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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Messsystem für die zerstörungsfreie Prüfung eines Bauteils durch aktive Thermografie.
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Thermographie ist bekanntermaßen ein Verfahren zur Ermittelung und zumeist bildhaften Darstellung der Oberflächentemperatur eines Objekts. Die Thermografie wird auch zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen, bspw. Automobilbauteilen, eingesetzt. Die generierten Ergebnisbilder beinhalten z. B. Informationen über Inhomogenitäten im geprüften Bauteil. Inhomogenitäten können bspw. im Bauteil vorhandene Abweichungen der spezifischen Wärmekapazität, der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Materialdichte sein. Damit geben die Inhomogenitäten Aufschluss über etwaige Fehler, wie bspw. Delaminationen, Risse, Lunker und dergleichen, die im Herstellprozess in das Bauteil eingebracht wurden oder auch im Lebenszyklus des Bauteils entstanden sind. Die Thermografie ermöglicht insbesondere auch eine Aussage über die Ausdehnung (Größe und Tiefe) solcher Inhomogenitäten.
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Bei der aktiven Thermografie wird das zu prüfende Bauteil (Prüfobjekt) mithilfe wenigstens einer Erregerquelle thermisch angeregt, wodurch gezielt ein Wärmefluss bzw. Wärmestrom im Bauteil erzeugt wird. Die Anregung kann bspw. mittels Lichtwellen (elektromagnetische Wellen), Ultraschallwellen und/oder Induktion (induzierte Wirbelströme) erfolgen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und Messsystem für die zerstörungsfreie Prüfung eines Bauteils durch aktive Thermografie anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweisen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch das erfindungsgemäße Messsystem mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren für die zerstörungsfreie Prüfung (wenigstens) eines Bauteils durch aktive Thermografie umfasst folgende, vorzugsweise automatisiert ausgeführte Tätigkeiten:
- – thermische Anregung bzw. thermisches Anregen des zu prüfenden Bauteils mithilfe wenigstens einer Erregerquelle;
- – Erfassen der vom thermisch angeregten Bauteil abgestrahlten Wärme mithilfe wenigstens eines Detektors;
- – Erfassen der Anregungscharakteristik der thermischen Anregung mithilfe wenigstens eines Sensors;
- – Auswerten der Detektorsignale und Aufbereiten von Ergebnisinformationen, wobei beim Aufbereiten der Ergebnisinformationen auch die mit dem Sensor erfasste Anregungscharakteristik berücksichtigt wird.
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Das zu prüfende Bauteil, wobei es sich insbesondere um ein Automobilbauteil handelt, kann in einer geeigneten Halteeinrichtung fixiert werden.
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Das thermische Anregen des Bauteils erfolgt bevorzugt berührungslos, wobei als Erregerquelle vorzugsweise ein Infrarot-Erreger (z. B. ein IR-Strahler), insbesondere ein niederfrequenter IR-Erreger, verwendet wird, so dass eine thermische Anregung des Bauteils durch Infrarotbelichtung bzw. Infrarotbestrahlung erfolgt. Für die thermische Anregung können auch mehrere, insbesondere auch unterschiedliche Erregerquellen verwendet werden.
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Das Erfassen bzw. Registrieren der vom angeregten Bauteil abgestrahlten Wärme (Wärmeabstrahlung) erfolgt mithilfe wenigstens eines Detektors, wobei es sich insbesondere um einen IR-Detektor handelt. Der IR-Detektor wandelt die erfasste bzw. registrierte Wärmestrahlung in elektrische Signale um, die dann als Detektorsignale bzw. IR-Detektorinformationen bereitgestellt werden. Bei dem Detektor handelt es sich insbesondere um eine Wärmebildkamera, die die erfasste bzw. registrierte Wärmestrahlung in Kamerasignale umwandelt, bspw. in Bildinformationen, die dann vorzugsweise als Wärmebilder (d. h. wenigstens ein Wärmebild) oder Wärmebildsequenzen bereitgestellt werden.
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Das Auswerten der Detektor- bzw. Kamerasignale und das Aufbereiten von Ergebnisinformationen bzw. Ergebnisdaten kann, insbesondere softwarebasiert, mithilfe einer Auswerteeinrichtung, z. B. einem Computer, erfolgen. Das Auswerten und Aufbereiten können getrennte Vorgänge sein oder zu einem Vorgang zusammengefasst sein. Beim Aufbereiten oder beim Auswerten und Aufbereiten werden aus den Detektorsignalen durch einen geeigneten Algorithmus (oder mehrere Algorithmen) Ergebnisinformationen generiert, die dann z. B. Informationen über etwaige Fehler im Bauteil enthalten. Geeignete Ergebnisinformationen sind bspw. Ergebnisbilder (d. h. wenigstens ein Ergebnisbild) oder Ergebnisbildsequenzen. Die Ergebnisinformationen können abgespeichert und/oder angezeigt werden.
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Bei der aktiven Thermografie kann es zu Verfälschungen kommen, da der Detektor bzw. die Wärmebildkamera nur die bereits vom Bauteil auf Basis seiner individuellen Bauteilkonstitution umgewandelte Erregerenergie erfassen kann. Dies ist insbesondere dann kritisch, wenn es auch auf ein Zeitverhalten zwischen der thermischen Erregung und der Wärmeabstrahlung ankommt. Bei einer Ableitung der auf das Bauteil zeitlich einfallenden Erregerenergiemengen aus der Ansteuerung der Erregerquelle (die Ansteuerung erfolgt bspw. durch gesteuerte Bestromung) bleibt die Trägheit des Erregersystems und dessen zeitliche Veränderung unberücksichtigt oder kann allenfalls abgeschätzt werden. Dadurch wird die Ergebnisgüte herabgesetzt.
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Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass beim Aufbereiten der Ergebnisinformationen auch die mithilfe des wenigstens einen zusätzlichen Sensors (Extra-Sensor) erfasste Anregungscharakteristik der thermischen Anregung berücksichtigt wird. Damit ist insbesondere gemeint, dass ein entsprechend ausgebildeter Algorithmus bzw. Berechnungsalgorithmus für die Generierung von Ergebnisinformationen bzw. Ergebnisbildern die Anregungscharakteristik einbezieht und dadurch Ergebnisinformationen bzw. Ergebnisbilder mit besonders hoher Güter errechnet werden.
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Die Anregungscharakteristik umfasst kennzeichnende Eigenschaften der das zu prüfende Bauteil anregenden Energie, die von der wenigstens einen Erregerquelle ausgeht. D. h., die Anregungscharakteristik beschreibt sozusagen die auf das zu prüfende Bauteil tatsächlich einwirkende Anregungs- bzw. Erregerenergie, bspw. anhand der Intensität und/oder der spektralen Verteilung (bei elektromagnetischen Erregerquellen). Erfindungsgemäß wird wenigstens eine Eigenschaft bzw. physikalische Größe der anregenden Energie mithilfe wenigstens eines Sensors direkt (d. h. nicht durch Ableitung oder Schätzung) erfasst bzw. detektiert. Bei dem Sensor handelt es sich z. B. um einen Photodetektor (Photoelement), der je nach Spezifikation Licht bzw. IR-Licht in elektrische Energie umwandelt, die dann als Sensorsignale weiterverarbeitbar sind.
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Wie bereits erläutert, wird als Erregerquelle vorzugsweise (wenigstens) ein Infrarot-Erreger verwendet. D. h., die Anregung des zu prüfenden Bauteils erfolgt vorzugsweise durch Infrarot- bzw. IR-Bestrahlung. Mithilfe des (wenigstens einen) Sensors können nun bspw. die Strahlungsintensität und/oder die spektrale Zusammensetzung (mindestens zwei Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche) der anregenden IR-Strahlung erfasst werden und im Weiteren in die Aufbereitung bzw. Generierung von Ergebnisinformationen einfließen.
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Der Sensor kann am Bauteil oder in einem Abstand von nicht mehr als 10 mm, insbesondere nicht mehr als 5 mm, vom Bauteil entfernt angeordnet werden. Der Sensor kann auch in einer Ausnehmung des Bauteils (z. B. einer Bohrung oder einem Ausschnitt) angeordnet werden, insbesondere flächenbündig, d. h. in einer Ebene mit der Bauteiloberfläche. Es können auch mehrere Sensoren verwendet werden, die unterschiedlich angeordnet werden.
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Bevorzugt werden mehrere verteilt angeordnete Sensoren verwendet, wodurch auch Inhomogenitäten bzw. lokale Unterschiede in der Anregungscharakteristik (damit ist eine ungleichmäßige Verteilung von Eigenschaften der Erregerenergie gemeint) erfasst werden, was dann im Weiteren auch in die Aufbereitung der Ergebnisinformationen einfließt.
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Die Erregerquelle kann diskontinuierlich (z. B. pulsartig), kontinuierlich oder periodisch (periodische Erregung oder wiederkehrende periodische Erregung) betrieben werden. Der Betrieb erfolgt bevorzugt mithilfe einer Steuereinrichtung, die die Erregerquelle ansteuert, typischerweise durch entsprechende Bestromung. Insbesondere bei Verwendung eines Infrarot-Erregers, vor allem eines niederfrequenten IR-Erregers, kommt es aufgrund der bereits erwähnten Trägheit des Erregersystems (Erregerträgheit) zu einem Zeitversatz zwischen der Erregerquellenbestromung durch die Steuereinrichtung und der tatsächlichen Erregeremission, d. h. der Infrarotbestrahlung (oder dergleichen) des zu prüfenden Bauteils und damit einhergehender Einkopplung von Erregerenergie in das Bauteil. Dieser Zeitversatz kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren berücksichtigt werden, da die Anregungscharakteristik der Erregerenergie (z. B. die Erregerintensität und/oder die spektrale Verteilung der auf das Bauteil einwirkenden Infrarotstrahlung) direkt physikalisch erfasst und beim Aufbereiten der Ergebnisinformationen berücksichtigt wird. Besonders bevorzugt werden die Sensorsignale und die Detektorsignale synchronisiert der Auswerteeinrichtung zugeführt und dort algorithmisch weiterverarbeitet.
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Bevorzugt werden mit dem Sensor auch zeitliche Veränderungen in der Anregungscharakteristik erfasst (z. B. zeitliche Veränderungen in der Intensität und/oder spektralen Verteilung), wobei diese zeitlichen Veränderungen dann auch beim Aufbereiten der Ergebnisinformationen berücksichtigt werden. Der Algorithmus ist entsprechend ausgebildet.
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Die mit dem Sensor erfasste Anregungscharakteristik (gegebenenfalls einschließlich zeitlicher Veränderungen) kann außer bei der Aufbereitung von Ergebnisinformationen auch für eine regelungstechnische Rückkopplung in den Erregerquellenbetrieb bzw. zur Regelung des Erregerquellenbetriebs verwendet werden. Bspw. kann während eines Mess- bzw. Prüfdurchlaufs die mit dem Sensor erfasste Emitter- bzw. Erregerintensität zur Regelung (oder gegebenenfalls auch Triggerung) der Erregerquellenbestromung herangezogen werden. Bevorzugt wird eine solche Rückkopplung bzw. Feedbackschleife dann auch bei der Aufbereitung der Ergebnisinformationen berücksichtigt. Der Algorithmus ist entsprechend ausgebildet. Damit kann die Ergebnisgüte erheblich gesteigert werden.
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Neben der von der Erregerquelle emittierten und auf das zu prüfende Bauteil einwirkenden Erregerenergie können mit dem Sensor auch Energieeinträge aus der Umgebung erfasst und sowohl beim Aufbereiten der Ergebnisinformationen als auch beim Regeln berücksichtigt werden. Solche auf das zu prüfende Bauteil einwirkenden Energieeinträge sind bspw. Einflüsse durch Erwärmen oder Abkühlen der Umgebung. Hierfür kann gegebenenfalls auch ein separater Sensor verwendet werden, der in der Umgebung, insbesondere näheren Umgebung des zu prüfenden Bauteils platziert wird. Der Algorithmus ist entsprechend ausgebildet.
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Es kann auch eine Kombination aus Energieeinträgen durch Umgebungsveränderung und gezielter Erregerquellenemissionsveränderung durch den Sensor erfasst bzw. detektiert und in der Aufbereitung der Ergebnisinformationen berücksichtigt werden. Damit erlangt das erfindungsgemäße Verfahren ein hohes Maß an Robustheit in Bezug auf Umgebungseinflüsse, wie z. B. eine Unabhängigkeit gegen Umgebungstemperaturschwankungen.
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Das erfindungsgemäße Messsystem für die zerstörungsfreie Prüfung eines Bauteils, umfasst zumindest folgende Komponenten:
- – (wenigstens) eine Erregerquelle zum thermischen Anregen bzw. für die thermische Anregung wenigstens eines zu prüfenden Bauteils;
- – (wenigstens) einen Detektor zum Erfassen bzw. Detektieren der vom thermisch angeregten Bauteil abgestrahlten Wärme, wobei es sich insbesondere um eine Wärmebildkamera handelt;
- – wenigstens einen Sensor, mit dem die Anregungscharakteristik der thermischen Anregung erfasst bzw. detektiert werden kann; und
- – eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die vom Detektor bereitgestellten Detektorsignale auszuwerten und unter Berücksichtigung der Sensorsignale des Sensors, also unter Einbeziehung der tatsächlichen Anregungscharakteristik, Ergebnisinformationen aufzubereiten bzw. generieren.
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Das erfindungsgemäße Messsystem ist so ausgebildet, dass damit das erfindungsgemäße Verfahren zur Bauteilprüfung mittels aktiver Thermografie ausführbar ist. Das erfindungsgemäße Messsystem kann außerdem weitere Komponenten umfassen, wie vorausgehend oder auch nachfolgend erläutert.
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Bei dem zu prüfenden Bauteil handelt es sich insbesondere um ein Automobilbauteil, bspw. um ein Fahrwerks- oder Karosseriebauteil. Bspw. können Defekte in multimateriellen Karosseriebauteilen wesentlich besser erkannt werden, als bisher möglich. Die Erfindung kann sowohl unterstützend für die Entwicklung neuer Automobilbauteile als auch für die Qualitätssicherung in Serie hergestellter Automobilbauteile eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.
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1 der Zeichnung zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Messsystem 100 zur Prüfung eines Bauteils (Prüfobjekt) 200 mittels aktiver Thermografie. Das Bauteil 200 ist in einer nicht gezeigten Halteeinrichtung fixiert und wird durch zwei Infrarot-Erreger 111/112 (lediglich beispielhaft sind hier zwei Erregerquellen vorgesehen) mit Infrarotlicht IR bestrahlt und dadurch thermisch angeregt. Durch die IR-Bestrahlung werden gleichzeitig oder auch zeitlich verzögert transiente und insbesondere zeitlich veränderliche Wärmeströme im Bauteil 200 erzeugt, was eine zumeist inhomogene Veränderung der Bauteiltemperaturen zur Folge hat. Die Infrarot-Erreger 111/112 werden von einer Steuereinrichtung 140 gesteuert.
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Insbesondere gleichzeitig bzw. simultan (gegebenenfalls aber auch zeitversetzt bzw. nachgelagert) zu der IR-Bestrahlung durch die Infrarot-Erreger 111/112 wird die von der Bauteiloberfläche 210 abgestrahlte Wärme mithilfe eines Detektors in Gestalt einer Wärmebildkamera 120 erfasst bzw. detektiert und in weiterverarbeitbare Bildinformationen (Kameradaten bzw. Kamerasignale), z. B. einem Wärmebild, umgewandelt. Die Wärmebildkamera 120 und die Infrarot-Erreger 111/112 sind auf der selben Bauteilseite angeordnet (detektorseitige Erregung). Ein üblicher Messabstand d zwischen der Wärmebildkamera 120 und dem Bauteil 200 beträgt bspw. 300 mm bis 800 mm, bevorzugt 400 mm bis 600 mm, was auch abhängig vom eingesetzten Objektiv ist. Es handelt sich also um eine Nahdistanzmessung. Der Abstand zwischen den Infrarot-Erregern 111/112 und dem Bauteil 200 kann hiervon abweichen.
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In der Auswerteeinrichtung 150 werden mittels eines Algorithmus oder mehrerer Algorithmen die Bildinformationen der Wärmebildkamera 120 (das ist die Gesamtheit oder ein Teil der erfassten bzw. aufgenommenen pixelbezogenen und gegebenenfalls sich zeitlich verändernden Temperatursignale oder ein Äquivalent hierzu) ausgewertet und Ergebnisinformationen aufbereitet, die dann bspw. als Ergebnisbild, Ergebnisbilder oder Ergebnisbildsequenz bereitgestellt werden. Die Ergebnisinformationen bzw. -bilder beinhalten dann z. B. konkrete Hinweise auf etwaige Fehler im Bauteil, wie oben beschrieben. Die Ergebnisinformationen bzw. -bilder können an einer Ausgabeeinrichtung 160 (z. B. einem Monitor) angezeigt und/oder in einem Datenspeicher 170 abgespeichert werden. Die Steuereinrichtung 140 und die Auswerteeinrichtung 150 können als separate Einrichtungen ausgebildet oder Bestandteile einer gemeinsamen Einrichtung, insbesondere einer Computereinrichtung, sein. Die Steuereinrichtung 140 und die Auswerteeinrichtung 150 können auch eine Regeleinrichtung bilden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass nicht nur die vom Bauteil 200 abgestrahlte Wärme erfasst wird (mithilfe der Wärmebildkamera 120), sondern dass auch die tatsächliche Anregungscharakteristik der thermischen Anregung, d. h. die Charakteristik bzw. wenigstens eine kennzeichnende Eigenschaft der Infrarotbestrahlung IR, erfasst und dann beim Aufbereiten der Ergebnisinformationen in der Auswerteeinrichtung 150 berücksichtigt wird. Die Anregungscharakteristik der Infrarotbestrahlung IR und die vom thermisch angeregten Bauteil 200 abgestrahlte Wärme werden bevorzugt gleichzeitig (simultan) erfasst.
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Die Erfassung der thermischen Anregung erfolgt mithilfe der Sensoren 131 und 132 (lediglich beispielhaft sind hier zwei Sensoren vorgesehen). Die separaten bzw. gesonderten Sensoren 131/132 sind nicht Bestandteil der Wärmebildkamera 120. Einer der Sensoren 131 ist neben dem Bauteil 200, der andere Sensor 132 ist flächenbündig mit der Bauteiloberfläche 210 in einer Ausnehmung 220 des Bauteils 200 angeordnet.
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Die Sensoren 131/132 erfassen bzw. messen direkt die auf das Bauteil 200 einfallenden bzw. dem Bauteil 200 zugeführten Erregeremissionen, insbesondere auch unter Berücksichtigung zeitlicher Veränderungen. Die Sensoren 131/132 erfassen z. B. die Strahlungsintensität der auf das Bauteil 200 einfallenden Infrarotbestrahlung IR im gesamten Wellenlängenbereich oder zumindest in einem mehr oder weniger breiten Wellenlängenbereich. Außerdem können die Sensoren 131/132 z. B. auch die spektrale Verteilung erfassen, d. h., die Sensoren 131/132 messen die auf das Bauteil 200 einfallenden Intensitäten in Abhängigkeit der spektralen Verteilung der von den Infrarot-Erregern 111/112 emittierten Infrarotstrahlung IR (mindestens zwei Intensitäten für mindestens zwei emitterspezifische Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche bis hin zur gesamten spektralspezifischen Intensitätsverteilung). Mit den Sensoren 111/112 kann die Erregerintensität und in weiterer Folge die in das Bauteil bzw. Prüfobjekt 200 eingekoppelte, auch sich zeitlich verändernde, Energiemenge und darüber hinaus die spektrale Verteilung und Veränderung dieser direkt erfasst werden.
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Die Signale bzw. Bildinformationen der Wärmebildkamera 120 werden zusammen mit den Mess- bzw. Sensorsignalen der Sensoren 131/132, insbesondere synchronisiert (d. h. mit einer synchronisierten Zeitbasis), der Auswerteeinrichtung 150 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 150 berechnet mittels geeignetem Algorithmus (oder mehrerer Algorithmen) Ergebnisinformationen, insbesondere Ergebnisbilder (s. o), wobei sowohl die Bildinformationen als auch die Sensorsignale in die Berechnung einfließen. Dabei kann auch eine Gewichtung der Bildinformationen und/oder der Sensorsignale vorgenommen werden. Bspw. können die mit den Sensoren 131/132 erfassten und sich gegebenenfalls zeitlich verändernden Strahlungsintensitäten zur Gewichtung sich zeitlich verändernder Bildinformationen (Informationssequenzen) verwendet werden.
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Im Weiteren kann auch eine zeitliche Korrelation der Signale- bzw. Bildinformationen der Wärmebildkamera 120 und/oder der Sensorsignale der Sensoren 131/132 durchgeführt werden. Dabei ist bspw. die zeitliche Bildinformation die zu analysierende Funktion und das zeitliche Sensorsignal die Musterfunktion. Eine Multiplikation der beiden Funktionen bildet den Integranden einer Korrelationsfunktion. Die Musterfunktion kann dabei ein- oder mehrdimensional, besonders bevorzugt zweidimensional, sein. Dabei wird die erste Dimension durch die Zeit und die zweite Dimension durch die spektrale Verteilung der Erregerquelle 111/112 gebildet. Es entsteht eine Information mit besonders hoher Ergebnisgüte und besonders gutem Signal-/Rauschverhältnis. Die Auswerteeinrichtung 150 ist entsprechend ausgebildet.
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Bei periodischer Erregung kann mit einem zeitlichen Sensorsignal auch eine Autokorrelation durchgeführt werden und daraus ein ähnlichkeitstransformiertes Signal errechnet werden. Dieses errechnete Signal kann in weiterer Folge als zeitliches Gewichtungssignal für die zeitlichen Bildinformationen angewandt werden. Über eine Autokorrelation zwischen den zeitlichen Informationen von mehreren Sensoren 131/132 und einem daraus errechnetem ähnlichkeitstransformierten Signal kann eine Abweichung bzw. Unähnlichkeit zwischen den unterschiedlich örtlich erfassten Signalen festgestellt und im Auswertealgorithmus berücksichtigt werden. Die Auswerteeinrichtung 150 ist entsprechend ausgebildet.
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In die Berechnung können ferner auch Umgebungseinflüsse und/oder die Ansteuerung der Infrarot-Erreger 111/112 (gegebenenfalls in einem Regelkreis) einfließen. Der Berechnungsalgorithmus berücksichtigt insbesondere auch zeitliche Veränderungen, bspw. derart, dass die momentane Wirkung einer sich zeitlich verändernden Erregeremission auf das Bauteil 200 in die Berechnung mit einfließt, d. h. es erfolgt ein Aufzeichnen und Berücksichtigen der zeitlichen Wirkung der Erregeremissionen. Bei Verwendung mehrerer am oder im Bauteil 200 angeordneter Sensoren können zudem auch lokale Unterschiede in der Anregungscharakteristik erfasst und bei der Berechnung berücksichtigt werden.
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Die Ergebnisinformationen können ferner auch für eine regelungstechnische Rückkopplung verwendet werden, wie oben erläutert. Weitere Merkmale der Erfindung sind oben beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10240060 A1 [0004]
- DE 102012214205 A1 [0004]
