DE102013010116B4 - Method and device for measuring the directional emissivity of a component or specimen - Google Patents
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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
Zudem geht aus der
Weiterhin ist aus der
Ferner ist in der
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
Das Rückstrahlvermögen einer diffus reflektierenden Oberfläche wird durch die Albedo
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 Gradientenp in jedem Bildpunkt berechnet werden mittels der Gleichungen für die drei Beleuchtungsrichtungen:CK die Kameraempfindlichkeit ist, - - aus dem
Zusammenhang 1 = ρ + e anschließend die gerichtete Emissivitäte in jedem Bildpunkt bestimmt wird.
- - 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 gradientsp in each pixel are calculated by means of the equations for the three directions of illumination:C K the camera sensitivity is, - - from the
relationship 1 = ρ + e then the directional emissivitye 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 GradientenZ (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 OberflächeZ (x ,y) des Bauteils oder Prüfkörpers zu ermitteln und - - die gerichtete Emissivität
e des Bauteils oder des Prüfkörpers aus demZusammenhang 1 = ρ + e für jeden Bildpunkt von dem Rechnersystem zu berechnen ist.
- 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 gradientsZ (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 surfaceZ (x .y) to determine the component or specimen and - - the directed emissivity
e of the component or of the test specimen out of context1 = 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
Aus den Gradienten
Für die Intensität ergibt sich somit die Gleichung:
Bei bekannter Intensität I und bekannter Lichtrichtung s = (sx, sy, sz) können die drei Unbekannten
Für die Kameraempfindlichkeit
- 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].
- 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 2,5den Wellenlängenbereich von 5,1 µm umfasst, kenntlich gemacht ist.µm bis
-
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 anIR 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
- c = Lichtgeschwindigkeit
- h = Plancksche Wirkungsquantum (eine Konstante)
- k = Planck-Boltzmannsche Konstante (unabhängig von der Stoffart)
- c1, c2 = Konstante sind.
- 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:
Die Voraussetzungen für die Bestimmung der Emissivität eines Prüfkörpers
- 1. Die
Strahlungsleistung jeder Lichtquelle 2 ,3 ,4 ,5 muss so gering sein, dass sich der Prüfkörper1 nur minimal erwärmt. - 2. Die
Strahlungsleistung jeder Lichtquelle 2 ,3 ,4 ,5 ist hoch genug, dass die Eigenstrahlung desPrüfkörpers 1 vernachlässigbar ist.
- 1. The radiation power of each
light source 2 .3 .4 .5 must be so small that thetest specimen 1 only minimally heated. - 2. The radiation power of each
light source 2 .3 .4 .5 is high enough that the self-radiation of thespecimen 1 is negligible.
Im vorliegenden Beispiel beträgt die Eigenstrahlung des Prüfkörpers
- 3.
Die Lichtquellen 2 ,3 ,4 ,5 liegen im sensitiven Spektralbereich der IR-Kamera 16 .
- 3. The light sources
2 .3 .4 .5 lie in the sensitive spectral range of theIR camera 16 ,
Aus
Um die thermische Eigenstrahlung des zu prüfenden Bauteils
Als Filtersystem
Da der Emitter kontinuierlich abstrahlt, ist hinter dem Filtersystem
Hinter dem Shutter
Aus
In
Aus
In
Aus
Nach der Aufnahme des ersten Bildes
Aus den vier Bildern
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
- LichtintensitätLight intensity
- ss
- Richtung des LichtesDirection of the light
- TT
- Temperaturtemperature
- λλ
- Wellenlängewavelength
- pp
- Gradientgradient
- Gradientgradient
- ρρ
- Albedoalbedo
- ee
- Emissivitätemissivity
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2013
- 2013-06-15 DE DE102013010116.6A patent/DE102013010116B4/en active Active
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