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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine nicht-destruktive
Prüfvorrichtung
und ein Verfahren zum nicht-destruktiven Prüfen. Insbesondere betrifft
sie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum nicht-destruktiven Prüfen einer
Oberfläche
eines Gegenstands, um die Lokalisation von Fehlerstellen bzw. Schachstellen
(flaws) der Oberfläche
und unter der Oberfläche
oder andere Merkmale unter Verwendung von transienter Infrarot-Thermographie zu
bestimmen.
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2. Stand der Technik
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Das
Vorliegen und die Lokalisation von Fehlerstellen sowohl der Oberfläche als
auch unter der Oberfläche
kann durch verschiedene Verfahren oder Techniken bestimmt werden,
welche durchwegs die Verwendung von transienter Thermographie umfassen.
Transiente Thermographietechniken verwenden im Allgemeinen Schwankungen
bzw. Variationen in der Übertragung
von Wärme
durch einen Gegenstand über
die Zeit, um Fehlerstellen der Oberfläche und unter der Oberfläche zu identifizieren.
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Ein
transientes thermographisches Verfahren nimmt den Temperaturanstieg
von jedem Auflösungselement
durch Festhalten einer Reihe von Bildarrays unter Verwendung einer
Infrarotkamera auf, während
die Oberfläche
eines zu prüfenden
Gegenstands erwärmt
wird, wobei der Temperaturanstieg als eine Funktion über die
Zeit analysiert wird, um zu identifizieren, ob eine lineare Temperaturzunahme
gegen die Quadratwurzel der Erwärmungszeit
auftritt. Es wird berichtet, dass ein derartiges Verhalten auf das
Vorliegen einer Fehlerstelle in dem Gegenstand hinweist. Es wird
ebenfalls berichtet, dass dieses Verfahren eine begrenzte Anwendbarkeit
zum Prüfen
von Gegenständen
mit komplexen Geometrien oder solchen, die andersweit einer nicht
gleichmäßigen Wärmeübertragung
durch den Gegen stand unterliegen, aufweist.
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Ein
Verfahren einer transienten Thermographie umfasst Erwärmen der
Oberfläche
eines Gegenstands und Analysieren individueller Infrarotbilder der
Oberfläche
des Gegenstands als eine Funktion der Zeit. Fehlerstellen, insbesondere
Fehlerstellen unter der Oberfläche,
können
in den Bildern durch "heiße Punkte" oder Bereiche höherer Intensität der Infrarotstrahlung
identifiziert werden, da die Rate mit der Wärme durch die Fehlerstellen übertragen
wird geringer ist, als die Rate mit der sie in Bereichen, die keine
Fehlerstellen umfassen, übertragen
wird. Eine mit diesem Verfahren assoziierte Einschränkung ist,
dass die transiente thermographische Analyse auf die Analyse individueller
Bilder, die jeweils einen einzelnen Zeitpunkt darstellen, reduziert wird.
Diese Technik ist aufgrund der Möglichkeit
eines Übersehens
einer Anzeige einer Fehlerstellen von begrenzter Anwendbarkeit mit
Benutzern, da zum Identifizieren einer Fehlerstelle eine Analyse
von vielen Bildern erforderlich ist, die lediglich kleine Schwankungen
aufweisen können.
Weiterhin kann sie nicht einfach automatisiert werden.
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Eine
andere thermographische NDT-Technik, von der berichtet wird, verwendet
zum Nachweis von Fehlerstellen eine Videowiedergabe der aufgenommenen
Bilder und eine visuelle Identifizierung von Schwankungen der Intensität oder von
hellen Punkten durch einen Benutzer bzw. Anwender. Diese Technik
kann ebenfalls nicht leicht automatisiert werden. Weiterhin ist
sie stark vom Benutzer abhängig,
und Mangel bzw. Fehler können
leicht übersehen
werden, wenn der Benutzer während
eines Beobachten des Videos abgelenkt wird. Diese Technik stellt
im Allgemeinen ebenfalls keine quantitative Information über die
Lokalisation und/oder Tiefe der Fehlerstelle bereit.
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In
der
US-P-5,711,603 von
Ringermacher et al. ist ein Verfahren einer transienten Tiefen-Thermographie
beschrieben. In diesem Verfahren sind involviert Erwärmen der
Oberfläche
des Gegenstands und Aufnehmen von aufeinander folgenden thermischen
Bildern von jedem Auflösungselement
oder Pixel der Oberfläche über eine
Zeitperiode. Der Kontrast von jedem Pixel für jedes aufeinander folgende
Bild der Oberfläche
wird bestimmt, indem die mittlere Pixelintensität für dieses thermische Bild bestimmt
und die mittlere Pixelintensität von
der individuellen Pixelintensität
subtrahiert wird. Die Lokalisation einer Fehlerstelle in einem Gegenstand basiert
auf Veränderungen
in dem Pixelkontrast.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nachweis
bzw. Erfassen von Fehlerstellen in einem Gegenstand bereit. Das
Verfahren umfasst den Schritt eines Erwärmens eines Abschnitts bzw.
Bereichs einer Oberfläche
eines Gegenstands, wobei die Oberfläche durch mehrere individuelle
Oberflächenelemente
definiert wird. Das Verfahren umfasst ebenfalls den Schritt eines
Aufnehmens bzw. Aufzeichnens mehrerer thermischer Bilder des Abschnitts über die
Zeit mit einer thermischen Abbildungseinrichtung bzw. -vorrichtung.
Jedes der mehreren thermischen Bilder wird durch mehrere Pixel definiert.
Jeder der mehreren Pixel weist eine individuelle Pixeladresse auf
und entspricht einem der mehreren individuellen Oberflächenelementen.
Das Verfahren umfasst ebenfalls den Schritt eines Bestimmens einer
Pixelintensität
für jeden
der mehreren Pixel in jedem der mehreren thermischen Bilder. Das
Verfahren umfasst ebenfalls den Schritt eines Integrierens der Pixelintensität für jeden
der mehreren Pixel mit der gleichen individuellen Adresse von entsprechenden
thermischen Bildern, um Elemente in einem Array bzw. einer Anordnung
integrierter Pixelintensität zu
erstellen. Das Verfahren umfasst ebenfalls den Schritt eines Verwendens
des Arrays integrierter Pixelintensität, um eine Fehlerstellen in
dem Gegenstand nachzuweisen.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
klarer, wenn sie in Verbindung mit der folgenden ausführlichen
Beschreibung und den angefügten
Abbildungen betrachtet werden, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
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2 ein
Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist;
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3A ein
Schemabild eines ersten thermischen Bildes ist;
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3B ein
Schemabild eines zweiten thermischen Bildes ist, das nach dem in
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3A gezeigten
ersten thermischen Bild aufgenommen wurde;
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3C ein
Schemabild eines dritten thermischen Bildes ist, das nach dem in 3B gezeigten
zweiten thermischen Bild aufgenommen wurde;
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3D ein Diagramm einer Pixelintensität über die
Zeit entsprechend der in 3A-3C gezeigten
Pixel ist;
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4 ein
Schemabild eines Plots integrierter Pixelintensität als eine
Funktion der Pixeladresse ist; und
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5 ein
Querschnitt durch den Plot von 4 entlang
der Schnittlinie 5-5 ist.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die
beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsform
ist ein automatisiertes und nicht-destruktives Prüfverfahren
und eine Vorrichtung zum Durchführen
einer transienten thermographischen Analyse zum Bestimmen des Vorliegens
oder der Abwesenheit von Fehlerstellen in einem Gegenstand, wobei
sowohl Fehlerstellen der Oberfläche
als auch unter der Oberfläche
umfasst sind. Das Verfahren kann ebenfalls verwendet werden, zum
Bestimmen und/oder Erzeugen eines Bilds einer Fehlerstelle und deren
Lokalisation in Bezug zur Oberfläche
des Gegenstands. Das Verfahren integriert Temperatur-bezogene Daten über den
Gegenstand in die Form einer integrierten Pixelintensität oder -amplitude
aus einer Reihe von thermischen Bildern von der Oberfläche des
Gegenstands, wobei jedes davon einen Array von Pixeln umfasst, die über eine
Zeitperiode oder eine Funktion der Zeit aufgenommen werden. Die
integrierte Intensität
jeder der verschiedenen Pixellokalisationen, welche die thermischen
Bilder ausmachen, kann analysiert werden, um Schwankungen zu identifizieren,
die auf Mängel
hinweisen.
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Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist ein Pixel die/das
kleinste Einheit oder Bildelement eines thermischen Bilds. Pixel
sind im Allgemeinen rechteckig geformt, können jedoch auch andere Formen
umfassen. Ein thermisches Bild wird durch einen zweidimensionale
Array von Pixeln gebildet, wobei die Anzahl der Pixel die Größe des Bilds
bestimmt. Ein Oberflächenelement
ist ein Gebiet auf der Oberfläche
des Gegenstands, der abgebildet wird, wobei es im Allgemeinen rechteckig
ist und einem einzigen Pixel entspricht und dadurch dargestellt
wird. Der Array bzw. die Anordnung von Pixeln entspricht daher einem
Array von Oberflächenelementen,
so dass ein einen Array von Pixeln umfassendes thermisches Bild
einem Array von Oberflächenelementen
entspricht, der wiederum einem zusammengesetzten Gebiet der Oberfläche des
Gegenstands entspricht. Die Größe des zusammengesetzten
Gebiets steht in Beziehung zu dem Vergrößerungsfaktor, der mit der
thermischen Abbildungseinrichtung assoziiert ist, die zur Herstellung
des thermischen Bilds verwendet wird.
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Wie 1 in
einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt, dient eine
Vorrichtung 10 zum Nachweis von Fehlerstellen in einem
Gegenstand mit einer Oberfläche.
Die Vorrichtung 10 ist angepasst eine Form einer transienten
thermographischen Analyse zum Bestimmen des Vorliegens oder der
Abwesenheit von Fehlerstellen in einem Gegenstand durchzuführen, wobei
sowohl Fehlerstellen der Oberfläche als
auch unter der Oberfläche
umfasst sind. Vorrichtung 10 umfasst eine Heizvorrichtung 12 zum
Erwärmen einer
Oberfläche 14 eines
Gegenstands 16. Vorrichtung 10 umfasst ebenfalls
eine thermische Abbildungseinrichtung 18, die angepasst
ist eine Reihe thermischer Bilder 20 der Oberfläche 14 als
eine Funktion der Zeit zu erzeugen und die thermischen Bilder 20 als
einen Signalausgang bereitzustellen. Jedes der thermischen Bilder 20 ist
aus einem Array 24 von Pixeln 26 aufgebaut. Jeder
Pixel 26 weist eine einzigartige Pixeladresse in dem Array 24 auf
und entspricht einem Oberflächenelement
in einem Array von Oberflächenelementen,
der einen Abschnitt der Oberfläche 14 eines
Gegenstands 16 aufbaut. Vorrichtung 10 umfasst
ebenfalls ein Aufzeichnungselement 34, das mit der thermischen
Abbildungseinrichtung 18 in Signalverbindung steht. Das
Aufzeichnungselement 34 ist angepasst die thermischen Bilder 20 zur
nachfolgenden Analyse festzuhalten. Vorrichtung 10 umfasst
ebenfalls Mittel 36 zum Bestimmen einer Pixelintensität für jeden
der Pixel 26 in jedem der thermischen Bilder. Vorrichtung 10 umfasst
ebenfalls Mittel 38 zum Integrieren der Pixelintensität der Pixel 26 mit
der gleichen Adresse von jedem der mehreren thermischen Bilder 20 für jede Pixeladresse.
Mittel 38 dient ebenfalls einen Array 42 integrierter
Pixelintensität
zu erstellen.
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Die
Vorrichtung 10 kann zum Nachweis von Fehlerstellen der
Oberfläche
und unter der Oberfläche
in Gegenständen
verwendet werden, die aus meist festen Materialen gebildet sind,
wobei jene umfasst sind, die aus Metallen, Keramiken, Gläsern, technischen
Kunststoffen, Elastomeren, Verbundstoffen und dergleichen, und Kombinationen
davon hergestellt sind. Die Tiefe, in der Mängel nachgewiesen werden können, ist
abhängig
von den Materialien, der Größe des Mangels
und den bestimmten Elementen der Vorrichtung und deren Aufbau, Merkmale
und Fähigkeiten.
Indem der Anmelder beobachtet hat, dass Mängel in Metallblechen bis m 0,004
Inch unterhalb der Oberfläche,
und in Gummi bzw. Kautschuk etwas tiefer, nachgewiesen werden können, wird
angenommen, dass Mangel, die wesentlichen tiefer lokalisiert sind,
durch einen geeigneten Aufbau und Auswahl der Elemente der Vorrichtung 10 und
Details des Verfahrens zu dessen Betrieb nachgewiesen werden können.
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So
kann beispielsweise die Energiemenge, die das Mangelgebiet erreicht,
erhöht
werden. Eine Herausforderung beim Nachweis von Mangeln in Metall
besteht in der Schwierigkeit Energie in den Prüfgegenstand zu bekommen. Wird
die Blitztechnik verwendet, um das Werkstück bzw. Bauteil (part) zu erwärmen, wird ein
Teil der Energie von der Oberfläche
des Werkstücks
reflektiert. Erwärmungstechniken,
die in der Lage sind mehr Energie in den Mängelbereich zu bekommen, werden
einen größeren Kontrast
bereitstellen. Alternativ kann die Oberflächenbeschaffenheit des inspizierten
bzw. überprüften bzw.
kontrollierten Werkstücks
geändert werden,
indem die Oberflächenbeschaffenheit
des inspizierten Werkstücks
verändert
wird. So kann die Oberfläche
des inspizierten Werkstücks
angestrichen werden, um die Oberflächenbeschaffenheit zu verändern. Alternativ
können
die Parameter des Programms verändert
werden, um eine Mangelidentifizierung zu verbessern. So können die
folgenden Parameter verändert
werden, um einen Mangelkontrast in einigen Betriebsumgebungen zu
verbessern: die Anzahl der berücksichtigen
Bilder, die Bildfrequenz, Anpassen der numerischen Integrationstechnik,
Anpassen der Verzögerung
zwischen Blitz und erstem Bild.
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Die
Heizvorrichtung 12 der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann eine fotografische Blitzlampe bzw. Blitzlichtlampe, eine Quarzlampe,
eine Infrarotlampe, einen Laser oder andere ähnliche Einrichtungen zum Abgeben
thermischer Energie an die Oberfläche 14 des Gegenstands 16 umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
werden mehrere fotografische Blitzlampen als Heizvorrichtung 12 verwendet
und wurden angepasst ungefähr
4800 Wattsekunden an Energie an die Oberfläche 14 des Gegenstands 16 abzugeben.
Die Heizvorrichtung 12 sollte in der Lage sein die Oberfläche auf
eine ausreichende Temperatur zu erwärmen, um ein thermographisches Überwachen
gemäß des hier
beschriebenen Verfahrens zu ermöglichen.
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Als
thermische Abbildungseinrichtung 18 können vielen Typen von Infrarotkameras
eingesetzt werden. Die thermische Abbildungseinrichtung 18 der
beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist vorzugsweise eine Infrarotkamera mit einem Focal-Plane-Array-Infrarotdetektor.
Die Videoeinrichtung ist vorzugsweise eine Focal-Plane-Array-Kamera mit Hochgeschwindigkeit,
oder eine ähnliche
Einrichtung mit variabler Bildfrequenz (frame rate). Der Bereich
der variablen Bildfrequenz kann von beispielsweise ungefähr 50 Einzelbilder
(frames) pro Sekunde bis zu ungefähr 250 Einzelbilder pro Sekunde
oder mehr variieren.
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Ein
Beispiel einer Infrarotkamera, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden kann, ist das ThermaCAM SC3000 Quantum-Well-Infrarot-Photodetektor
(QWIP)-System, das von FLIR Systems, Inc. hergestellt wird. Diese
Kamera stellt Infrarotabbildungen in dem 8 bis 9 μm Infrarot
(IR)-Wellenlängenband
bereit, indem sie einen Quantum Well-Infrarot-Photodetektor-Focal-Plane
Array-IR-Detektor mit einer Empfindlichkeit von weniger als 20 mK
bei 30 °C verwendet.
Es kann eine breiter Bereich an Linsen und anderen optischen Systemen
verwendet werden, um das gewünschte
Betrachtungsgebiet des Gegenstands für Gegenstände mit variierender Größe zu erhalten, die
in unterschiedlichen Entfernungen von der Kamera lokalisiert sind.
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Die
Kamera ist angepasst eine Analyse von dynamischen oder digital gespeicherten
Bildern bereitzustellen, und ist angepasst einen Bildausgang durch
einen standardmäßigen Videoschnittstellenausgang
an einen Computer zum Aufnehmen und Speichern der Bilder bereitzustellen.
Bilder werden als ein 14-Bit Datenstrom zur Speicherung in einer
Massenspeichereinrichtung eines Computers ausgegeben. Die Kamera
kann zum Aufnehmen von Live-IR-Videos oder von dynamischen Hochgeschwindigkeitsereignissen
in Echtzeit verwendet werden, und ist angepasst thermische Bilder
und Daten mit extrem hohen Raten von 50 bis 60 Hz bis zu 900 Hz
NTSC/750 Hz PAL festzuhalten und zu speichern.
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Der
IR-Focal-Plane-Array-Dektektor ist als ein Quantum Well-Infrarot-Photodetektor
beschrieben und weist eine Bildauflösung von 320 × 240 Pixel
auf. Der 14-Bit digitale Ausgang des Detektors ermöglicht,
dass jedes Pixel des Bildarrays einem Intensitäts- oder Amplitudenwert zwischen
1 und 16,383 zugeordnet wird. Somit kann ein individuelles Einzelbild
einen breiten Bereich der Oberflächentemperatur
umfassen und ist dennoch in der Lage winzige thermische Unterschiede
zu visualisieren. Die Kamera weist eine räumliche Auflösung (IFOV)
von ungefähr
1,1 mrad auf. Eine ausgezeichnete Beschreibung und Übersicht
von Quantum Well-IR-Photodetektoren und Focal-Plane-Arrays wurde
publiziert in "Quantum
Well Infrared Photodetector (QWIP) Focal Plane Arrays von S.D. Gunapala
und S.V. Bandara vom Center for Space Microelectronics Technology;
Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, CA in Semiconductors and Semimetals,
Vol. 62, 1999.
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Das
Bildaufzeichnungselement 34 der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist angepasst die von der thermischen Abbildungseinrichtung 18 ausgegebenen Bilder
aufzunehmen und zu speichern. Vorzugsweise ist das Bildaufzeichnungselement 34 ein
Massenspeicher in einem Computer, wie eine Festplatte, ein Bandlaufwerk
oder eine ähnliche
Einrichtung. Das Aufzeichnungselement 34 kann ebenfalls eine
Videoerfassungskarte umfassen, die angepasst ist die als Signalausgang
von der thermischen Abbildungseinrichtung 18 empfangenen
Bilder vor einem Speichern in einem Massenspeicher zu empfangen und/oder
zwischenzuspeichern.
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Mittel 38 zum
Integrieren der Pixelintensität
der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform ist
vorzugsweise ein Computer oder eine ähnliche Einrichtung, der/die
angepasst ist auf die Intensitäts-
oder Amplitudeninformation für
jede Pixeladresse in jedem der thermischen Bilder 20 zuzugreifen.
Mittel 38 der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist ebenfalls angepasst die Pixelamplitude oder -intensität in jeder
Pixeladresse über
alle oder einen beliebigen Abschnitt oder eine Gruppierung von thermischen
Bildern 20 zu integrieren. Eine Integration kann durchgeführt werden,
indem wohlbekannte numerische Integrationsverfahren verwendet werden.
Mittel 38 der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist ebenfalls angepasst die mit jeder Adresse assoziierte, integrierte
Pixelintensität
als ein Element in einen Array 42 integrierter Pixelintensität als eine
Funktion der Pixeladresse zu inkorporieren.
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Mittel 38 der
beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist ebenfalls angepasst den Array 42 integrierter Pixelintensität zu analysieren,
um Fehlerstellen oder Mängel
in dem Gegenstand basierend auf Schwankungen zwischen der integrierten
Pixelintensität
der Elemente in dem Array 42 der integrierten Pixelintensität zu identifizieren.
Mittel 38 der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist ebenfalls vorzugsweise angepasst verschiedene Darstellungen
eines Arrays 42 der integrierten Pixelintensität anzuzeigen, wie
durch Anzeige auf einem Computerbildschirm. Mittel 38 der
beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist ebenfalls vorzugsweise angepasst ein Sortieren oder eine Auswahl
von Gegenständen
in Abhängigkeit
davon durchzuführen,
ob in den Gegenständen
Fehlerstellen oder Mangel identifiziert wurden oder nicht. Somit
kann die Vorrichtung 10 in Verbindung mit der Herstellung
eines Gegenstands als ein automatisiertes Inspektionssystem oder
Sortiersystem verwendet werden.
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Wie 1 und 2 zeigen,
umfasst in einem beispielhaften Verfahren eines Betriebs der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren 100 den Schritt 110 eines
Erwärmen
der Ober fläche 14 des
Gegenstands 16 mit der Heizvorrichtung 12. Die
Oberfläche 14 des
Gegenstands 16 wird auf eine ausreichende Temperatur erwärmt, um
eine thermographische Überwachung
zu ermöglichen. Üblicherweise
erfordern relativ dünne
Gegenstände
lediglich ein minimales Erwärmen,
ungefähr
5 °C oder
weniger über
die Umgebungs- bzw. Außentemperatur
des Gegenstands, wobei so wenig wie ungefähr 1 °C oder weniger über die
Umgebungstemperatur des Gegenstands noch bevorzugter sind. Indessen
können
dickere Gegenstände
ein signifikant größeres differentielles
Erwärmen
erfordern, so wurde beispielsweise von Anderen, die thermographische
Techniken verwenden, bis zu ungefähr 20 °C über die Umgebungstemperatur
des Gegenstands als wünschenswert
für Gegenstände mit
einer Dicke von ungefähr
0,5 Inch berichtet. Oberflächenfaktoren,
umfassend Farbe, Emissionsvermögen
und thermische Leitfähigkeit,
sind beim Bestimmen der Menge an Wärmeenergie, die an die Oberfläche des
Gegenstands während
des Erwärmen
abgegeben wird, ebenfalls wichtig, während die physikalischen Eigenschaften
die obere Grenze eines Erwärmen
bei einer Temperatur festlegen, die den Gegenstand 16 und/oder
die Oberfläche 14 nicht
schädigen.
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Um
die Größe einer
Fehlerstelle genau zu lokalisieren und zu bestimmen, sollte die
Oberfläche
des Gegenstands in einem ausreichend kurzen Zeitraum auf die gewünschte Temperatur
erwärmt
werden, um so ein Erwärmen
des Rests des Gegenstands zu verhindern. Damit jedoch die erfindungsgemäße Vorrichtung und
das erfindungsgemäße Verfahren
wirksam ist, muss die an die Oberfläche angelegte Wärme eine
ausreichende Kombination aus Größe, Intensität und Dauer
sein, um bis in die Tiefe des Gegenstands einzudringen, in der gewünscht wird
Mangel nachzuweisen. Deshalb werden für einen gegebenen Gegenstand
relativ geringere Mengen an Wärmeenergie
angelegt, um Mängel
an der Oberfläche
und nahe der Oberfläche
nachzuweisen, und es werden relativ größere Mengen an Wärmeenergie
angelegt, um Mangel nachzuweisen, die in Bereichen lokalisiert sind,
die von der Oberfläche,
an die die Wärme
angelegt wird, weiter beabstandet sind. Normalerweise erfolgt für dünne Gegenstände ein
Erwärmen
in einem Bruchteil einer Sekunde, kann jedoch für dickere Gegenstände wesentlich
langer dauern, vielleicht in der Größenordung von Minuten. Die
Zeit zum Erwärmen
kann ebenfalls in Abhängigkeit
der thermischen Leitfähigkeit
des Gegenstands und insbesondere von der thermischen Leitfähigkeit
in dem Oberflächenbereich,
an den die Wärme
angelegt wird, variiert werden.
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Sobald
die Oberfläche
des Gegenstands erwärmt
ist, schreitet das Verfahren 100 mit Schritt 120 fort. Bei
Schritt 120 werden mehrere thermische Bilder 20 der
Oberfläche 14 als
eine Funktion der Zeit aufgenommen, wobei die thermische Abbildungseinrichtung 18 verwendet
wird. Jedes der thermischen Bilder 20 umfasst einen Array 24 an
Pixeln 26, wobei jedes Pixel eine einzigartige Pixeladresse
in dem Array 24 aufweist und einem Oberflächenelementen
in dem Array von Oberflächenelementen
entspricht. 3A-3C zeigen schematisch
drei thermische Bilder 20a, 20b, 20c,
die Arrays 24a, 24b, 24c definieren.
Die drei thermischen Bilder 20a, 20b, 20c entsprechen
dem gleichen Abschnitt der Oberfläche und unterscheiden sich
darin, dass jedes der drei thermischen Bilder 20a, 20b, 20c zu
einer unterschiedlichen Zeit aufgenommen wurde.
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Die
thermische Abbildungseinrichtung 18 ist vorzugsweise eine
Infrarotkamera, die aufeinander folgende thermische Bilder 20 der
Oberfläche 14 des
Gegenstands aufnimmt und speichert, wobei ein Amplituden- oder Intensitätswert für jedes
Pixel von jedem Bild davon aufgenommen wird. Die Anzahl der aufgenommenen
Bilder hängt
von der gewünschten
Auflösung
des so erhaltenen integrierten Pixelarrays für dieses Bild, die Rate mit
der Bilder erworben werden und von anderen Faktoren ab.
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Die
zum Nachweis eines Mangels benötigte
Anzahl an Bildern hängt
von vielen Variablen ab. So spielen sowohl die Bildfrequenz der
Kamera als auch das Material aus dem das Werkstück hergestellt ist eine wichtige
Rolle beim Bestimmen der optimalen Anzahl an Bildern, die in dem
Algorithmus verwendet werden. Im Allgemeinen ist die Anzahl der
zum Nachweis von Mängeln
verwendeten Bildern in Werkstücken
mit niedrigem Emissionsvermögen,
wie Metall, geringer als die Anzahl der zum Nachweis von Mängeln verwendeten
Bildern in Werkstücken
mit hohem Emissionsvermögen,
wie Gummi.
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In
Schritt 130 wird für
jeden der Pixel 26 in jedem der thermischen Bilder 20 eine
Pixelintensität
oder -amplitude bestimmt. Die mehreren thermischen Bilder 20 werden
in dem Massenspeicher des Computers als eine entsprechende Anzahl
an Arrays 24 von Pixeln 26 gespeichert, wobei
jedes Pixel 26 eine assoziierte Pixelintensität aufweist.
Im Allgemeinen neigen Fehlerstellen (d.h. eine Blase oder ein Hohlraum)
dazu, die Ableitung der Wärme
von der Oberfläche 14 des
Gegenstands 16 zu verlangsamen. Deshalb werden Oberflächenelemente
des Gegenstands 16, in denen oder unter denen ein Mangel
oder eine Fehlerstelle lokalisiert ist, dazu neigen höhere Temperaturen
als andere Oberflächenelemente
aufzuweisen. Somit werden solche Pixel 26 eines Arrays 24,
die mit Oberflächenelementen assoziiert
sind, die eine Fehlerstelle oder einen Mangel umfassen, dazu neigen
eine höhere
Intensität
oder Amplitude als andere Pixel 26 eines Arrays 24 zu
verzeichnen.
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In
Schritt 140 wird die Pixelintensität der Pixel 26 mit
der gleichen Adresse von jedem der mehreren thermischen Bilder 20 integriert,
um Elemente in einem Array 42 integrierter Pixelintensität zu erstellen.
Dieser Schritt ist teilweise in 3 gezeigt.
Jedes Bild 20 ist mit einem einzigartigen Zeitpunkt assoziiert,
an dem es aufgenommen wurde. Die Intensität über die Zeit an einer bestimmten
Pixeladresse 26 kann durch eine Polynomfunktion dargestellt
werden: f(t) = XNtn + XN-1tn-1 + XN-2tn-2 + ... XN-nt
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Das
Integral dieser Funktion kann allgemein durch eine Gleichung dargestellt
werden:
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Diese
Integration wird für
jede der entsprechenden Pixeladressen der aufeinander folgenden
Bilder 20 durchgeführt.
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Wie 3A-3D zeigen, entsprechen beispielsweise drei
Pixel 26a, 26b, 26c dem gleichen Abschnitt der
Oberfläche
und unterscheiden sich darin, dass jedes der drei Pixel 26a, 26b, 26c zu
einer unterschiedlichen Zeit aufgenommen wurde. In gleicher Weise
entsprechen drei Pixel 27a, 27b, 27c dem
gleichen Abschnitt der Oberfläche
und unterscheiden sich darin, dass jeder der drei Pixel 27a, 27b, 27c zu
einer unterschiedlichen Zeit aufgenommen wurde. 3D ist
ein Diagramm, in dem die Pixelintensität entlang der y-Achse definiert wird,
und die Zeit entlang der x-Achse definiert wird. Punkt 52 des
Diagramms in 3D entspricht sowohl Pixel 26a als
auch 27a in 3A. 3A zeigt
die Pixelintensität
von das Diagramm von 3D spiegelt diesen
Zustand wider. Punkt 54 des Diagramms in 3D entspricht
dem Pixel 26b in 3B. Punkt 56 des
Diagramms in 3D entspricht dem Pixel 27b in 3B. 3B zeigt,
dass Pixel 27b intensiver als Pixel 26b ist, und
das Diagramm der 3D spiegelt diesen
Zustand wider. Punkt 58 des Diagramms in 3D entspricht
sowohl Pixel 26c als auch 27c in 3C. 3C zeigt, dass
beide Pixel 26c, 27c, im Vergleich zu den Pixeln 26a, 27a in 3A,
wesentlich weniger intensiv sind, und das Diagramm der 3D spiegelt diesen Zustand wider.
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Die
in 3D aufgetragenen Intensitäts-Zeit-Daten
können
in Verbindung mit wohl bekannten Regressionstechniken verwendet
werden, um einen Polynomausdruck zu bestimmen, der wiederum integriert werden
kann. Um jedoch eine vernünftige
Näherung
durchzuführen,
kann das Integral ebenfalls durch Anwenden von numerischen Integrationstechniken
auf die Zeit-basierenden Pixel-Intensitätsdaten erhalten werden, die
mit jener Pixeladresse assoziiert sind, die von der Information
des Pixelarrays 24 von den aufgenommenen Bildern 20 erhalten
wird. Im Allgemeinen ist eine in 3D gezeigte
Kurve 60 übereinstimmend
mit einem Abschnitt der Oberfläche
ohne einer Fehlerstelle und eine Kurve 62 ist übereinstimmend
mit einem Abschnitt der Oberfläche
mit einer Fehlerstelle.
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In
Schritt 150 wird der Array 42 integrierter Pixelintensität zum Nachweis
einer Fehlerstelle in dem Gegenstand 16 verwendet. Schritt 150 kann
in einem beliebigen aus einer Anzahl von Wegen durchgeführt werden.
Ein Weg zum Durchführen
von Schritt 150 ist eine Verwendung des Arrays 42 integrierter
Pixelintensität zum
Nachweis einer Fehlerstelle in dem Gegenstand 16. Wie am
besten in 4 gezeigt ist, stellt beispielsweise
der Array 42 eine dreidimensionale Darstellung von Daten
bereit. Der beispielhafte Array 42 zeigt Spitzen 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76 mit
variierenden Höhen
von der X-Y-Ebene. Die Spitzen 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76 bezeichnen
Schwankungen der Werte der integrierten Pixelintensität zwischen
den Elementen des Arrays 42 und entsprechen Fehlerstellen
in Gegenstand 16.
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Wie 2 und 5 zeigen,
besteht ein anderes Verfahren zum Durchführen von Schritt 150 im Vergleichen
der integrierten Pixelintensität
von individuellen Elementen des Arrays 46 mit einem vorgegebenen Schwell-
bzw. Grenzwert 78. Elemente mit einer größeren integrierten
Pixelintensität
als der vorgegebene Schwellwert 78 einer Pixelintensität werden
als eine Fehlerstelle identifiziert. In dem beispielhaften Array 42 entsprechen
die den Spitzen 64, 66, 68 entsprechenden
Elemente einem Abschnitt der Oberfläche 14 mit einer Fehlerstelle.
Der vorgegebene Schwellwert 78 einer integrierten Pixelintensität kann beispielsweise
empirisch aus Ergebnissen bestimmt werden, die von Proben des gleichen,
aus dem gleichen Material hergestellten Gegenstands 16 erhalten
wurden, von denen bekannt ist, dass sie keine Mängel enthalten. Die Ergebnisse
von derartigen Proben können
verwendet werden, um ein Hintergrundsniveau einer integrierten Pixelintensität empirisch
zu ent wickeln, welches für
Proben repräsentativ
ist, die keine Mängel
enthalten. Alternativ kann der vorgegebene Schwellwert 78 ein
Mittelwert an integrierter Pixelintensität sein, wobei standardmäßige Techniken zum
Berechnen des Mittelwerts verwendet werden, wie durch Summieren
aller Werte integrierter Pixelintensität von einem oder mehrerer Bilder
und dividieren durch die Anzahl der summierten Werte. Wechselweise
kann der vorgegebene Schwellwert 78 ein Medianwert einer
integrierten Pixelintensität
sein, wobei standardmäßige Techniken
zum Berechnen des Medians verwendet werden.
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Der
Array 42 kann durch eine Vielfalt an Farben definiert werden,
wobei Schwankungen in der Farbe Fehlerstellen in der Oberfläche 14 zeigen.
Das visuelle Bild kann durch einen Benutzer betrachtet werden, und Mangel
können
identifiziert werden, wobei objektive Kriterien, wie vorgegebene
Schwellwerte, die wie vorstehend beschrieben an die Anzeige angelegt
werden, verwendet werden, oder subjektive Kriterien, wie eine beliebige
Anzahl von Bestimmungen, die von einem Benutzer gemacht werden können, während er
die Anzeige betrachtet. In ähnlicher
Weise kann eine vierte Variation der integrierten Pixelintensität zwischen
den Elementen des Arrays integrierter Pixelintensität ebenfalls
angezeigt werden, indem ein visuelles Bild des Arrays erzeugt wird,
in dem Schwankungen der integrierten Pixelintensität mit Schwankungen
in einer Grauskala korreliert sind. In noch ähnlicher Weise besteht ein
fünftes
alternatives Verfahren eines Verwendens einer Schwankung der integrierten
Pixelintensität
zwischen den Elementen des Arrays integrierter Pixelintensität darin,
ein visuelles Bild des Arrays zu erzeugen, in dem die integrierte
Pixelintensität
eines Elements als eine Funktion der Elementadresse aufgetragen
ist.
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Es
ist klar, dass es um die gesamte Oberfläche 14 eines Gegenstands 16 zu
betrachten wünschenswert
sein kann eines von dem Gegenstand 16 oder der Vorrichtung 10 zu
indexieren, so dass die gesamte Oberfläche 14 zum Betrachten
oder Inspizieren durch die Vorrichtung ausgesetzt wird. Als solches
kann das Verfahren 100 ebenfalls einen Schritt 160 eines
Indexierens von mindestens einem von dem Gegenstand 16 und
der thermischen Abbildungseinrichtung 10 umfassen, um unterschiedliche
Abschnitte der Oberfläche 14 der
thermischen Abbildungseinrichtung 10 auszusetzen. Es wird
bevorzugt, dass die Schritte des Verfahrens 100 in Reaktion
auf die Ausführung
eines Softwaresteueralgorithmus in einem Computer automatisch ausgeführt werden.
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Offensichtlich
sind im Licht der vorstehend aufgeführten Lehren viele Modifikationen und
Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Deshalb ist klar, dass
die Erfindung im Umfang der angefügten Ansprüche anders als speziell beschrieben
ausgeführt
werden kann. Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nachweis
von Fehlerstellen in einem Gegenstand bereit. Das Verfahren umfasst
den Schritt eines Erwärmen
eines Abschnitts einer Oberfläche
eines Gegenstands, wobei die Oberfläche durch mehrere individuelle
Oberflächenelemente
definiert wird. Das Verfahren umfasst ebenfalls den Schritt eines
Aufnehmens mehrerer thermischer Bilder des Abschnitts über die Zeit
mit einer thermischen Abbildungseinrichtung. Jedes der mehreren
thermischen Bilder wird durch mehrere Pixel definiert. Jeder der
mehreren Pixel weist eine individuelle Pixeladresse auf und entspricht
einem der mehreren individuellen Oberflächenelemente. Das Verfahren
umfasst ebenfalls den Schritt eines Bestimmens einer Pixelintensität für jeden
der mehreren Pixel in jedem der mehreren thermischen Bilder. Das
Verfahren umfasst ebenfalls den Schritt eines Integrierens der Pixelintensität von jedem
der mehreren Pixel mit der gleichen individuellen Adresse von entsprechenden
thermischen Bildern, um Elemente in einem Array integrierter Pixelintensität zu erstellen.
Das Verfahren umfasst ebenfalls den Schritt eines Verwenden des
Array integrierter Pixelintensität
zum Nachweis einer Fehlerstelle in dem Gegenstand.
