure DE102013010116B4_0012
  • c = speed of light
  • h = Planck's constant of action (a constant)
  • k = Planck-Boltzmann constant (regardless of the material type)
  • c 1 , c 2 = constant.

Die Abschätzung der Strahlungsleistung eines Prüfkörpers beträgt beispielsweise im Frequenzband zwischen 3µm und 5µm bei 300 K: M G = 1 / 2 ( M 3 + M 5 ) 2   μ m = 2 ,684 W / ( m 2 sr ) ,

Figure DE102013010116B4_0013
wobei M 3 ( 3 μ m ,   300 K ,  sr ) = 0,057 W / ( μ m sr )
Figure DE102013010116B4_0014
M 5 ( 5 μ m ,   300 K ,  sr ) = 2,627 W / ( μ m sr )
Figure DE102013010116B4_0015
The estimation of the radiant power of a test specimen is, for example, in the frequency band between 3 μm and 5 μm at 300 K: M G = 1 / 2 ( M 3 + M 5 ) 2 μ m = 2 , 684 W / ( m 2 sr ) .
Figure DE102013010116B4_0013
in which M 3 ( 3 μ m . 300 K . sr ) = 0.057 W / ( μ m sr )
Figure DE102013010116B4_0014
M 5 ( 5 μ m . 300 K . sr ) = 2,627 W / ( μ m sr )
Figure DE102013010116B4_0015

Die Voraussetzungen für die Bestimmung der Emissivität eines Prüfkörpers 1 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sind:

  1. 1. Die Strahlungsleistung jeder Lichtquelle 2, 3, 4, 5 muss so gering sein, dass sich der Prüfkörper 1 nur minimal erwärmt.
  2. 2. Die Strahlungsleistung jeder Lichtquelle 2, 3, 4, 5 ist hoch genug, dass die Eigenstrahlung des Prüfkörpers 1 vernachlässigbar ist.
The conditions for determining the emissivity of a specimen 1 according to the method of the invention are:
  1. 1. The radiation power of each light source 2 . 3 . 4 . 5 must be so small that the test specimen 1 only minimally heated.
  2. 2. The radiation power of each light source 2 . 3 . 4 . 5 is high enough that the self-radiation of the specimen 1 is negligible.

Im vorliegenden Beispiel beträgt die Eigenstrahlung des Prüfkörpers 1 ca. 2,7 W/m2. Bei einer Überstrahlung um den Faktor 10, d. h. einer Beleuchtung mit ca. 27 W/m2, liegt der Fehler bei der Bestimmung der Emissivität des Prüfkörpers 1 bei maximal 10 %, hervorgerufen durch die Emission des Prüfkörpers 1 selbst. Bei einer Überstrahlung um den Faktor 100 liegt der Fehler bei der Bestimmung der Emissivität des Prüfkörpers 1 bei maximal 1 %.

  • 3. Die Lichtquellen 2, 3, 4, 5 liegen im sensitiven Spektralbereich der IR-Kamera 16.
In the present example, the self-radiation of the test specimen is 1 about 2.7 W / m 2 . In an over-radiation by the factor 10 , ie a lighting with about 27 W / m 2 , the error lies in determining the emissivity of the specimen 1 at a maximum of 10%, caused by the emission of the test specimen 1 itself. In an overexposure to the factor 100 the error lies in the determination of the emissivity of the specimen 1 at a maximum of 1%.
  • 3. The light sources 2 . 3 . 4 . 5 lie in the sensitive spectral range of the IR camera 16 ,

Aus 2 geht schematisch eine Seitenansicht eines Versuchsaufbaus für die Durchführung von Vorversuchen hervor. Der Aufbau besteht aus einer Lichtquelle 2, einem Filtersystem 6, einem Shutter 7 und einem Prüfkörper 1. Als Lichtquelle 2 findet ein herkömmlicher Breitbandstrahler (Siliziumnitrid) mit einer nominalen Leistung von 30 W Verwendung. Auch können Breitbandstrahler mit bis zu 70 W eingesetzt werden, wobei für Messungen nominale Leistungen im Bereich von 20 W - 40 W vorteilhaft sind. Der Emitter strahlt in einem breiten Spektralbereich ab.Out 2 schematically shows a side view of a test setup for the implementation of preliminary tests. The structure consists of a light source 2 , a filter system 6 a shutter 7 and a specimen 1 , As a light source 2 finds a conventional broadband radiator (silicon nitride) with a nominal power of 30 W use. It is also possible to use broadband radiators with up to 70 W, with nominal powers in the range of 20 W-40 W being advantageous for measurements. The emitter radiates in a wide spectral range.

Um die thermische Eigenstrahlung des zu prüfenden Bauteils 1 gering zu halten, gilt es, ein Aufheizen des zu prüfenden Objektes während der Beleuchtung zu vermeiden. Hierzu muss die eingebrachte Energie minimal gehalten werden. Dies geschieht durch die Verwendung eines Filtersystems 6, das den Spektralbereich der Lichtquelle 2 auf den Spektralbereich der IR-Kamera 16 beschränkt. Das Filtersystem 6, das den breiten Spektralbereich des Emitters auf einen gewünschten Wellenlängenbereich beschränkt, ist hinter der Lichtquelle 2 angeordnet, wobei ein Teil der nominalen Leistung des Emitters verloren geht. Das Maximum in µm der Kurve des Spektralbereichs des Strahlers sollte im Bereich des IR-Strahlers von 2,5µm-5,1µm liegen. Dies gilt für eine Temperatur von ca. 800 K.To the thermal radiation of the component to be tested 1 To keep low, it is important to avoid heating the object to be tested during the lighting. For this purpose, the introduced energy must be kept to a minimum. This is done by using a filter system 6 , which is the spectral range of the light source 2 on the spectral range of the IR camera 16 limited. The filter system 6 , which limits the broad spectral range of the emitter to a desired wavelength range, is behind the light source 2 arranged, wherein a portion of the nominal power of the emitter is lost. The maximum in μm of the spectral range of the radiator should be in the range of the IR radiator of 2,5μm-5,1μm. This applies to a temperature of approx. 800 K.

Als Filtersystem 6 können Band Pass Filter, Kurz Pass Filter, Lang Pass Filter, Germaniumspiegel, Saphirglasfenster oder Kombinationen hieraus eingesetzt werden.As a filter system 6 Band pass filters, short pass filters, long pass filters, germanium mirrors, sapphire glass windows or combinations of these can be used.

Da der Emitter kontinuierlich abstrahlt, ist hinter dem Filtersystem 6 ein mechanischer Shutter 7 angeordnet, der eine Verschlusszeit im Bereich von 1 ms - 20 ms aufweist. Der mechanische Shutter 7 begrenzt den Energieeintrag des Emitters zeitlich. Der Energieimpuls kann auf diese Weise im Sinne eines Fotoblitzes gering gehalten werden. Um eine Erwärmung des Shutters 7 zu verhindern, kann dieser durch eine Kühlvorrichtung, die in 3 nicht dargestellt ist, gekühlt werden.As the emitter radiates continuously, is behind the filter system 6 a mechanical shutter 7 arranged having a shutter speed in the range of 1 ms - 20 ms. The mechanical shutter 7 limits the energy input of the emitter in time. The energy pulse can be kept low in this way in the sense of a Fotoblitzes. To warm the shutter 7 This can be prevented by a cooling device that is in 3 not shown, to be cooled.

Hinter dem Shutter 7 beträgt die Leistung der eingebrachten Energie einen Wert von 3 W, der oberhalb des bauteilabhängigen Sollwertes von ca. 2,7 W/m2 liegt.Behind the shutter 7 the power of the introduced energy is a value of 3 W, which is above the component-dependent setpoint of approximately 2.7 W / m 2 .

Aus 3 geht schematisch eine Schnittansicht einer Beleuchtungsanordnung 20 hervor. Auf einer Grundplatte 18 mit einer kreisförmigen Öffnung ist ein Haltering 17 montiert, der das Filtersystem 6 und die Lichtquelle 2 umfänglich einfasst. An einer Seite der Grundplatte 18 ist ein Klemmscharnier 19 zur Befestigung der Beleuchtungsanordnung 20 angeordnet. Unterhalb der Grundplatte 18 ist der Shutter 7 angeordnet.Out 3 schematically a sectional view of a lighting arrangement 20 out. On a base plate 18 with a circular opening is a retaining ring 17 mounted, the filter system 6 and the light source 2 circumferentially. On one side of the base plate 18 is a clamping hinge 19 for fixing the lighting arrangement 20 arranged. Below the base plate 18 is the shutter 7 arranged.

In 4 ist eine schematische Draufsicht auf die Beleuchtungsanordnung 20 dargestellt. Die Lichtquelle 2 ist von dem Haltering 17, der auf der Grundplatte 18 montiert ist, umfänglich eingefasst.In 4 is a schematic plan view of the lighting arrangement 20 shown. The light source 2 is from the retaining ring 17 on the base plate 18 is mounted, circumferentially edged.

5 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen des gerichteten Emissionsgrades. In der Mitte der Messvorrichtung ist die Grundplatte 18, die hier quadratisch ausgebildet ist, mit einer Bohrung zur Aufnahme der IR-Kamera 16 angeordnet, die in 5 nicht dargestellt ist. An den Seiten der quadratischen Grundplatte 18 sind vier Beleuchtungsanordnungen 20 gemäß 4 befestigt. 5 schematically shows a plan view of a first embodiment of a device for measuring the directional emissivity. In the middle of the measuring device is the base plate 18 , which is square here, with a bore for receiving the IR camera 16 arranged in 5 not shown. On the sides of the square base plate 18 are four lighting arrangements 20 according to 4 attached.

Aus 6 geht schematisch eine Ansicht der Befestigung einer Beleuchtungsanordnung 20 an der quadratischen Grundplatte 18 hervor. Diese erfolgt über das Klemmscharnier 19 zur Ausrichtung der Beleuchtungsanordnung 20. Bevorzugt wird die Beleuchtungsanordnung 20 um 20° aus der Horizontalen geschwenkt, so dass die Ausleuchtung des Prüfkörpers 1 mit homogenem, parallelen Licht unter einem Winkel von 70° erfolgt.Out 6 schematically a view of the attachment of a lighting arrangement 20 at the square base plate 18 out. This is done via the clamping hinge 19 for aligning the lighting arrangement 20 , The lighting arrangement is preferred 20 pivoted by 20 ° from the horizontal, allowing the illumination of the specimen 1 with homogeneous, parallel light at an angle of 70 °.

In 7 ist schematisch eine Schnittansicht auf eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zu Messen des gerichteten Emissionsgrades gezeigt. Der Prüfkörper 1 ist in mindestens einem Messbereich 23 mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und - position definierter Lichtquelle 2, 3, 4, 5 direkt zu beleuchten und von der IR-Kamera 16 bekannter Position zu erfassen. Die Beleuchtung erfolgt sequentiell im sensitiven Spektralbereich der IR-Kamera 16 aus vier verschiedenen Positionen.In 7 1 is a schematic sectional view of a second embodiment of the device for measuring the directional emissivity. The test piece 1 is in at least one measuring range 23 with a light source defined in terms of radiation intensity, direction and position 2 . 3 . 4 . 5 directly to light and from the IR camera 16 known position. Illumination takes place sequentially in the sensitive spectral range of the IR camera 16 from four different positions.

Aus 8 geht schematisch eine Schnittansicht auf eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen des gerichteten Emissionsgrades hervor. Die sequentielle Ausleuchtung des Prüfkörpers 1 erfolgt indirekt über einen Parabolspiegel 22 in mindestens einem Messbereich 23 mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierter Lichtquelle 2, 3, 4, 5. Die Beleuchtung erfolgt sequentiell im sensitiven Spektralbereich der IR-Kamera 16 aus vier verschiedenen Positionen.Out 8th schematically shows a sectional view of a third embodiment of the device for measuring the directional emissivity. The sequential illumination of the test specimen 1 takes place indirectly via a parabolic mirror 22 in at least one measuring range 23 with a light source defined in terms of radiation intensity, direction and position 2 . 3 . 4 . 5 , Illumination takes place sequentially in the sensitive spectral range of the IR camera 16 from four different positions.

9 zeigt ein schematisches Schaltbild einer einzelnen Aufnahme. Nach Einschaltung der Lichtquelle 2 wird der Shutter 7 geöffnet, von der IR-Kamera 16 ein Bild 11 der Oberfläche Z (x, y) des Prüfkörpers 1 aufgenommen und der Shutter 7 anschließend wieder geschlossen. Die Dauer für die Öffnung des Shutters 7, die Bildaufnahme der IR-Kamera 16 sowie die Schließung des Shutters 7 beträgt insgesamt ca. 20 ms. Der Energieeintrag wird somit auf einen kurzen Zeitraum beschränkt, so dass sich die Oberfläche Z (x, y) des Prüfkörpers 1 nur minimal erwärmt. 9 shows a schematic diagram of a single shot. After switching on the light source 2 becomes the shutter 7 opened, from the IR camera 16 a picture 11 the surface Z (x . y) of the test piece 1 taken and the shutter 7 then closed again. The duration for the opening of the shutter 7 , the image capture of the IR camera 16 as well as the closure of the shutter 7 total is about 20 ms. The energy input is thus limited to a short period of time, so that the surface Z (x . y) of the test piece 1 only minimally heated.

10 zeigt ein schematisches Blockschaltbild aus dem eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hervorgeht. Sequentiell werden insgesamt vier Bilder 11, 12, 13, 14 von der IR-Kamera 16 bei Beleuchtung des Bauteils oder Prüfkörpers 1 mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierter Lichtquelle 2, 3, 4, 5 aus vier unterschiedlichen Positionen aufgenommen. 10 shows a schematic block diagram of a first embodiment of the method according to the invention. A total of four pictures will be sequential 11 . 12 . 13 . 14 from the IR camera 16 upon illumination of the component or specimen 1 with a light source defined in terms of radiation intensity, direction and position 2 . 3 . 4 . 5 taken from four different positions.

11 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, aus dem eine Automatisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens hervorgeht. Nach Einschaltung der ersten Lichtquelle 2 an einer ersten Beleuchtungsposition wird der erste Shutter 7 geöffnet und von der IR- Kamera 16 ein erstes Bild 11 der Oberfläche Z (x, y) des Bauteils 1 aufgenommen. Anschließend wird der erste Shutter 7 wieder geschlossen. 11 shows a schematic block diagram showing an automation of the method according to the invention. After switching on the first light source 2 at a first lighting position, the first shutter becomes 7 opened and from the IR camera 16 a first picture 11 the surface Z (x . y) of the component 1 added. Subsequently, the first shutter 7 closed again.

Nach der Aufnahme des ersten Bildes 11, wird die erste Lichtquelle 2 ausgeschaltet und die zweite Lichtquelle 3 an einer zweiten Beleuchtungsposition eingeschaltet. Hierauf wird der zweite Shutter 8 geöffnet, von der IR- Kamera 16 ein zweites Bild 12 der Oberfläche Z (x, y) des Bauteils 1 aufgenommen und der zweite Shutter 8 wieder geschlossen. Anschließend wird die zweite Lichtquelle 3 ausgeschaltet und eine dritte Lichtquelle 4 an einer dritten Beleuchtungsposition eingeschaltet. Hierauf wird der dritte Shutter 9 geöffnet, von der Kamera 16 ein drittes Bild 13 der Oberfläche Z (x, y) des Bauteils 1 aufgenommen und der dritte Shutter 9 wieder geschlossen. Nach Ausschaltung der dritten Lichtquelle 4 und Einschaltung der vierten Lichtquelle 5 an einer vierten Beleuchtungsposition kann dann der vierte Shutter 10 geöffnet, von der IR-Kamera 16 ein viertes Bild 14 der Oberfläche Z (x, y) des Bauteils 1 aufgenommen, der vierte Shutter 10 wieder geschlossen und die vierte Lichtquelle 5 ausgeschaltet werden. Die Dauer für die Öffnung jedes Shutters 7, 8, 9, 10, die Bildaufnahme der IR-Kamera 16 sowie die Schließung jedes Shutters 7, 8, 9, 10 beträgt insgesamt jeweils ca. 20 ms.After taking the first picture 11 , becomes the first light source 2 turned off and the second light source 3 switched on at a second lighting position. This is the second shutter 8th opened, from the IR camera 16 a second picture 12 the surface Z (x . y) of the component 1 taken and the second shutter 8th closed again. Subsequently, the second light source 3 switched off and a third light source 4 switched on at a third lighting position. This is the third shutter 9 opened, from the camera 16 a third picture 13 the surface Z (x . y) of the component 1 recorded and the third shutter 9 closed again. After elimination of the third light source 4 and switching on the fourth light source 5 at a fourth illumination position, the fourth shutter can then be used 10 opened, from the IR camera 16 a fourth picture 14 the surface Z (x . y) of the component 1 recorded, the fourth shutter 10 closed again and the fourth light source 5 turned off. The duration for the opening of each shutter 7 . 8th . 9 . 10 , the image capture of the IR camera 16 as well as the closure of each shutter 7 . 8th . 9 . 10 total is about 20 ms each.

Aus den vier Bildern 11, 12, 13, 14 der Oberfläche Z (x, y) des Bauteils 1 kann dann aus den Grauwertverteilungen der Aufnahmen mittels des Rechnersystems 21 auf die Oberflächenkrümmung rückgeschlossen werden. Neben den Gradienten p und q der Oberfläche Z (x,y) des Bauteils 1 kann aus den Aufnahmen zudem auch die Albedo p ermittelt werden. Auf diese Weise ist es möglich, mittels SfS die Gradienten von Oberflächen Z (x, y) zu berechnen, die keine homogene Albedo p besitzen. Aus der im Rahmen der SfS-Auswertung ermittelten Albedo p kann anschließend über 1 = p + e die Emissivität e ermittelt werden.From the four pictures 11 . 12 . 13 . 14 the surface Z (x . y) of the component 1 can then from the gray value distributions of the recordings by means of the computer system 21 be concluded on the surface curvature. Next to the gradients p and q the surface Z (x , y) of the component 1 can from the recordings also the albedo p be determined. In this way it is possible to use SfS to determine the gradients of surfaces Z (x . y) to calculate that no homogeneous albedo p have. From the albedo determined during the SfS evaluation p can then over 1 = p + e the emissivity e be determined.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Bauteil oder PrüfkörperComponent or specimen
22
erste Lichtquellefirst light source
33
zweite Lichtquellesecond light source
44
dritte Lichtquellethird light source
55
vierte Lichtquellefourth light source
66
Filtersystemfilter system
77
erster Shutterfirst shutter
88th
zweiter Shuttersecond shutter
99
dritter Shutterthird shutter
1010
vierter Shutterfourth shutter
1111
erstes Bildfirst picture
1212
zweites Bildsecond picture
1313
drittes Bildthird picture
1414
viertes Bildfourth picture
1515
Beleuchtungsanordnunglighting arrangement
1616
Kameracamera
1717
Halteringretaining ring
1818
Grundplattebaseplate
1919
Klemmscharnierterminal hinge
2020
Beleuchtungsanordnunglighting arrangement
2121
Rechnersystemcomputer system
2222
Parabolspiegelparade
2323
Messbereichmeasuring range
Z (x, y)Z (x, y)
Oberfläche des BauteilsSurface of the component
nn
Normalenvektornormal vector
rr
Reflexionskoeffizientreflection coefficient
CK C K
Kameraempfindlichkeitcamera sensitivity
I(x, y)I (x, y)
Intensitätintensity
QQ
LichtintensitätLight intensity
ss
Richtung des LichtesDirection of the light
TT
Temperaturtemperature
λλ
Wellenlängewavelength
pp
Gradientgradient
qq
Gradientgradient
ρρ
Albedoalbedo
ee
Emissivitätemissivity

Claims (11)

Verfahren zum Messen des gerichteten Emissionsgrades eines Bauteils oder Prüfkörpers, bei dem - an einem Referenzteil mit bekannter Geometrie und bekannter Emissivität die einfallende Lichtintensität Q (x, y) ermittelt wird, indem das Referenzteil mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierter Lichtquelle beleuchtet und dabei von einer mit einem Rechnersystem verbundenen IR-Kamera bekannter Position erfasst wird, - das Bauteil oder der Prüfkörper in mindestens einem Messbereich mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierter Lichtquelle sequentiell aus mindestens drei unterschiedlichen Positionen beleuchtet und dabei die Oberfläche Z (x, y) des Bauteils oder Prüfkörpers jeweils von der mit dem Rechnersystem verbundenen IR-Kamera bekannter Position erfasst wird, - für jeden Bildpunkt an den Stellen (x, y) der IR-Kamera die Intensität I (x, y) bei bekannter Richtung s = (sx, sy, sz) des Lichts gemessen wird, - aus der Intensität I (x, y) und der Richtung des Lichtes s = (sx, sy, sz) anschließend die Gradienten p = Z x  und q = Z y
Figure DE102013010116B4_0016
sowie die Albedo p in jedem Bildpunkt berechnet werden mittels der Gleichungen für die drei Beleuchtungsrichtungen: I ( x , y ) = ρ n s = ρ ( s z q s y p s x ) ,
Figure DE102013010116B4_0017
wobei n = 1 1 + p 2 + q 2 ( -p -q 1 )
Figure DE102013010116B4_0018
ist, - aus dem Zusammenhang 1 = p + e anschließend die gerichtete Emissivität e in jedem Bildpunkt bestimmt wird.
Method for measuring the directional emissivity of a component or specimen, in which the incident light intensity Q (x, y) is determined on a reference part of known geometry and emissivity by illuminating the reference part with a light source defined in terms of radiation intensity, direction and position and is detected by an IR camera of known position connected to a computer system, the component or the test body is sequentially illuminated from at least three different positions in at least one measuring range with a light source defined in terms of radiation intensity, direction and position and the surface Z ( x, y) of the component or specimen is in each case detected by the computer system connected to the IR camera known position, - for each pixel at the points (x, y) of the IR camera, the intensity I (x, y) in a known direction s = (s x , s y , s z ) of the light is measured, - off the intensity I (x, y) and the direction of the light s = (s x , s y , s z ) then the gradients p = Z x and q = Z y
Figure DE102013010116B4_0016
and the albedo p in each pixel are calculated by means of the equations for the three directions of illumination: I ( x , y ) = ρ n s = ρ ( s z - q s y - p s x ) .
Figure DE102013010116B4_0017
in which n = 1 1 + p 2 + q 2 ( -p -q 1 )
Figure DE102013010116B4_0018
is, from the relationship 1 = p + e then the directional emissivity e in each pixel is determined.
Verfahren zum Messen des gerichteten Emissionsgrades eines Bauteils oder Prüfkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fehlerminimierung statt drei Bildaufnahmen zur Berechnung der Albedo vier Bildaufnahmen mit hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierter Lichtquelle aufgenommen werden.Method for measuring the directional emissivity of a component or specimen Claim 1 , characterized in that for the minimization of errors instead of three image recordings for the calculation of the albedo four image recordings are taken with respect to radiation intensity, direction and position defined light source. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen die thermische Eigenstrahlung des zu vermessenden Bauteils oder Prüfkörpers übertreffen.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the light sources exceed the thermal radiation of the component or specimen to be measured. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquellen Wärmestrahler eingesetzt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that are used as light sources heat radiator. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen Laser oder Breitbandstrahler sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the light sources are lasers or broadband radiators. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filtersystem verwendet wird, das den Spektralbereich der Lichtquellen auf den sensitiven Spektralbereich der Kamera beschränkt und die eingebrachte Energie reduziert.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a filter system is used which limits the spectral range of the light sources to the sensitive spectral range of the camera and reduces the introduced energy. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Filtersystem Band Pass Filter, Kurz Pass Filter, Lang Pass Filter, Germaniumspiegel, Saphirglasfenster oder Kombinationen hieraus eingesetzt werden.Method according to Claim 6 , characterized in that are used as a filter system band pass filter, short pass filter, long pass filter, germanium mirror, sapphire crystal window or combinations thereof. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur zeitlichen Begrenzung des Energieeintrages für jede Lichtquelle ein Shutter verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for the time limit of the energy input for each light source, a shutter is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung mit homogenem, parallelem Licht erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination takes place with homogeneous, parallel light. Verwendung des Verfahrens nach den vorgehenden Patentansprüchen zur zerstörungsfreien thermografischen Prüfung von Bauteilen oder Prüfkörpern auf Oberflächen- und/oder innere Fehler.Use of the method according to the preceding claims for non-destructive thermographic testing of components or specimens for surface and / or internal defects. Vorrichtung zum Messen des gerichteten Emissionsgrades eines Bauteils oder Prüfkörpers (1), - mit einem Referenzteil mit bekannter Geometrie und bekannter Emissivität, das von einer hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierten Lichtquelle zu beleuchten und dabei von einer mit einem Rechnersystem (21) verbundenen IR-Kamera (16) bekannter Position zur Ermittlung seiner Lichtintensität zu erfassen ist, - mit mindestens drei Beleuchtungsanordnungen (20), die jeweils aus einer der hinsichtlich Strahlungsintensität, -richtung und -position definierten Lichtquellen (2, 3, 4, 5), einem Filtersystem (6) und einem Shutter (7, 8, 9, 10) gebildet und - an mindestens drei unterschiedlichen Positionen der Messvorrichtung so angeordnet sind, dass das Bauteil oder der Prüfkörper (1) sequentiell aus mindestens drei unterschiedlichen Positionen direkt oder indirekt zu beleuchten ist, wobei - mit der mit dem Rechnersystem (21) verbundenen IR-Kamera (16) bekannter Position die Oberfläche Z (x , y) des Bauteils oder Prüfkörpers (1) in mindestens einem Messbereich (23) bei jeder der mindestens drei sequentiellen Ausleuchtungen bildmäßig zu erfassen ist und - dann von dem Rechnersystem (21) zum einen aus mindestens drei Aufnahmen der IR-Kamera (16) die Gradienten p = Z x  und q = Z y
Figure DE102013010116B4_0019
der Oberfläche Z (x, y) des Bauteils (1) in dem mindestens einen Messbereich (23) mittels der Grauwertverteilungen für jeden Bildpunkt und - aus den mindestens drei Aufnahmen der IR-Kamera (16) die Albedo p für jeden Bildpunkt der Oberfläche Z (x, y) des Bauteils oder Prüfkörpers (1) zu ermitteln und - die gerichtete Emissivität e des Bauteils oder des Prüfkörpers (1) aus dem Zusammenhang 1 = p + e für jeden Bildpunkt von dem Rechnersystem (21) zu berechnen ist.
Device for measuring the directional emissivity of a component or specimen (1), - having a reference part of known geometry and known emissivity, to be illuminated by a light source defined in terms of radiation intensity, direction and position, and by a computer system (21) connected IR camera (16) known position for determining its light intensity, - with at least three lighting assemblies (20), each of which one of the radiation intensity, direction and position defined light sources (2, 3, 4, 5) , a filter system (6) and a shutter (7, 8, 9, 10) and are arranged at at least three different positions of the measuring device so that the component or the test body (1) sequentially from at least three different positions directly or indirectly is to illuminate, wherein - with the connected to the computer system (21) IR camera (16) known Positio n the surface Z (x, y) of the component or specimen (1) is to be imaged imagewise in at least one measuring area (23) in each of the at least three sequential illuminations and then by the computer system (21) on the one hand from at least three exposures IR camera (16) the gradients p = Z x and q = Z y
Figure DE102013010116B4_0019
the surface Z (x, y) of the component (1) in the at least one measuring range (23) by means of the grayscale distributions for each pixel and - from the at least three images of the IR camera (16) the albedo p for each pixel of the surface Z (x, y) of the component or specimen (1) to determine and - the directional emissivity e of the component or the specimen (1) from the relationship 1 = p + e is calculated for each pixel by the computer system (21).
DE102013010116.6A 2013-06-15 2013-06-15 Method and device for measuring the directional emissivity of a component or specimen Active DE102013010116B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013010116.6A DE102013010116B4 (en) 2013-06-15 2013-06-15 Method and device for measuring the directional emissivity of a component or specimen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013010116.6A DE102013010116B4 (en) 2013-06-15 2013-06-15 Method and device for measuring the directional emissivity of a component or specimen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102013010116A1 DE102013010116A1 (en) 2014-12-18
DE102013010116B4 true DE102013010116B4 (en) 2019-01-24

Family

ID=52009527

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102013010116.6A Active DE102013010116B4 (en) 2013-06-15 2013-06-15 Method and device for measuring the directional emissivity of a component or specimen

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102013010116B4 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2839107B1 (en) 1978-09-08 1979-12-06 Dornier System Gmbh Method and device for determining an optical characteristic value of selective solar absorber surfaces
DE19739338A1 (en) 1997-07-04 1999-01-07 Innovative Glassysteme Gmbh & System for measuring thermal emissivity
EP1643225A1 (en) 2004-09-30 2006-04-05 Ube Industries, Ltd. Emissivity measuring device
DE102005018254A1 (en) 2005-04-20 2006-11-02 Schweiger, Harald, Dipl.-Ing. Surface thermal image`s emissivity correcting method, for use in e.g. plastic casting, involves correcting emissivity of thermal image of uncoated surface such that thermal image with actual temperature representation is generated

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2839107B1 (en) 1978-09-08 1979-12-06 Dornier System Gmbh Method and device for determining an optical characteristic value of selective solar absorber surfaces
DE2839107C2 (en) * 1978-09-08 1980-08-21 Dornier System Gmbh, 7990 Friedrichshafen Method and device for determining an optical characteristic value of selective solar absorber surfaces
DE19739338A1 (en) 1997-07-04 1999-01-07 Innovative Glassysteme Gmbh & System for measuring thermal emissivity
EP1643225A1 (en) 2004-09-30 2006-04-05 Ube Industries, Ltd. Emissivity measuring device
DE102005018254A1 (en) 2005-04-20 2006-11-02 Schweiger, Harald, Dipl.-Ing. Surface thermal image`s emissivity correcting method, for use in e.g. plastic casting, involves correcting emissivity of thermal image of uncoated surface such that thermal image with actual temperature representation is generated

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013010116A1 (en) 2014-12-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Williams Thermal imaging cameras: characteristics and performance
DE102014114181B4 (en) Method of inspecting a substrate and corresponding device
CN109060822B (en) Long-pulse infrared nondestructive testing sequence image processing method and system
US20080317090A1 (en) Method and apparatus for thermographic nondestructive evaluation of an object
JP2003505683A (en) Thermal resonance imaging method
DE102017205581A1 (en) Temperature measuring system for furnaces
Crisóstomo et al. The importance of emissivity on monitoring and conservation of wooden structures using infrared thermography
DE102015201093A1 (en) Method and gonioradiometer for direction-dependent measurement of at least one photometric or radiometric characteristic of an optical radiation source
US8324564B1 (en) Quad emissive display
DE19832833A1 (en) Thermographic arrangement, especially for thermographic investigation of workpiece, has flat infrared radiation source, two-dimensional position resolving infrared imaging and detection device
Fernandes et al. Infrared thermographic inspection of 3D hybrid aluminium-CFRP composite using different spectral bands and new unsupervised probabilistic low-rank component factorization model
DE102013010116B4 (en) Method and device for measuring the directional emissivity of a component or specimen
DE102014224852B4 (en) Method for non-contact, non-destructive determination of inhomogeneities and / or defects on surfaces of components or samples
DE102013212097A1 (en) Collimator device and method for testing and adjusting at least one optical device
DE102011079484A1 (en) Method and system for determining emissivity
Maierhofer et al. Development of standards for flash thermography and lock-in thermography
Mosharov et al. Pyrometry using CCD cameras
DE4134313A1 (en) Contactless infrared temp. measurement of body conducting heat - measuring infrared radiation emanating from body in two separate wavelength regions to determine surface and internal temp.
Zalameda Synchronized electronic shutter system (SESS) for thermal nondestructive evaluation
Wang et al. Fluorescence thermography based on smartphone and its application in defect inspection
WO2012092944A1 (en) Method and device for determining the radiance of an infrared radiation source
DE10243411A1 (en) Calibrating measurement devices for quantitative infrared radiation measurement involves weighting limited radiation density with 2D relative sensitivity in field of view of the measurement device
Yang et al. A Novel Testing Method for the Radiometric Responsivity of Satellite Cameras
DE2839107C2 (en) Method and device for determining an optical characteristic value of selective solar absorber surfaces
Pinkus et al. Quad-emissive display for multi-spectral sensor analyses

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: VOLKSWAGEN AKTIENGESELLSCHAFT, DE

Free format text: FORMER OWNER: INPRO INNOVATIONSGESELLSCHAFT FUER FORTGESCHRITTENE PRODUKTIONSSYSTEME IN DER FAHRZEUGINDUSTRIE MBH, 10587 BERLIN, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: HOFFMANN, KLAUS-DIETER, DIPL.-ING., DE

R082 Change of representative