WO2002059587A2 - Thermographieverfahren - Google Patents

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WO2002059587A2
WO2002059587A2 PCT/DE2002/000235 DE0200235W WO02059587A2 WO 2002059587 A2 WO2002059587 A2 WO 2002059587A2 DE 0200235 W DE0200235 W DE 0200235W WO 02059587 A2 WO02059587 A2 WO 02059587A2
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WO
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test
temperature
heat
camera
test area
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Inventor
Rolf Sandvoss
Original Assignee
Rolf Sandvoss
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Priority to US10/470,241 priority patent/US7044634B2/en
Priority to EP02700165A priority patent/EP1360477B1/de
Priority to CA002435772A priority patent/CA2435772A1/en
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Publication of WO2002059587A3 publication Critical patent/WO2002059587A3/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for testing material properties by means of an active thermography method.
  • Non-destructive tests extend to sub-areas of the test objects (e.g. the surface) as well as their overall cross-section.
  • Physical material properties such as absorption of X-rays, reflection of ultrasound waves, sound emission or magnetic properties are used to detect defects (e.g. cracks, cavities or slag inclusions) and segregation zones.
  • X-ray and gamma-ray testing, ultrasound testing, magnetic particle testing and electrical and magnetic testing are known as non-destructive testing methods.
  • thermograph works in the infrared
  • the infrared region begins with the dark red at the perception limit of visible light, at the other, longer-wave end it passes into the microwave region with wavelengths on the order of millimeters.
  • a heat-sensitive camera it is possible to measure the infrared radiation emitted by an object and display it in a visible image. Since the radiation is a function of the surface temperature of the object, the camera can calculate and display this temperature precisely.
  • This method is used, for example, to determine cracks or leaks in containers. If, for example, a gas flows out of a container through a leak, then if it has a temperature difference from the container wall, this can be determined with the aid of the measurement of the emitted infrared radiation.
  • the object of the present invention is to provide a non-destructive material testing method that can be carried out quickly and easily.
  • the method should be able to detect both inhomogeneities (e.g. material differences, inclusions) and material defects such as cracks or breaks.
  • the method should be simple and quick to perform and allow a precise examination of individual, even smaller test areas.
  • this is achieved by means of a test method for materials, in which, with the aid of a camera, which detects temperature differences above a threshold value, by determining and depicting temperature differences on surfaces of test objects, in which a) the individual temperatures of object elements within one of the camera face Test area of the surface of the test object can be determined and displayed, and
  • the object is also achieved by a device for testing materials with a camera for determining and depicting temperature differences above a threshold value and a light source, in particular a laser device, which emits a light or laser beam in such a way that it strikes a surface of a test object and the temperature of a test area facing the camera is increased by at least the amount of the threshold value.
  • a light source in particular a laser device, which emits a light or laser beam in such a way that it strikes a surface of a test object and the temperature of a test area facing the camera is increased by at least the amount of the threshold value.
  • the invention is based on the knowledge that it is not the measurement of the absolute temperature of the test object, but the visualization of the cooling of the surface that allows conclusions to be drawn about the material properties. Significant material differences within an area to be checked can be derived from the speed at which heat is dissipated through the material or through different materials and defects. For this it is necessary that the temperature of the test object is not only examined passively, as was previously the case, but that there is an active supply of heat.
  • the method according to the invention is thus an active thermography method.
  • the method is particularly suitable for the investigation of composite
  • thermography camera the temperature of the surface of the test object to be examined is first determined.
  • the test object is advantageously in thermal equilibrium with its surroundings.
  • the surface area of the test object to be checked is heated uniformly with the aid of a laser beam, the thermographic camera registering the temperature increase of the surface.
  • the surface must be increased at least by the minimum temperature difference (threshold value) that can be registered and displayed by the camera, but an increase by a multiple of the threshold value, for example by 10 Kelvin at a threshold value of 0.1 Kelvin, can be more revealing and a higher resolution Display the measurement result.
  • the thermography camera the heat flow of the radiated heat can be observed directly, the cooling of the surface.
  • thermographic camera produces a color image, but a representation based on grayscale can also be preferred.
  • the use of a laser beam according to the invention for heating allows an extremely precise, homogeneous supply of heat over the entire test area.
  • this is due to the relatively small, selective application of heat in the area of the focal spot, which for example can have an area of only about 2 to 3 cm 2 , and on the other hand, due to the precise
  • Case number: S&P 2/01 File: Patentanmeldung.doc Conditionally bringing the focal spot to the limits of the test area.
  • the heat supply due to the high energy density, the small focal spot and above all due to the low scatter of the laser beam can take place with a laser beam exactly within the limits of an arbitrarily shaped test area.
  • the laser device can be programmed in such a way that the laser beam travels in any shape. It is particularly advantageous that, in contrast to the prior art, the adjacent surfaces are not also heated by the laser beam. This is advantageous if the adjacent surfaces are heat-sensitive materials or if these surfaces are also to be examined at the same temperature as possible.
  • the laser beam can, for example, be guided in a meandering manner over the area of the test area and in doing so adhere precisely to the outer limits of the test area in such a way that a sharp transition to the non-actively heated adjacent area is achieved.
  • the heat to be applied can be varied on the one hand by the intensity of the laser, but on the other hand also by the duration of the heat application or by the speed of the moving laser beam.
  • the laser beam can be guided over the test area at a speed of one to 10,000 mm per second.
  • the targeted application of heat to the surface in milliseconds means that faults or material properties in the component to be tested are immediately visible on the screen of the thermal imager and / or on another connected screen.
  • the quality of the measurement results obtained by the uniform heating of the test object over the entire test area far exceeds the quality of measurement results obtained with state-of-the-art systems.
  • thermo cameras thermo cameras
  • the heat flow flowing into the test object can be displayed on a screen with a correspondingly high resolution. Accordingly, conclusions can be drawn about the slightest changes or differences in the material. It has proven to be particularly advantageous if the temperature changes in the test area are observed in real time on a screen.
  • live images can additionally be stored digitally with appropriate software on a computer in the manner of a video film and later processed with additional software with regard to the desired presentation or results. For example, a good representation of the change in temperature of the test area can be achieved by playing a certain film sequence in succession several times or an unlimited number of times in succession (so-called loop representation). With a correspondingly high refresh rate, a
  • thermographic camera records the heat flow from the side of the test object facing away from the thermographic camera in the direction of the thermographic camera based on the heat development on the surface facing the thermographic camera.
  • thermographic camera is "blind" to visible light.
  • the laser device is arranged very close to the thermographic camera or is directly connected to the thermographic camera, for example via a linkage
  • a conventional heat source for example a halogen spotlight
  • the temperature of the thermographic camera due to the proximity of the laser device is almost impossible, but at least the influence is significantly less.
  • the examination of the test object can also be improved, for example, by previously determining the heat absorption capacity of the test area.
  • the test area is first briefly heated over the entire area and then the reflected image of the test area is recorded using a CCD camera.
  • the resulting image shows areas of high reflection bright and areas of low reflection dark.
  • the subsequent heat input by the laser, which is ultimately intended to examine the test area can then be adjusted accordingly by the intensity or dwell time of the laser beam that a
  • thermographic camera itself can also measure the reflected portion and thus corresponding to the absorbed portion of a first heating for a subsequent adjustment of the heat supply. Immediately after the first heating, the test area is recorded by the thermographic camera. The resulting image also shows the locations or areas of the test area that reflect or dissipate the heat more or less strongly.
  • test area over the entire area, for example with coal or graphite dust.
  • the coating standardizes the reflectivity of the test area and can then be removed quickly and easily. This method is particularly suitable for small test objects, for example.
  • the coating can also be carried out using another suitable material.
  • a significant advantage of the use of a laser beam according to the invention is also that large areas can also be heated centrally. Since the laser beam has only relatively low power losses even over long distances, a single, central installation of the laser device is sufficient. With large ship hulls, for example, it is not necessary to incur additional expenses to ensure even heat supply (such as erecting accessible scaffolding).
  • a major advantage of the method according to the invention is that a reliable determination of the quality of spot weld seams is possible.
  • Welding lenses created during spot welding have a high thermal conductivity and dissipate the heat supplied.
  • the method according to the invention or the device according to the invention is particularly suitable for checking boat hulls made of glass fiber plastic (GRP). It has been found that salt or fresh water penetrates and passes through more or less protected glass fiber laminate through solid-state diffusion. This happens depending on the temperature, age and composition of the water / GRP media. As a result, undesirable end lamination, water ingress and ultimately destruction of the boat hull occur. With the aid of the method according to the invention or the device according to the invention, it is now possible to detect this undesirable change in the boat hull at any stage. The procedure thus serves to assess the condition of a fuselage or to prove the above. Defects and can be used as a decision-making aid for the valuation of a boat, especially after repairs after accidents, etc. When manufacturing new boats or ships, the flawless quality of the boat hull with the inventive
  • the invention can be used in a similar way for checking steel-made objects such as, for example, motor vehicles or airplanes.
  • vehicle bodies can be examined from outside without contact for repairs that are not visible. Due to the different thermal conductivity of steel and filler, the latter appears clearly when using the method according to the invention.
  • Another interesting area of application for the method according to the invention or the device according to the invention is the marking or identification of objects.
  • motor vehicles or boats can have a marking, for example an identification number, at any point below their paint layer, that is to say they are not visible to the naked eye from the outside, which can be checked quickly and easily using the method according to the invention.
  • a marking for example an identification number
  • FIG. 1 a basic illustration of a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a basic illustration of the scanning path of the laser beam
  • FIG. 4 a simplified representation of the sequence of the test method according to the invention
  • FIG. 5 a basic illustration of an automated examination device
  • FIG. 6 a basic illustration of a device according to the invention with an additional camera for recording the reflections of the test area.
  • Figure 1 shows the testing device 1 according to the invention, consisting of
  • the laser beam 4 is used to heat a test area 14 facing the thermographic camera 10 of the surface of a test object 8. Depending on the size of the test object to be tested 8, the test area 14 can contain the surface facing the thermographic camera 10 completely or only partially.
  • the use of a diode laser device has proven to be particularly advantageous as laser device 2, but the use of other types of laser device is also conceivable.
  • the associated scan head 6 has one, two or more mirrors and serves to align and control the laser beam 4.
  • thermography camera 10 When choosing a suitable thermography camera 10, the smallest possible temperature differences (threshold value) should be able to be displayed within the test area 14. Good results were achieved with a camera from FLIR Systems AB. With this camera, the display of threshold values or temperature differences of 100 mK is possible. The camera is also able to measure temperature ranges from - 40 ° C to + 120 ° C (measuring range 1) or 0 ° C to + 500 ° C (measuring range 2) and optionally temperatures up to 2000 ° C. An infrared detector "Focal Plane Array (FPA)" with an uncooled microbolometer with a resolution of 320 x 240 pixels and a spectral range from 7.5 to 13 ⁇ m is used.
  • FPA Fluor
  • the image frequency is 50/60 Hz PAL / NTSC non-interlaced.
  • test object 8 made of CFRP is meandered by a diode laser with a wavelength of 808 nm and a scan head 6 with two mirrors for the X and Y direction (see FIG. 2).
  • a meandering scanning ensures a defined and exactly repeatable scanning of the test area 14.
  • the wavelength of the laser beam can vary between 750 and 900 nm depending on the requirements, in particular depending on the material.
  • the laser beam 4 can be bundled or not bundled by a lens. If the laser beam 4 is not focused, a focal spot 16 is formed which has an area of approximately 1.5 cm ⁇ 1.5 cm. The area of the focal spot 16 can also be varied depending on the requirements.
  • the speed of the laser beam 2 or the focal spot 16 on the test object 8 can be between 1 mm and 10,000 mm / s. In order to achieve sufficient heating of metal, a speed of 100 mm / s, for heating CFRP of 500 mm / s and of polyethylene of 1000 mm / s has proven to be suitable.
  • Any change in temperature of the surface of the test object 8 can be observed in real time and at the same time, for example, recorded or stored in an IMG format.
  • test objects 8 components can be tested in any position relative to the laser device 2.
  • Figure 3 illustrates the principle of pictorial representation.
  • the test area 14 is divided by the thermographic camera 10 (represented by dashed lines, a lens 18 and image elements 20) into object elements 22.
  • the temperatures of the individual object elements 22 are determined by the camera and then represented as image elements 20 via a beam path 24.
  • the display can be in color or in grayscale, with each threshold being assigned a specific color or grayscale. This results in an image of the test area 8, shown on the basis of the temperature differences between the object elements 22. If the object elements 22 have no temperature difference, no contrast can be seen in the 4-based pictorial representation, for example by the monitor 12. However, if the object elements 22 have different temperatures, they can be clearly recognized.
  • FIG. 4 illustrates the procedure for a test according to the invention.
  • the test object 8 is in this exemplary representation in thermal equilibrium with the environment and has a surface temperature of 20 ° C (see Fig. 4a).
  • a grayscale wedge 26 is shown.
  • This grayscale wedge 26 describes the representation of the temperature differences (threshold values) by the thermographic camera 10.
  • a colored representation can also be selected.
  • the thermographic camera 10 is now set in a first step in such a way that the minimum temperature T m to be measured lies above the average temperature T me d (here 20 ° C.) of the test area to be tested.
  • the minimum temperature Tmin is 25 ° C.
  • a so-called span is set, which ranges from the minimum temperature Tmin to the maximum temperature T max to be measured (here 35 ° C).
  • the test area 14 thus appears in the monitor 12 as a white area.
  • the test area 14 is now heated with the aid of the laser beam 4 in such a way that the surface temperature of the test area increases by at least one, preferably several threshold values.
  • the average temperature T me d rises to 25 ° C.
  • test area 14 There are 14 areas within the test area that deviate from the average temperature Tmed. Such faults 28 appear when they have a higher temperature than T me d on the monitor 12 as dark spots. Since the average temperature Tmed has also risen from the original temperature due to the heating, the test area 14 also appears darker overall. In order to achieve a clearer and clearer representation of the faults 28, the gray-level wedge 26, which causes the display on the monitor 12, is adapted to the now higher average temperature Tmed by raising the minimum displayable temperature T m -n such that it is greater or equal the average temperature is T me d. The test area 14 thus again appears on the monitor 12 as a white area, only the faults 28 which make it more difficult to dissipate heat appear as clearly recognizable dark spots (see FIG. 4 b).
  • the thermographic camera 10 permanently determines the average temperature T me d cooling due to the heat flow and sets the gray scale wedge 26 in such a way that the average temperature T me d is shown in white (FIGS. 4 b and c).
  • air pockets for example, which make it difficult to dissipate heat into the test object 8, can be localized as dark areas.
  • a recording of the change in the surface temperature in the test area 14 over a certain period of time allows the calculation and display of a three-dimensional image of the test area 8 or the test object 10.
  • the location and the course of faults 28 within the test object 10 can be determined using the essential material characteristics possible.
  • the grayscale wedge 16 In order to facilitate the representation of those faults 28 which facilitate the dissipation of the heat into the test object 8, for example metallic inclusions in glass fiber plastic plates, the grayscale wedge 16 must be set such that those areas which have a temperature higher than the average temperature m ed are also visible are. This can be done, in particular, in that the average temperature Tmed is shown as a medium shade of gray and the disturbances 28 that facilitate heat dissipation are accordingly shown as lighter areas. It is therefore possible either to adjust the gray-scale wedge 26 in such a way that both the faults 28 that facilitate heat dissipation and those that hinder the heat dissipation can be seen.
  • thermographic camera 10 is equipped with a marking device for marking within the test area 8. This can be done, for example, using a targeted ink or color jet. Depending on the application, however, other types of marking are also conceivable. Such a marking is particularly useful when the test objects 10 are to be processed or repaired after the test.
  • test object 8 is initially recorded in the original state and then both the heating and the subsequent cooling of test object 10 with the help of thermographic camera 10 are recorded in the manner of a video film.
  • This film which is as digital as possible, can then be processed on a computer 30 using appropriate software.
  • the gray components of the gray scale wedge 16 can be adjusted to improve the contrast.
  • a good representation of the temperature change of the test area 8 is also achieved if a certain film sequence is played back several times or at an increased number of times in succession at an increased speed (so-called loop representation). With a correspondingly high image repetition rate, a quasi standing image can thus be generated, on which the components or material differences influencing the heat dissipation are clearly visible. Digitized data generated in this way can also be archived easily and easily.
  • FIG. 5 illustrates that the method according to the invention and the device according to the invention can also be used in an automated process.
  • test objects 8 on a conveyor belt 32 For example, test objects 8 on a conveyor belt 32
  • thermographic camera 10 which measures their surface temperature.
  • the thermographic camera 10 can be arranged movably on a rail 34 in such a way that it can move parallel to the conveyor belt 32 at the same speed.
  • the gray-level wedge 26 is set fully automatically, for example, and the measurement data, or their representation and evaluation, is determined using a computer 30 connected to the thermography camera 10 with a monitor 12. Faulty test objects 8 can be identified and sorted out. In order to ensure an appropriate speed of the testing process, it can also be useful to arrange a plurality of thermographic cameras 10 which check areas of the test objects 8 one after the other.
  • the examination of the test object 8 can also be improved, for example, by previously determining the heat absorption capacity of the test area.
  • a CCD camera 34 is additionally provided, by means of which the reflected image of the test area 14 is recorded after it has first been briefly heated over the entire area. In the resulting image (photo), areas of high reflection are bright and areas of low reflection are darker.
  • the subsequent supply of heat by the laser beam 4, which is ultimately intended to examine the test area 14, can then be adjusted accordingly by the intensity or dwell time of the laser beam 4 are so that a uniform heating of the deeper layers is achieved regardless of the surface of the test area 14.
  • test results can be displayed in different ways.
  • a colored or more or less high-resolution representation in adaptation to the test object 8 can be useful.
  • the test procedure is suitable for contactless, non-destructive testing of test objects 8 in the broadest sense. Use of the examination procedure in medicine is also conceivable.
  • the Peltier effect instead of or in addition to a light beam or laser beam 4. If the two ends of a metal (or semiconductor) are brought into contact with another metal and a direct electrical current is passed through them, one contact point heats up while the other cools down. If you reverse the direction of the current, the hot and cold points are also reversed. It does not therefore generate a current difference, but a temperature gradient is established by applying a direct current, which can be demonstrated or checked with the aid of the method according to the invention or the device according to the invention. For example, the quality of weld seams can be checked using the Peltiers effect.
  • the test object 8 can also be heated by means of inductive heating.
  • the method according to the invention can also be used in such a way that only partial areas of the surface of the test object 8 are specifically heated or cooled. Based on the subsequent spread of temperature, conclusions can also be drawn about the material properties. Ideally, with a homogeneous body, the heat spreads in a circle starting from the point of warming. However, if, for example, a crack or material is present in the area of the heat spread, the uniform circular spread of the heat is disturbed. With the aid of the method according to the invention, such heat profiles and thus anomalies can be clearly demonstrated.
  • the device according to the invention or the method according to the invention is simple to carry out and can be used for examining a large number of objects or materials.
  • banknotes can also be checked quickly and easily.
  • Banknotes consist of different materials and therefore have a characteristic behavior which can be demonstrated with the aid of the method according to the invention when the temperature changes. For example, this "correct" behavior could be stored in a computer and the temperature behavior of a bill to be examined could be compared with this reference behavior. Deviations would then indicate counterfeit money.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung 1 zur Prüfung von Materialien durch Ermittlung und bildhafte Darstellung von Temperaturunterschieden oberhalb eines Schwellenwertes auf Oberflächen von Prüfobjekten 8. Mit Hilfe einer Kamera zur Ermittlung und bildhaften Darstellung von Temperaturunterschieden oberhalb eines Schwellenwertes werden in einem ersten Schritt Temperaturen von Gegenstandselementen (22) innerhalb eines der Kamera zugewandten Prüfbereichs (14 des Prüfobjektes (8) ermittelt. Anschließend wird dem Prüfbereich (14) mit Hilfe eines Laserstrahls (4) derart Wärme zugeführt, dass sich die Oberfläche des Prüfobjektes (8) im Prüfbereich (14) um mindestens den Betrag des Schwellenwertes erhöht. Die Gegenstandselemente (22) werden als Bildelemente derart dargestellt, dass Temperaturunterschiede oberhalb des Schwellenwertes zwischen den Gegenstandselementen (22) sichtbar sind. Die Abkühlung des Prüfbereichs (14) wird mittels der Bildelemente (20) dargestellt.

Description

Bezeichnung: Thermografieverfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung von Materialeigenschaften mittels eines aktiven Thermografieverfahrens.
Zahlreiche Vorrichtungen zur Prüfung von Materialien, das sind Prüfobjekte in Form von Festkörpern, sind bekannt und werden verbessert. Besonders vorteilhaft sind dabei Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien, da bei diesen Prüfverfahren die Verwendbarkeit des Prüfobjektes nicht beeinträchtigt wird. Durch eine zerstörungsfreie Gesamtprüfung verschiedener Konstruktionsteile wird im Unterschied zur Stichprobenprüfung eine erhöhte Aussagesicherheit erreicht. Zerstörungsfreie Prüfungen erstrecken sich dabei sowohl auf Teilbereiche der Prüfobjekte (z. B. der Oberfläche) als auch auf deren Gesamtquerschnitt. Zum Nachweis von Fehlern (z. B. Rissen, Lunkern oder Schlackeneinschlüssen) sowie Seigerungszonen werden physikalische Werkstoffeigenschaften wie Absorption von Röntgenstrahlen, Re- flektion von Ultraschallwellen, Schallemission oder magnetische Eigenschaften ausgenutzt. Als zerstörungsfreie Prüfverfahren sind Röntgen und Gammastrahlenprüfung, Ultraschallprüfung, Magnetpulveφrüfung sowie e- lektrische und magnetische Untersuchungen bekannt.
Als ein zerstörungsfreies Prüfungsverfahren hat sich die Verwendung von Thermografiesystemen entwickelt. Die Thermografϊe arbeitet im infrarotem
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc Wellenlängenbereich. Auf der kurzwelligen Seite beginnt der Infrarotbereich beim Dunkelrot an der Wahrnehmungsgrenze des sichtbaren Lichtes, am anderen, langwelligeren Ende geht er über in den Mikrowellenbereich mit Wellenlängen in der Größenordnung von Millimetern. Mit Hilfe einer wärmempfindlichen Kamera ist es möglich die von einem Objekt emittierte Infrarotbestrahlung zu messen und diese in einem sichtbaren Bild darzustellen. Da die Strahlung eine Funktion der Oberflächentemperatur des Objektes ist, kann die Kamera diese Temperatur genau berechnen und anzeigen. Dieses Verfahren wird beispielsweise für die Ermittlung von Rissen oder Leckagen in Behältern eingesetzt. Strömt beispielsweise ein Gas durch ein Leck aus einem Behälter aus, so kann dieses, wenn es einen Temperaturunterschied zur Behälterwand aufweist, mit Hilfe der Messung der emittierten Infrarotstrahlung ermittelt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein zerstörungsfreies Materialprüfverfahren zu schaffen, das schnell und einfach durchführbar ist. Mit Hilfe des Verfahrens sollen sowohl Inhomogenitäten (z. B. Materialunterschiede, Einschlüsse), als auch Materialfehler wie Risse oder Brüche nachweisbar sein. Das Verfahren soll dabei einfach und schnell durchzuführen sein und eine präzise Untersuchung einzelner, auch kleinerer Prüfbereiche erlauben.
Erfϊndungsgemäß wird dies durch ein Prüfungsverfahren für Materialien, bei dem mit Hilfe einer Kamera, welche Temperaturunterschiede oberhalb eines Schwellenwertes erfasst, durch Ermittlung und bildhaften Darstellung von Temperaturunterschieden auf Oberflächen von Prüfobjekten erreicht, bei dem a) die individuellen Temperaturen von Gegenstandselementen innerhalb eines der Kamera zugewandten Prüfbereichs der Oberfläche des Prüfobjektes ermittelt und dargestellt werden, und
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc b) die Temperatur der Gegenstandselemente exakt innerhalb eines in beliebigen Formen definierbaren Prüfbereichs mit Hilfe eines fokussiertem Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls derart aktiv geändert wird, dass sich die Temperatur der Oberfläche des Prüfobjektes im Prüfbereich um mindestens den Betrag des Schwellenwertes verändert, und c) die temperaturveränderten Gegenstandselemente als Bildelemente derart dargestellt werden, dass ihr individuelles Temperaturverhalten aufgrund der Temperaturänderung erkennbar wird, und d) vorzugsweise die weitere Temperaturveränderung des Püfbereichs mittels der Bildelemente dargestellt wird.
Auch wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Prüfung von Materialien mit einer Kamera zur Ermittlung und bildhaften Darstellung von Temperaturunterschieden oberhalb eines Schwellenwertes und einer Lichtquelle, insbesondere einem Lasergerät, welches einen Licht- bzw. Laserstrahl derart emittiert, dass dieser auf eine Oberfläche eines Prüfobjektes auftrifft und die Temperatur eines der Kamera zugewandten Prüfbereichs um mindestens den Betrag des Schwellenwertes erhöht, gelöst.
Der Erfindung liegt grundsätzlich die Erkenntnis zugrunde, dass nicht die Messung der absoluten Temperatur des Prüfobjektes, sondern die Visualisierung der Abkühlung der Oberfläche Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften zulässt. Wesentliche Materialunterschiede innerhalb eines zu prüfenden Bereichs lassen sich daraus ableiten, mit welcher Geschwindigkeit Wärme durch das Material bzw. durch verschiedene Materialien und Fehler abgeleitet wird. Hierfür ist es notwendig, dass die Temperatur des Prüfobjektes nicht, wie bisher üblich, lediglich passiv untersucht wird, sondern das eine aktive Zufuhr von Wärme erfolgt. Somit handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein aktives Thermografieverfahren.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Untersuchung von Verbund-
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentan eldung.doc Werkstoffen wie beispielsweise Glasfaserkunststoff oder Laminat. Auch das zuverlässige Auffinden von Fehlern in homogenen Materialien ist problemlos möglich.
Mit Hilfe einer Thermografiekamera wird dabei beispielsweise zunächst die Temperatur der zu untersuchenden Oberfläche des Prüfobjektes ermittelt. Das Prüfobjekt befindet sich zu diesem Zeitpunkt vorteilhafterweise im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung. Mit Hilfe eines Laserstrahls wird der zu überprüfende Oberflächenbereich des Prüfobjektes gleichmäßig erwärmt, wobei die Thermografiekamera die Temperaturerhöhung der Oberfläche registriert. Die Oberfläche muss dabei mindestens um den von der Kamera minimal zu registrierenden und darstellbaren Temperaturunterschied (Schwellenwert) erhöht werden, jedoch kann eine Erhöhung um das Vielfache des Schwellenwertes beispielsweise um 10 Kelvin bei einem Schwellenwert von 0, 1 Kelvin zu aufschlussreicheren und zu einer höher aufgelösten Darstellung des Messergebnisses führen. Mit Hilfe der Thermografiekamera kann der Wärmeabfluss der eingestrahlten Wärme also die Abkühlung der Oberfläche unmittelbar beobachtet werden. Die Wärmeleitung beeinflussende Unregelmäßigkeiten im Material des Prüfobjektes sind durch die bildhafte Darstellung der Kamera schnell und klar zu erkennen. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Thermografiekamera ein farbiges Bild produziert, es kann aber auch eine auf Graustufen basierende Darstellung bevorzugt werden.
Im Gegensatz zur Beaufschlagung des Prüfobjektes mit Wärme nach dem Stand der Technik, beispielsweise mit einem Heizstrahler oder einer Halogenlampe, erlaubt die erfindungsgemäße Verwendung eines Laserstrahls zur Erwärmung eine äußerst präzise, homogene Wärmezufuhr über den gesamten Prüfbereich. Dies ist zum einen durch den relativ kleinen punktuellen Wärmeauftrag im Bereich des Brennflecks, der beispielsweise eine Fläche von nur etwa 2 bis 3 cm2 aufweisen kann, zum anderen durch das genaue
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc Heranführen des Brennflecks an die Begrenzungen des Prüfbereichs bedingt. Im Gegensatz zur Erwärmung des Prüfbereichs mit einem Heizstrahler oder einer Quarzlampe kann mit einem Laserstrahl die Wärmezufuhr aufgrund der hohen Energiedichte, dem kleinen Brennfleck und vor allem aufgrund der geringen Streuung des Laserstrahls exakt innerhalb der Begrenzungen eines beliebig geformten Prüfbereichs erfolgen. Beispielsweise kann nur ein bestimmter, auch unsymetrischer Bereich eines Prüfobjekts ausgewählt und erwärmt werden. Das Lasergerät kann derart programmiert werden, dass der Laserstrahl jede beliebige Form abfährt. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass im Gegensatz zum Stand der Technik die angrenzenden Flächen durch den Laserstrahl nicht miterwärmt werden. Dies ist dann vorteilhaft, wenn es sich bei den angrenzenden Flächen um wärmeempfindliche Materialien handelt oder diese Flächen anschließend ebenfalls bei möglichst gleicher Temperatur untersucht werden sollen.
Der Laserstrahl kann dabei beispielsweise mäanderförmig über die Fläche des Prüfbereichs geführt werden und dabei die äußeren Begrenzungen des Prüfbereichs derart genau einhalten, dass ein scharfer Übergang zur nicht aktiv erwärmten angrenzenden Fläche erreicht wird. Die aufzubringende Wärme kann dabei einerseits durch die Intensität des Lasers, andererseits aber auch durch die Dauer des Wärmeauftrags bzw. durch Geschwindigkeit des bewegten Laserstrahls variiert werden. Der Laserstrahl kann beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von einem bis 10 000 mm pro Sekunde ü- ber den Prüfbereich geführt werden. Durch das gezielte Aufbringen der Wärme in Millisekunden auf der Oberfläche werden Störungen oder Materialeigenschaften in dem zu prüfenden Bauteil sofort auf dem Bildschirm der Wärmebildkamera und/ oder auf einem weiteren angeschlossenen Bildschirm sichtbar. Die Qualität der gewonnenen Messergebnisse übertrifft vor allem durch die gleichmäßige Erwärmung des Prüfobjektes über den gesamten Prüfbereich die Qualität von Messergebnissen, die mit Systemen nach dem Stand der Technik gewonnen wurden, bei weitem.
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc Eine Beobachtung mittels der Thermografiekamera über einen längeren Zeitraum ermöglicht weiterhin eine räumliche Beurteilung des Materials. Aufgrund der sich über den Zeitraum verändernden Oberflächentemperaturen bzw. Temperaturunterschiede ist die Lage der Störungen in der Tiefe ableitbar. Beispielsweise kann ein rechnergestütztes dreidimensionales Bild des Prüfobjektes erstellt werden. Die Messergebnisse können auch dadurch be- einflusst werden, dass die zu prüfenden Oberfläche nach der ersten Erwärmung erneut erwärmt wird.
Das schnelle, kurzzeitige Aufbringen der Wärme mittels Laser führt nur zu einer kurzzeitigen Erwärmung im Millisekunden-Bereich, was wiederum bei wärmeempfindlichen Materialien vorteilhaft sein kann.
Aufgrund der fortschreitenden Halbleitertechnik sind die inzwischen verfügbaren Wärmemesskameras (Thermografiekameras) derart präzise bzw. empfindlich, dass bereits kleinste Temperaturunterschiede (< 100 mK) erkannt werden können. Der in das Prüfobjekt abfließende Wärmestrom kann entsprechend hoch aufgelöst auf einem Bildschirm dargestellt werden. Entsprechend können somit Rückschlüsse schon auf geringste Veränderungen oder Unterschiede des Materials geschlossen werden. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Temperaturänderungen des Prüfbereichs in Echtzeit auf einem Bildschirm beobachtet werden. Diese Livebilder können zusätzlich digital mit einer entsprechenden Software auf einem Computer zusammenhängend nach Art eines Videofϊlms gespeichert und später mit einer zusätzlichen Software hinsichtlich der angestrebten Darstellung bzw. Ergebnisse nachbearbeitet werden. Beispielsweise kann eine gute Darstellung der Temperaturveränderung des Prüfungsbereichs dadurch erzielt werden, dass eine bestimmte Filmsequenz in erhöhter Geschwindigkeit mehrmals bzw. unbegrenzt oft hintereinander abgespielt wird (sogenannte Loop- Darstellung). Bei entsprechend hoher Bildwiederholungsrate kann somit ein
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc quasi stehendes Bild erzeugt werden, auf welchem die die Wärmeabfuhr beeinflussenden Komponenten bzw. Materialunterschiede gut sichtbar sind. Derart erzeugte digitalisierte Daten lassen sich darüber hinaus gut und einfach archivieren. Für derartige Verfahren bietet sich das sogenannte IMG Format an.
Je nach Zielsetzung und Prüfobjekt ist auch eine Erwärmung der Rückseite des Prüfobjektes möglich, sodass die Thermografiekamera den Wärmeverlauf von der der Thermografiekamera abgewandten Seite des Prüfobjektes in Richtung der Thermografiekamera anhand der Wärmeentwicklung auf der der Thermografiekamera zugewandten Oberfläche aufzeichnet.
Eine gleichzeitige Erwärmung und Temperaturmessung ist möglich, da eine Thermografiekamera für sichtbares Licht „blind" ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen ist auch denkbar, dass das Lasergerät sehr nahe an der Thermografiekamera angeordnet oder unmittelbar mit der Thermografiekamera, beispielsweise über ein Gestänge, verbunden ist. Eine Temperaturbeeinflussung der Thermografiekamera durch die Nähe des Lasergerätes ist im Gegensatz zu einer herkömmlichen Wärmequelle, beispielsweise einem Halogenstrahler, nahezu ausgeschlossen, zumindest aber ist die Beeinflussung deutlich geringer.
Die Untersuchung des Prüfobjektes kann beispielsweise auch durch eine zuvorige Ermittlung der Wärmeabsorptionsfähigkeit des Prüfbereichs verbessert werden. Hierfür wird der Prüfbereich zunächst vollflächig kurz erwärmt und anschließend wird mit Hilfe einer CCD-Kamera das reflektierte Bild des Prüfbereichs aufgenommen. Auf dem sich ergebenden Bild (Foto) stellen sich Stellen hoher Reflektion hell und Stellen niedriger Reflektion dunkler dar. Die folgende Wärmezufuhr durch den Laser, die letztendlich der Untersuchung des Prüfbereichs dienen soll, kann dann durch Intensität oder Verweildauer des Laserstrahls entsprechend angepasst werden, so dass eine
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc gleichmäßige Erwärmung der tieferen Schichten unabhängig von der Oberfläche des Prüfbereichs erreicht wird.
Eine Messung des reflektierten Anteils und somit entsprechend des absorbierten Anteils einer ersten Erwärmung für eine anschließende Anpassung der Wärmezufuhr kann auch durch die Thermografiekamera selbst erfolgen. Unmittelbar nach der ersten Erwärmung wird der Prüfbereich durch die Thermografiekamera aufgenommen. Das sich ergebende Bild zeigt ebenfalls die Stellen oder Bereiche des Prüfbereichs, die die Wärme stärker oder weniger stark reflektieren bzw. ableiten.
Auch ist denkbar, den Prüfbereich vor der Untersuchung vollflächig beispielsweise mit Kohle oder Graphitstaub zu beschichten. Die Beschichtung vereinheitlicht die Reflektionsfähigkeit des Prüfbereichs und kann anschließend schnell und einfach entfernt werden. Diese Methode eignet sich beispielsweise insbesondere für kleine Prüfobjekte. Die Beschichtung kann auch mit Hilfe eines anderen geeigneten Materials erfolgen.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung eines Laserstrahls besteht auch darin, dass die auch Erwärmung großer Flächen zentral erfolgen kann. Da der Laserstrahl auch über weite Strecken nur relativ geringe Leistungsverluste aufweist, reicht ein einmaliges, zentrales Aufstellen des Lasergerätes aus. Es ist beispielsweise bei großen Schiffsrümpfen nicht notwendig, zusätzliche Aufwendungen zur Gewährleistung der gleichmäßigen Wärmezufuhr zu betreiben (wie z.B. das Aufstellen von begehbaren Gerüsten)
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, dass eine zuverlässige Bestimmung der Qualität von Punktschweißnähten möglich ist. Bei der Punktschweißung entstehende Schweißlinsen weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und leiten zugeführte Wärme ent-
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc sprechend schnell ab. Nicht oder nur schlecht verbundene Bleche mit nichtdurchgängigen Schweißlinsen bzw. Lufteinschlüssen leiten die zugeführte Wärme entsprechend schlechter ab, was mit Hilfe der Thermografiekamera leicht nachweisbar ist. Die Verwendung des Laserstrahls erlaubt nun eine punktgenaue , kleinräumige Untersuchung der Schweißlinsen, was insbesondere bei der Massenfertigung vorteilhaft ist. Zu prüfende Punktschweißnähte können beispielsweise mittels eines Lasers mit definierter Leistung und Verweildauer auf der Schweißlinse erwärmt und anschließend gefilmt werden. Weist eine untersuchte Schweißlinse einen von einem Sollwert abweichende Farbgebung auf dem Wärmebild auf, kann beispielsweise eine A- larm oder ein Anhalten der Produktion ausgelöst werden.
Entsprechend ist auch die Untersuchung von linearen Schweißnähten möglich, eine Unterbrechung der Schweißnaht kann schnell und einfach aufgefunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren oder die erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Überprüfung von Bootsrümpfen aus Glasfaserkunststoff (GFK). Es hat sich herausgestellt, dass durch Festkörperdiffusion Salz oder Süßwasser durch mehr oder weniger geschütztes Glasfaserlaminat ein- und hindurchdringt. Dies geschieht in Abhängigkeit von Temperatur, Alter und Zusammensetzung der Medien Wasser/ GFK. Als Folge kommt es zu unerwünschten Endlaminierungen, Wassereinbrüchen und letztlich zur Zerstörung des Bootsrumpfes. Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens oder der erfindungsgemässen Vorrichtung ist es nun möglich, diese unerwünschte Veränderung des Bootsrumpfes in jedem Stadium nachzuweisen. Das Verfahren dient damit zur Beurteilung des Zustandes eines Rumpfes bzw. zum Nachweis der o.g. Mängel und kann als Entscheidungshilfe für die Wertermittlung eines Bootes insbesondere nach Reparaturen nach Unfällen usw. herangezogen werden. Auch ist bei der Fertigung neuer Boote oder Schiffe die einwandfreie Qualität des Bootsrumpfes mit dem erfindungsge-
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc mäßen Verfahren problemlos überprüfbar. Denkbar ist auch, dass der zur Untersuchung eingesetzte Laserstrahl durch Anpassung bzw. Veränderung der Leistung direkt zum Veröden der aufgefundenen Osmoseschäden oder zum Zerschneiden des Materials genutzt werden kann.
Die Erfindung kann in ähnlicher Weise zur Überprüfung von stahlgefertigten Objekten wie beispielsweise Kraftfahrzeuge oder Flugzeugen eingesetzt werden. Beispielsweise sind Fahrzeugkarosserien berührungslos von außen hinsichtlich nicht sichtbarer überlackierter Reparaturen untersuchbar. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit von Stahl- und Spachtelmasse tritt letztere bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens deutlich in Erscheinung.
Ein weiterer interessanter Einsatzbereich für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Einrichtung ist die Markierung bzw. Identifizierung von Gegenständen. Beispielsweise können Kraftfahrzeuge oder Boote an beliebiger Stelle unterhalb ihrer Lackschicht, also für das bloße Auge von außen nicht sichtbar, eine Markierung, beispielsweise eine Identifizierungsnummer aufweisen, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens schnell und einfach überprüft werden kann. Es wäre zum Beispiel denkbar, dass Kraftfahrzeuge eine derartige Markierung auf dem Dach des Fahrzeugs aufweisen, die dann bei Unterfahren einer Messstelle (beispielsweise an Landesgrenzen) von oben schnell und zuverlässig abfragbar wäre. Auch könnten kleine Markierung mit Handgeräten bei Verkehrskontrollen überprüft werden. Es wird ausdrücklich drauf hingewiesen, dass die Lehre des Markierens und Identifizierens als eigenständige Erfindung angesehen und eine Teilanmeldung unabhängig von der Lehre der hier bezeichneten Erfindung vorbehalten wird.
Zur Kontrolle der Verbindung von Verbundwerkstoffen oder Laminaten ist denkbar, dass das zu prüfende Material auf einer Fertigungsstrasse zu¬
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc nächst mittels des Laserstrahls erwärmt wird und anschliessend der Temperaturverlauf durch die Verbundplatte mit einer oder mehrerer parallel zur Förderstrecke mitfahrenden Thermografiekameras ermittelt wird. Nicht ordnungsgemäße Verbindungen und Lufteinschlüsse können somit schon während bzw. kurz nach der Fertigung ermittelt und unmittelbar anschließend behoben werden.
Die oben aufgeführten Anwendungsbeispiele stellen nur einen kleinen Ausschnitt der sich für das erfindungsgemässe Verfahren oder die erfindungs- gemässe Vorrichtung ergebenden Möglichkeiten dar. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale sind in der Figurenbeschreibung und den Unteransprüchen enthalten. Es zeigen:
Figur 1 : eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
Figur 2: eine Prinzipdarstellung des Abtastweges des Laserstrahls,
Figur 3: das Prinzip der bildhaften Darstellung,
Figur 4: eine vereinfachte Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens ,
Figur 5: eine Prinzipdarstellung einer automatisierten Untersuchungseinrichtung,
Figur 6: eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer zusätzlichen Kamera zur Aufzeichnung der Reflektionen des Prüfbereichs.
Figur 1 zeigt die erfindungsgemässe Prüfungsvorrichtung 1, bestehend aus
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc einem Lasergerät 2, welches einen Laserstrahl 4 emittiert, der über einen Scankopf 6 geleitet wird und anschließend auf ein Prüfobjekt 8 trifft. Weiterhin ist eine Kamera zur Ermittlung und bildhaften Darstellung von Temperaturunterschieden (Thermografiekamera) 10 und optional ein zusätzlicher Monitor 12 dargestellt 6. Der Laserstrahl 4 dient der Erwärmung eines der Thermografiekamera 10 zugewandten Prüfbereichs 14 der Oberfläche eines Prüfobjektes 8. Je nach Grosse des zu prüfenden Prüfobjektes 8 kann der Prüfbereich 14 die der Thermografiekamera 10 zugewandte Oberfläche vollständig oder nur teilweise beinhalten.
Als Lasergerät 2 hat sich die Verwendung eines Diodenlasergerätes als besonders vorteilhaft erwiesen, jedoch ist auch der Einsatz anderer Lasergerätetypen denkbar. Der zugehörige Scankopf 6 weist eine, zwei oder mehr Spiegel auf und dient der Ausrichtung und Steuerung des Laserstrahls 4.
Bei der Wahl einer geeigneten Thermografiekamera 10 sollte die Darstellung möglichst geringer Temperaturunterschiede (Schwellenwert) innerhalb des Prüfbereiches 14 möglich sein. Gute Ergebnisse wurden mit einer Kamera der Firma FLIR Systems AB erreicht. Mit dieser Kamera ist die Darstellung von Schwellenwerten bzw. Temperaturunterschieden von 100 mK möglich. Weiterhin ist die Kamera in der Lage, Temperaturbereiche von - 40° C bis + 120° C (Messbereich 1) oder 0° C bis + 500° C (Messbereich 2) und optional Temperaturen bis 2000° C zu messen. Als Detektor wird ein Infrarotdetektor „Focal Plane Array (FPA)" mit ungekühltem Mikrobolometer mit einer Auflösung von 320 x 240 Pixel und einem Spektralbereich von 7,5 bis 13 μm verwendet. Die Bildfrequenz beträgt 50/60 Hz PAL/NTSC non-interlaced. Es können Blickfeldwinkel von 7° x 5,3° bei einem minimalem Fokus von 6 m bis 80° x 60° bei minimalem Fokus von 0,2 m sowie für Nahaufnahmen von 64 mm x 48 mm/ 150 mm oder 32 mm x 24 mm/80 mm realisiert werden. Gute Ergebnisse wurden mit dem Objektiv 45° x 34°/0,3 m erzielt.
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc Ein Prüf objekt 8 z.B. aus CFK wird von einem Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 808 nm und einen Scankopf 6 mit zwei Spiegel für die X und Y Richtung mäanderförmig abgetastet (vgl. Fig. 2). Ein mäanderförmige Abtasten gewährleistet ein definiertes und exakt wiederholbares Abtasten des Prüfbereichs 14. Die Wellenlänge des Laserstrahls kann je nach Anforderungen, insbesondere in Abhängigkeit vom Material zwischen 750 und 900 nm variieren.
Der Laserstrahl 4 kann je nach gewünschter Intensität und zu untersuchender Fläche durch eine Linse gebündelt oder nicht gebündelt werden. Wird der Laserstrahl 4 nicht gebündelt, entsteht ein Brennfleck 16, der eine Fläche von etwa 1,5 cm x 1,5 cm aufweist. Auch die Fläche des Brennflecks 16 kann je nach Anforderungen variiert werden. Die Geschwindigkeit des Laserstrahls 2 bzw. des Brennflecks 16 auf dem Prüfobjekt 8 kann zwischen lmm und 10 000 mm/s betragen. Um eine ausreichende Erwärmung von Metall zu erreichen hat sich eine Geschwindigkeit von 100 mm/s, für die Erwärmung von CFK von 500 mm/s und von Polyethylen von 1000 mm/s als geeignet erwiesen.
Jegliche Temperaturänderung der Oberfläche des Prüfobjekts 8 kann in Echtzeit beobachtet und gleichzeitig beispielsweise in einem IMG-Format aufgezeichnet bzw. gespeichert werden.
Durch das gezielte Aufbringen der Wärme in Millisekunden auf der Oberfläche des Prüfobjekts 8 werden Störungen in dem zu prüfenden Bauteil sofort sichtbar. Durch weitere Erwärmungen kann die Wärme quasi schichtweise in das Prüfobjekt 8 eingebracht werden.
Eine genaue Tiefenbestimmung aufgezeigter Störungen jeglicher Art kann errechnet werden, da die Zeit bis zum Sichtbarwerden der Störung, die eingebrachte Wärmemenge (Laserleistung), die Fläche und das Material bekannt
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc sind.
Da der Scankopf 6 in jede Richtung schwenkbar ist, können Prüfobjekte 8 Bauteile in jeglicher Position zum Lasergerät 2 geprüft werden.
Figur 3 macht das Prinzip der bildhaften Darstellung deutlich. Der Prüfbereich 14 wird von der Thermografiekamera 10 (dargestellt durch gestrichelte Linien, eine Linse 18 und Bildelemente 20) in Gegenstandselemente 22 aufgeteilt. Die Temperaturen der einzelnen Gegenstandselemente 22 werden von der Kamera ermittelt und anschliessend über einen Strahlengang 24 als Bildelemente 20 dargestellt. Die Darstellung kann farbig oder in Graustufen erfolgen, wobei jedem Schwellenwert eine bestimmte Farbe oder Graustufe zugeordnet ist. Somit ergibt sich ein Abbild des Prüfbereiches 8, dargestellt auf Basis der Temperaturunterschiede zwischen den Gegenstandselementen 22. Weisen die Gegenstands elemente 22 keinen Temperaturunterschied auf, so ist auch in der 4 basierenden bildhaften Darstellung, beispielsweise durch den Monitor 12, kein Kontrast erkennbar. Weisen die Gegenstandselemente 22 jedoch unterschiedliche Temperaturen auf, so sind diese deutlich zu erkennen.
Figur 4 verdeutlicht die Vorgehensweise einer erfindungsgemässen Prüfung. Das Prüf objekt 8 befindet sich in dieser beispielhaften Darstellung im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung und hat eine Oberflächentemperatur von 20°C (siehe Fig. 4a). Neben dem Prüfobjekt 8 ist ein Graustufenkeil 26 dargestellt. Dieser Graustufenkeil 26 beschreibt die Darstellung der Temperaturunterschiede (Schwellenwerte) durch die Thermografiekamera 10. Anstelle von Graustufen kann auch eine farbige Darstellung gewählt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass in vielen Fällen die bildhafte Darstellung auf Basis von Graustufen zu besseren Ergebnissen führt. Gewöhnlich werden in der Thermografie niedrige Temperaturen dunkel und höhere Temperaturen heller dargestellt. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass für
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc die Prüfung von Materialien eine inverse Darstellung zu besseren Ergebnissen führt. Somit werden niedrige Temperaturen hell und höhere Temperaturen dunkler dargestellt.
Erfindungsgemäß wird nun in einem ersten Schritt die Thermografiekamera 10 derart eingestellt, dass die minimale zu messende Temperatur Tmin oberhalb der Durchschnittstemperatur Tmed (hier 20°C) des zu prüfenden Prüfbereiches liegt. Die minimale Temperatur Tmin beträgt hier 25° C. Ausgehend von Tmin wird ein sogenannter Span eingestellt, der von der minimalen Temperatur Tmin bis zur maximalen zu messenden Temperatur Tmax reicht (hier 35° C). Somit erscheint der Prüfbereich 14 im Monitor 12 als weiße Fläche. In einem nächsten Schritt wird nun der Prüfbereich 14 mit Hilfe des Laserstrahls 4 derart erwärmt, dass die Oberflächentemperatur des Prüfbereichs um mindestens einen, vorzugsweise mehrere Schwellenwerte ansteigt. Im vorliegenden Beispiel steigt die mittlere Temperatur Tmed auf 25° C an. Sofort zeigen sich innerhalb Prüfbereichs 14 Bereiche, die von der Durchschnittstemperatur Tmed abweichen. Derartige Störungen 28 erscheinen, wenn sie eine höhere Temperatur als Tmed aufweisen auf dem Monitor 12 als dunkle Flecken. Da auch die Durchschnittstemperatur Tmed durch die Erwärmung gegenüber der ursprünglichen Temperatur angestiegen ist, erscheint der Prüfbereich 14 insgesamt ebenfalls dunkler. Um nun eine klarere und deutlichere Darstellung der Störungen 28 zu erreichen, wird der die Darstellung auf dem Monitor 12 bedingende Graustufenkeil 26 der nun höheren Durchschnittstemperatur Tmed dadurch angepasst, dass die minimal darstellbare Temperatur Tm-n derart angehoben wird, dass diese größer oder gleich der Durchschnitts temperatur Tmed ist. Der Prüfbereich 14 erscheint somit auf den Monitor 12 wiederum als weiße Fläche, nur die Störungen 28, die die Wärmeabfuhr erschweren, erscheinen als gut erkennbare dunkle Flecken (vergleiche Fig. 4 b).
Wird nun dem Prüfobjekt 8 keine weitere Wärmeenergie zugeführt, so kühlt
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc sich das Prüfobjekt 8 ab, bzw. strömt Wärme in das Prüf objekt hinein. An der Oberfläche des Prüfobjektes bzw. im Prüfbereich 14 ist diese anhand der sich entwickelnden bzw. verändernden Temperaturunterschiede an der O- berfläche sichtbar. Dies wird besonders dann erleichtert, wenn der Graustufenkeil 26 der mittleren Temperatur Tmed ständig nachgeführt wird. Hierfür ermittelt die Thermografiekamera 10 permanent die sich aufgrund des Wärmeabflusses abkühlende Durchschnittstemperatur Tmed und stellt den Graustufenkeil 26 derart ein, dass die Durchschnitts temperatur Tmed weiß dargestellt wird (Figur 4 b und c). Somit sind beispielsweise Lufteinschlüsse, die die Wärmeabfuhr in das Prüfobjekt 8 erschweren, als dunkle Bereiche lokalisierbar. Eine Aufzeichnung der Veränderung der Oberflächentemperatur im Prüfbereich 14 über einen bestimmten Zeitraum erlaubt die Berechnung und Darstellung eines dreidimensionalen Bildes des Prüfbereiches 8 bzw. des Prüfobjektes 10. Mit Hilfe der wesentlichen Materialkenndaten ist die Ermittlung der Lage und des Verlaufes von Störungen 28 innerhalb des Prüfobjektes 10 möglich. Zur Erleichterung der Darstellung derjenigen Störungen 28 die die Abfuhr der Wärme in das Prüfobjekt 8 erleichtern, beispielsweise metallische Einschlüsse in Glasfaserkunststoffplatten, ist eine Einstellung des Graustufenkeils 16 derart vorzunehmen, dass auch diejenigen Bereiche, die eine höhere Temperatur als die Durchschnittstemperatur med aufweisen, sichtbar sind. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass die Durchschnittstemperatur Tmed als mittleren Grauton und die die Wärmeabfuhr erleichternden Störungen 28 dementsprechend als hellere Bereiche dargestellt werden. Es ist also möglich, den Graustufenkeil 26 entweder derart einzustellen, dass sowohl diejenigen Störungen 28 erkennbar sind, die die Wärmeabfuhr erleichtern, als auch diejenigen, die die Wärmeabfuhr behindern.
Je nach Anwendungsfall ist aber auch eine Einstellung des Graustufenkeils 16 derart möglich, dass entweder nur Störungen 28, die die Wärmeabfuhr in das Prüfobjekt 8 erleichtern oder nur Störungen 28, die die Wärmeabfuhr in
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc das Prüfobjekt 8 erschweren, dargestellt werden. Die Anpassung der Darstellung an die Durchschnittstemperatur Tmed kann anstelle eines automatische permanenten Anpassung auch manuell erfolgen. Auch ist denkbar, dass die Thermografiekamera 10 mit einer Markierungsvorrichtung für das Markieren innerhalb des Prüfbereichs 8, ausgerüstet ist. Dies kann beispielsweise durch einen gezielten Tinten- bzw. Farbstrahl erfolgen. Es sind je nach Anwendungsfall jedoch auch andere Arten der Markierung denkbar. Eine derartige Markierung ist besonders dann sinnvoll, wenn die Prüfobjekte 10 im Anschluss an die Prüfung bearbeitet oder ausgebessert werden sollen.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn zunächst Prüfobjekt 8 im ursprünglichen Zustand und dann sowohl die Erwärmung als auch die anschließende Abkühlung des Prüfobjektes 10 mit Hilfe der Thermografiekamera 10 zusammenhängend nach Art eines Videofilms aufgezeichnet werden. Es ergibt sich somit eine Dokumentation aller Zustande, ausgehend vom Urzustand bis hin zum abgekühlten Zustand. Dieser möglichst digitale Film kann anschließend mit Hilfe entsprechender Software auf einem Rechner 30 aufbereitet werden. Beispielsweise kann eine Anpassung der Grauanteile des Graustufenkeils 16 zur Verbesserung des Kontrastes erfolgen. Auch wird ein gute Darstellung der Temperaturveränderung des Prüfungsbereichs 8 dadurch erzielt, wenn eine bestimmte Filmsequenz in erhöhter Geschwindigkeit mehrmals bzw. unbegrenzt oft hintereinander abgespielt wird (sogenannte Loop-Darstellung). Bei entsprechend hoher Bildwiederholungsrate kann somit ein quasi stehendes Bild erzeugt werden, auf welchem die die Wärmeabfuhr beeinflussenden Komponenten bzw. Materialunterschiede gut sichtbar sind. Derart erzeugte digitalisierte Daten lassen sich darüber hinaus gut und einfach archivieren.
Figur 5 verdeutlicht, dass das erfindungsgemässe Verfahren bzw. die erfindungsgemässe Vorrichtung auch in einem automatisierten Prozess einzusetzen ist. Beispielsweise können Prüfobjekte 8 auf einem Förderband 32 dem
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc Lasergerät 2 bzw. dem Laserstrahl 4 zugeführt werden, der die Prüfobjekte 8 zunächst erwärmt. Anschliessend werden die Prüfobjekte 8 einer Thermografiekamera 10 zugeführt, die deren Oberflächentemperatur misst. Um die Messung über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten, kann die Thermografiekamera 10 derart bewegbar an einer Schiene 34 angeordnet sein, dass sich diese parallel zum Förderband 32 mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen kann. Die Einstellung beispielsweise des Graustufenkeils 26 erfolgt dabei vollautomatisch und die Ermittlung der Messdaten bzw. deren Darstellung und Bewertung erfolgt über einen an die Thermografiekamera 10 angeschlossenen Rechner 30 mit einem Monitor 12. Fehlerhafte Prüfobjekte 8 können erkannt und aussortiert werden. Um eine angemessene Geschwindigkeit des Prüfungsprozesses zu gewährleisten, kann es auch sinnvoll sein, mehrere Thermografiekameras 10 anzuordnen, die in Reihe nacheinander Bereiche der Prüfobjekte 8 überprüfen.
Die Untersuchung des Prüfobjekts 8 kann beispielsweise auch durch eine zuvorige Ermittlung der Wärmeabsorptionsfähigkeit des Prüfbereichs verbessert werden. Wie in Fig. 6 dargestellt ist zusätzlich eine CCD-Kamera 34 vorgesehen, mit der das reflektierte Bild des Prüfbereichs 14, nachdem er zunächst vollflächig kurz erwärmt wurde, aufgenommen. Auf dem sich ergebenden Bild (Foto) stellen sich Stellen hoher Reflektion hell und Stellen niedriger Reflektion dunkler dar. Die folgende Wärmezufuhr durch den Laserstrahl 4, die letztendlich der Untersuchung des Prüfbereichs 14 dienen soll, kann dann durch Intensität oder Verweildauer des Laserstrahls 4 entsprechend angepasst werden, so dass eine gleichmäßige Erwärmung der tieferen Schichten unabhängig von der Oberfläche des Prüfbereichs 14 erreicht wird. Hierfür kann eine direkte Verbindung bzw. Rückkopplung zwischen der CCD-Kamera und dem Lasergerät 2 vorhanden sein.
Eine Messung des reflektierten Anteils und somit entsprechend des absorbierten Anteils einer ersten Erwärmung für eine anschließende Anpassung
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc der Wärmezufuhr kann auch durch die Thermografiekamera selbst erfolgen. Unmittelbar nach der ersten Erwärmung wird der Prüfbereich durch die Thermografiekamera aufgenommen. Das sich ergebende Bild zeigt ebenfalls die Stellen oder Bereiche des Prüfbereichs, die die Wärme stärker oder weniger stark reflektieren bzw. ableiten.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst jegliche, im Sinne der Erfindung wirkenden und sich die Erfindung zunutze machenden Prüfverfahren. So kann beispielsweise die Darstellung der Prüfungsergebnisse je nach Ausführung der Thermografiekamera 10 auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann eine farbige oder mehr oder weniger hoch aufgelöste Darstellung in Anpassung an das Prüfobjekt 8 sinnvoll sein. Das Prüfungsverfahren eignet sich für berührungsloses, nichtzerstörendes Prüfen von Prüfobjekten 8 im weitesten Sinne. Ein Einsatz des Prüfungsverfahrens in der Medizin ist ebenfalls denkbar.
Bei der Zufuhr der Wärme ist es auch möglich, sich anstelle eines Lichtstrahls bzw. des Laserstrahls 4 oder auch zusätzlich zu diesem den Peltier- Effekt zunutze zumachen. Bringt man die beiden Enden eines Metalls (oder Halbleiters) in Kontakt mit einem anderen Metall und leitet einen elektrischen Gleichstrom hindurch, so erwärmt sich die eine Kontaktstelle, während sich die andere abkühlt. Kehrt man die Stromrichtung um, so vertauschen sich auch die Warm- und Kaltstellen. Es erzeugt also nicht eine Temperaturdifferenz einen Strom, sondern es wird durch Anlegen eines Gleichstromes ein Temperaturgefälle etabliert, welches mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachweisbar bzw. überprüfbar ist. Beispielsweise kann unter Nutzung des Peltiers- Effektes die Qualität von Schweißnähten überprüft werden.
Das Prüfobjekt 8 kann auch mittels induktiver Erwärmung erwärmt werden.
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc Durch die schnelle Änderung eines Magnetfeldes werden in leitenden Materialien Wirbelströme induziert. Der Stromfluss verursacht am Innenwiderstand des Materials einen Spannungsabfall, wodurch Leistung umgesetzt werden kann. Das Material erwärmt sich also ohne direkte Zuführung von Wärmeenergie von selbst. Diese Art der Erwärmung könnte beispielsweise bei der Untersuchung von Stahlkörpern wie Brücken oder Türmen eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin derart angewendet werden, dass nur Teilbereiche der Oberfläche des Prüfobjektes 8 gezielt erwärmt oder gekühlt werden. Auf Basis der sich anschließenden flächigen Temperaturausbreitung können ebenfalls Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften gezogen werden. Idealerweise breitet sich bei einem homogenen Körper die Wärme ausgehend vom Punkt der Erwärmung kreisförmig aus. Ist jedoch beispielsweise ein Riss oder eine Materialeinlagerung im Bereich der Wärmeausbreitung vorhanden, wird die gleichmäßige kreisförmige Ausbreitung der Wärme gestört. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sind derartige Wärmeverläufe und damit Anomalien deutlich nachweisbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach durchzuführen und ist für die Untersuchung einer Vielzahl von Gegenständen oder Materialien einsetzbar. Beispielsweise können auch Geldscheine schnell und einfach überprüft werden. Geldscheine bestehen aus verschiedenen Materialien und weisen somit ein charakteristisches und mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens nachweisbares Verhalten bei Temperaturveränderung auf. Beispielsweise könnte dieses „korrekte" Verhalten in einem Rechner gespeichert werden und das Temperaturverhalten eines zu untersuchenden Geldscheines mit diesem Referenzverhalten verglichen werden. Abweichungen würden dann auf Falschgeld hinweisen.
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc

Claims

Bezeichnung: ThermografϊeverfahrenPatentansprüche
1. Prüfungsverfahren für Materialien, bei dem mit Hilfe einer Kamera, welche Temperaturunterschiede oberhalb eines Schwellenwertes erfasst, durch Ermittlung und bildhafte Darstellung von Temperaturunterschieden auf Oberflächen von Prüfobjekten (8) a) die individuellen Temperaturen von Gegenstandselementen (22) innerhalb eines der Kamera zugewandten Prüfbereichs der Oberfläche des Prüfobjektes (8) ermittelt und dargestellt werden, und b) die Temperatur der Gegenstandselemente (22) exakt innerhalb eines in beliebigen Formen definierbaren Prüfbereichs (14) mit Hilfe eines fokus- sierten Lichtstrahls, vorzugsweise eines Laserstrahls (4) derart aktiv geändert wird, dass sich die Temperatur der Oberfläche des Prüfobjektes im Prüfbereich um mindestens den Betrag des Schwellenwertes verändert, und c) die temperaturveränderten Gegenstandselemente (22) als Bildelemente (20) derart dargestellt werden, dass ihr individuelles Temperaturverhalten aufgrund der Temperaturänderung erkennbar wird, und
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc d) vorzugsweise die weitere Temperaturveränderung des Püfbereichs mittels der Bildelemente (20) dargestellt wird.
2. Vorrichtung zur Prüfung von Materialien mit einer Kamera zur Ermittlung und bildhaften Darstellung von Temperaturunterschieden oberhalb eines Schwellenwertes und einem Lasergerät (2), welches einen Laserstrahl (4) zur Veränderung der Temperatur eines der Kamera zugewandten Prüfbereichs (14) eines Prüfobjektes (8) um mindestens den Betrag des Schwellenwertes emittiert.
3. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (4) aus einem Diodenlasergerät emittiert und über einen Scankopf (6) geführt wird.
4. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennfleck (16) des Laserstrahls (4) Mäanderförmig mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10 000 mm pro Sekunde über die Oberfläche des Prüfobjektes (8) geführt wird.
5. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfbereich (14) während eines Prüflings Vorgangs mehrmals nacheinander erwärmt wird.
6. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der einzelnen Gegenstandselemente (22) weniger als eine Sekunde, vorzugsweise weniger als eine Zehntelsekunde andauert.
7. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Oberfläche absorbierte Wärmemenge unmittelbar nach dem Wärmeauftrag messtechnisch erfasst wird.
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc
8. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen der Gegenstandselemente (22) unmittelbar nach dem Wärmeauftrag mit Hilfe der Wärmebildkamera ermittelt und bei einem anschließenden erneuten Wärmeauftrag die ermittelten unterschiedlichen Wärmeabsorptionsfähigkeiten einzelner oder mehrerer Gegenstandselemente (22) durch jeweils unterschiedlich starken Wärmeauftrag derart ausgeglichen werden, dass eine homogene Wärmezufuhr in die Tiefe des Prüfobjektes (8) erfolgt.
9. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer CCD-Kamera ein reflektierte Bild erfasst und bei einem anschließenden erneuten Wärmeauftrag ermittelte unterschiedliche Reflekti- onsfähigkeiten einzelner oder mehrerer Gegenstandselemente (22) durch jeweils unterschiedlich starken Wärmeauftrag derart ausgeglichen werden, dass eine homogene Wärmezufuhr in die Tiefe des Prüfobjektes (8) erfolgt.
10. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturveränderung des Püfbereichs mittels der Bildelemente (20) in Echtzeit auf einem Bildschirm dargestellt wird.
Aktenzeichen: S&P 2/01 Datei: Patentanmeldung.doc
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