WO2009065847A1 - Verfahren zur untersuchung der oberflächenbeschaffenheit von flächigen strukturen - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for investigating the surface condition of planar structures, wherein the surface areas continuously determined by a heat source are first heated in a controlled manner and after a predetermined time temperature measurements are carried out to determine the cooling behavior by the surface areas heated by the heat source be captured by a thermal imager at multiple times to create a temperature profile of individual surface points.
- surface texture is to be understood above and in the following to mean that not only the immediate surface is examined, but also a multilayer surface structure can be analyzed more deeply. These are, for example, several paint layers including any underlying air bubbles on a hull.
- a measuring head is generally with a predetermined speed moves over the surface to be examined, wherein on the measuring head on the one hand a heat source and on the other hand, a temperature sensor is provided.
- the temperature sensor which is arranged at a spatial distance in the direction of movement behind the heat source, makes it possible to determine the cooling behavior, from which conclusions about the surface texture can be drawn, whereby in particular the thickness of any existing paint layers can be detected.
- the object of the present invention is to avoid these disadvantages and to provide a method with which workpiece surfaces can be examined quickly and efficiently, wherein, in particular, a high spatial resolution both in the direction of the surface and in depth and a high level of discrimination can be achieved should.
- the invention it is possible to achieve a spatial resolution in all dimensions that is better than 0.5 cm.
- the measurement is usually carried out at a feed rate of about 0.1 m / s and a distance of the thermal imager to the sample of 40 cm.
- Initial tests have shown that more than 95% of the residual fields can be reliably detected.
- Residual fields are surfaces to which coating residues still adhere.
- Advantageous to the present invention is that the scan is flat, which increases the meaningfulness accordingly.
- Another essential aspect of the present invention is the measurement of the layer thickness. This makes it possible to gain more in practice meaningful information. Thus, for example, when recoating ship hulls, the thickness and / or the number of layers to be applied can be selectively adjusted as a function of the detected thickness of the still intact layers, which can lead to considerable material savings.
- a particularly high measuring accuracy is achieved in particular by the movement of the thermal imager, which can be expressed numerically as follows:
- a particularly favored embodiment variant of the method according to the invention provides that a characteristic cooling time constant ⁇ is calculated to evaluate the surface. It has been found that the characteristic cooling time constant, which will be explained in more detail below, is a particularly good measure of the surface quality of the sample.
- the present invention relates to an apparatus for inspecting the surface texture of sheet structures, comprising a heat source, means for moving the heat source along the surface of the structure, and a surface temperature sensing means of the structure connected to the means for moving the heat source ,
- the measuring device is designed as a thermal imaging camera which is designed to carry out repeated measurements of regions of the regions of the surface acted upon by the heat source, the respective measuring regions overlapping each other.
- the heat source is designed as a halogen lamp or as an arrangement of several halogen lamps. It can also be used elongated and very slim infrared heaters. It is particularly advantageous if the thermal imaging camera is designed as an IR camera with a resolution of at least 240 ⁇ 320 pixels. When using a suitable optics and with a corresponding recording distance so that a resolution of the order of 1 mm can be achieved.
- Fig. 1 is a side view of a test arrangement
- Fig. 2 is a plan view of the arrangement of Fig. 1;
- Fig. 3 diagrams for displaying measurement results.
- Equation 2 The three-dimensional problem of Equation 1 is simplified in Equation 2 by omitting the comparatively small terms to allow a closed solution.
- FIGS. 1 and 2 a measuring apparatus has been developed, which is shown schematically in FIGS. 1 and 2.
- a cylindrical sample with a different surface finish is used, which is designated 1.
- the sample is moved past a stationary arrangement of very slender infrared radiators 2 and is subsequently screened by an infrared camera 3 as a thermal imaging camera. palpated.
- the surfaces of the samples are painted in different composition, completely sandblasted, slightly sandblasted, the coatings have been performed in different paint layer thicknesses with different defects in the paint.
- the model (2) was further simplified. For this purpose, the following assumptions have been made: First, the heating up is impulsive; and at the impulse end the total energy supplied by radiation is still in the lacquer layer. Second, there is no further energy exchange on the paint surface after heating. And thirdly, the temperature of the carrier material T ⁇ remains constant during the cooling, because the carrier material on the one hand has a high thermal conductivity and the other a large heat capacity.
- T A indicates the temperature difference between the coating and the substrate immediately after heating
- T ⁇ the constant assumed temperature of the substrate
- ti the temporal length of the heating pulse
- ⁇ the Abkühl characterizing.
- the estimator is calculated according to the following formula (3):
- the indices ( ⁇ p , z) indicate the location on the material sample from which the measurement data s [m] originate.
- the length of the excitation phase ti is adapted to the actual values for the thickness and the temperature code a L of the uppermost layer.
- a useful choice for the duration of the excitation phase is the transit time t N described in FIG.
- the length of the excitation phase ti depends quadratically on the thickness I and inversely proportional on the temperature code a L , which consists of the thermal conductivity k L , the density p L and the heat capacity c L of the layer with the equation
- a higher spatial resolution of the thermal imager is not sufficient to increase the spatial resolution of the film thickness sensor.
- An improvement of the spatial resolution is only achieved if the refresh rate of the thermal imager increases or if the relative speed between the material sample and the sensor decreases.
- the thermal imager used has an exposure time of approx. 20 ⁇ s. This must be taken into account for the selection of the maximum relative speed so that a range of non-adjacent pixel areas covered by a camera pixel overlaps (smearing).
- the measuring system used for the measurement has already been briefly discussed.
- the geometric arrangement of the sensor components is shown in detail in FIG. 1 and FIG. 2 in the form of a sketch.
- the basic arrangement of the components is shown with a view and the associated floor plan.
- the IR camera used by NEC has a temperature resolution of 80 mK, a pixel count of 320 x 240 pixels and a maximum frame rate of 30 Hz.
- the camera is connected to a PC via a powerful bus system, on which the image data is processed .
- the power required for the excitation is produced by three halogen lamps 8 in the form of slim line sources, each receiving 1.5 kW of electrical power.
- Samples to be measured are on the rotation table of the so-called demonstrator.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit von flächigen Strukturen (1), bei dem durch eine entlang der Oberfläche bewegte Wärmequelle (2) fortlaufend bestimmte Oberflächenbereiche zunächst kontrolliert erwärmt werden und nach einer vorbestimmten Zeit eine Temperaturmessung durchgeführt wird, um das Abkühlverhalten zu bestimmen. Eine hohe Genauigkeit kann dadurch erreicht werden, dass die von der Wärmequelle (2) erwärmten Oberflächenbereiche zu mehreren Zeitpunkten von einer Wärmebildkamera (3) erfasst werden, um von einzelnen Oberflächenpunkten ein Temperaturprofil zu erstellen. Weiters betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Description
Verfahren zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit von flächigen Strukturen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit von flächigen Strukturen, bei dem bei dem durch eine Wärmequelle fortlaufend bestimmte Oberflächenbereiche zunächst kontrolliert erwärmt werden und nach einer vorbestimmten Zeit Temperaturmessungen durchgeführt werden, um das Abkühlverhalten zu bestimmen, indem die von der Wärmequelle erwärmten Oberflächenbereiche zu mehreren Zeitpunkten von einer Wärmebildkamera erfasst werden, um von einzelnen Oberflächenpunkten ein Temperaturprofil zu erstellen.
Der Begriff "Oberflächenbeschaffenheit" soll oben und in der Folge dahingehend verstanden werden, dass nicht nur die unmittelbare Oberfläche untersucht wird, sondern auch ein mehrschichtiger Oberflächenaufbau tiefergehend analysiert werden kann. Dies sind zum Beispiel mehrere Lackschichten einschließlich allfälliger darunter liegender Luftblasen auf einen Schiffskörper.
Es ist in vielen Bereichen der Technik erforderlich, den Zustand von Oberflächen großflächiger Bauteile zu untersuchen, um nachfolgende Bearbeitungsvorgänge zielgerichtet vornehmen zu können. Beispielsweise muss der Rumpf von Schiffen in bestimmten Abständen gegen Korrosion geschützt werden. Dazu werden alte schadhafte Anstriche in speziellen Verfahren abgetragen, um danach die gereinigten Stahloberflächen des Schiffsrumpfes mit einem neuen Anstrich versehen zu können. Dieses Verfahren wird als "recoating" bezeichnet. Die manuelle Durchführung dieses Verfahrens ist sehr arbeitsintensiv und für die beteiligten Personen gesundheitlich belastend. Es ist daher erstrebenswert, das Verfahren zu automatisieren, indem beispielsweise die Abtragung durch einen speziell konstruierten Roboterarm erfolgt, an dessen Ende sich ein Reinigungskopf befindet, der neben den Reinigungswerkzeugen auch mit einem Lackdickensensor bestückt ist, um eine vollständige Abtragung zu kontrollieren.
Es ist bekannt, die Oberflächenbeschaffenheit, und zwar insbesondere die Lackdicke dadurch zu bestimmen, dass die Werkstückoberfläche räumlich begrenzt erwärmt wird und das Abkühlverhalten durch eine Temperaturmessung bestimmt wird. Lösungen dieser Art sind in der DE 32 48 157 A, der DE 37 10 825 A oder der EP 1 132 736 A bekannt. Bei diesen Verfahren wird generell ein Messkopf mit
einer vorbestimmten Geschwindigkeit über die zu untersuchende Oberfläche bewegt, wobei am Messkopf einerseits eine Wärmequelle und andererseits ein Temperatursensor vorgesehen ist. Der Temperatursensor, der in einem räumlichen Abstand in Bewegungsrichtung hinter der Wärmequelle angeordnet ist, ermöglicht es, das Abkühlverhalten zu bestimmen, woraus Rückschlüsse über die Oberflächenbeschaffenheit gezogen werden können, wodurch insbesondere die Dicke eventuell noch vorhandener Lackschichten erfasst werden kann.
Es hat sich herausgestellt, dass die bekannten Verfahren nicht genau genug sind, um eine zufriedenstellende automatisierte Bearbeitung von Oberflächen, wie etwa von Schiffsrümpfen zu gewährleisten. Darüber hinaus erfolgt die Erfassung der Schichtdick nur punktweise, so dass die Aussagekraft beschränkt ist.
Aus der US 2006/0262971 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Wärmebildkamera dazu verwendet wird, aus dem Abkühlverhalten eines Bauteils Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Bauteils zu ziehen. Dabei ist jedoch aufgrung der statischen Anordnung der Messbereich auf das Bildfeld der Wärmebildkamera beschränkt, so dass größere Bauteile nicht oder nur in unbefriedigender Weise untersucht werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren anzugeben, mit dem Werkstückoberflächen schnell und effizient untersucht werden können, wobei insbesondere eine hohe räumliche Auflösung sowohl in Richtung der Oberfläche als auch in der Tiefe und eine große Diskriminierbar- keit erzielbar sein sollen.
Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, dass die Wärmequelle mit einer Bewegungsgeschwindigkeit v über die Oberfläche bewegt wird, dass die Wärmebildkamera in Bewegungsrichtung einen Längenbereich der Länge s abdeckt, dass der Zeitabstand der Durchführung von Messungen mit der Wärmebildkamera jeweils t0 beträgt und dass weiters der Zeitabstand t0 kleiner ist als 10%, vorzugsweise kleiner als 5% des Verhältnisses der Länge s zur Bewegungsgeschwindigkeit.
Durch die Erfindung ist es möglich, eine Ortsauflösung in allen Dimensionen zu erreichen, die besser als 0,5 cm ist. Dabei erfolgt die Messung in der Regel mit einer Vorschubgeschwindigkeit von etwa 0,1 m/s und einem Abstand der Wärmebildkamera zur Probe von 40 cm. Erste Versuche haben gezeigt, dass mehr als 95% der Restfelder sicher detektiert werden können. Restfelder sind Flächen, an denen noch Beschichtungsreste haften. Durch genauere Justierung sind hier weitere Verbesserungen zu erwarten. Vorteilhaft an der vorliegenden Erfindung
ist, dass die Abtastung flächig erfolgt, was die Aussagekraft entsprechend erhöht.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Messung der Schichtdicke. Dadurch ist es möglich, weitere in der Praxis bedeutsame Informationen zu gewinnen. So kann beispielsweise beim Recoating von Schiffsrümpfen die Dicke und/oder die Anzahl der aufzutragenden Schichten in Abhängigkeit von der erfassten Dicke der noch intakten Schichten selektiv eingestellt werden, was zu einer erheblichen Materialersparnis führen kann.
Eine besonders hohe Messgenauigkeit wird insbesondere durch die Bewegung der Wärmebildkamera erreicht, was zahlenmäßig folgendermaßen ausgedrückt werden kann :
to < 0,1 . s / v, vorzugsweise
to < 0,05 . s / v.
Es hat sich herausgestellt, dass auf diese Weise eventuelle Störgrößen einen relativ geringen Einfluss auf das Messergebnis haben.
Eine besonders begünstigte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zur Beurteilung der Oberfläche eine charakteristische Abkühlzeitkonstante τ berechnet wird. Es hat sich herausgestellt, dass die charakteristische Abkühlzeitkonstante, die in der Folge näher erläutert werden wird, ein besonders gutes Maß für die Oberflächenbeschaffenheit der Probe ist.
Weiters betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit von flächigen Strukturen, mit einer Wärmequelle, einer Einrichtung zur Bewegung der Wärmequelle entlang der Oberfläche der Struktur und einer Messeinrichtung zur Erfassung der Oberflächentemperatur der Struktur, die mit der Einrichtung zur Bewegung der Wärmequelle verbunden ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Messeinrichtung als Wärmebildkamera ausgebildet ist, die dazu ausgebildet ist, wiederholt Messungen von Bereichen der von der Wärmequelle beaufschlagten Bereiche der Oberfläche durchzuführen, wobei sich die jeweiligen Messbereiche überlappen.
Bevorzugt ist die Wärmequelle als Halogenlampe oder als Anordnung mehrerer Halogenlampen ausgebildet. Es können auch längliche und sehr schlanke Infrarotstrahler verwendet werden.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Wärmebildkamera als IR-Kamera mit einer Auflösung von mindestens 240 x 320 Pixel ausgebildet ist. Bei Verwendung einer geeigneten Optik und bei einem entsprechendem Aufnahmeabstand kann damit eine Auflösung in der Größenordnung von 1 mm erzielt werden.
In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine seitliche Ansicht einer Versuchsanordnung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Anordnung von Fig. 1; und
Fig. 3 Diagramme zur Darstellung von Messergebnissen.
Allgemein ist zunächst folgendes anzumerken :
Es wurden Informationen über die Prinzipien des Wärmetransports (Leitung, Kon- vektion und Strahlung) sowie über Thermografie gesammelt. Strahlung wird von Körpern emittiert, wobei die Strahlungsintensitäten von der absoluten Temperatur des Körpers wesentlich abhängen. Die Leitung beschreibt die Wärmeleitung im Material. Um diese Wärmetransportprozesse quantifizieren zu können, ist ein umfangreiches Wissen über Materialeigenschaften notwendig. Daher wurden in weiterer Folge die Eigenschaften Emissionsgrad, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitzahl, Wärmekapazität und Dichte verschiedener Stähle und Basismaterialien für Lacke gesammelt. Dabei stellte sich heraus, dass diese Daten für Stähle relativ leicht zugänglich und verlässlich sind, jedoch im Gegensatz dazu für Lacke kaum Kennwerte vorhanden sind. Aus diesem Grund ist man darauf angewiesen, die Eigenschaften der Basismaterialien der Lacke zu verwenden. Die Emissivität betreffend können nur tendenzielle Aussagen getroffen werden, da diese sehr stark von der Oberfläche abhängig ist. Es besteht jedoch ein in der Regel großer Unterschied zwischen der Emissivität von Lacken (um 0,9) und von Stahl (zwischen 0,2 und 0,6). Die Emissivität lässt sich jedoch nur bedingt auf den Absorptionsgrad einer Oberfläche umlegen, So dass Messverfahren auf diese Basis unbefriedigende Ergebnisse liefern.
Die Wärmeleitung erfolgt aufgrund eines im Material vorhandenen Temperaturgradienten. Die allgemeine Wärmeleitgleichung (Gl. 1) beschreibt diesen Vorgang bezüglich der drei Richtungen des Raumes x, y und z und der Zeit t. Für ein eindimensionales Problem ohne innere Wärmequellen ergibt sich als Wärmeleitgesetz gemäß Gleichung (2) mit den unabhängigen Variablen x und t. Die Temperaturleitzahl ergibt sich zu :
a=
dabei bedeuten :
W
Wärmeleitfähigkeit niK kg spezifische Dichte m
J spezifische Wärmekapazität kgK W pro Volumeneinheit und pro Zeiteinheit erzeugte m
Wärmemenge m
Temperaturleitzahl s
Das dreidimensionale Problem von Gleichung 1 wird in Gleichung 2 durch Weglassen der vergleichsweisen kleinen Terme vereinfacht, um eine geschlossene Lösung zu ermöglichen.
Anhand dieser Gleichungen wurde ein Modell für die eindimensionale Wärmeleitgleichung erstellt, das als Grundlage zur Simulation mit einer Software zur Lösung mathematischer Probleme (Matlab) diente. Die Simulationsergebnisse bestätigen die Erwartungen bezüglich Absorption und Wärmeleitung. Aufgrund der großen Unsicherheit bezüglich der Materialkennwerte war es jedoch wichtig, auf experimentelle Untersuchungen überzugehen.
Für die Durchführung erster Versuche zur Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine Messapparatur entwickelt, die schematisch in den Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist. Dabei wird eine zylindrische Probe mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit eingesetzt, die mit 1 bezeichnet ist. Die Probe wird an einer feststehenden Anordnung von sehr schlanken Infrarotstrahlern 2 vorbeibewegt und danach durch eine Infrarotkamera 3 als Wärmebildkamera ab-
getastet. Die Oberflächen der Proben sind dabei in unterschiedlichen Zusammensetzung lackiert, vollständig sandgestrahlt, leicht sandgestrahlt, wobei die Lackierungen in verschiedenen Lackschichtdicken mit unterschiedlichen Fehlstellen im Lack ausgeführt worden sind.
Im Zuge der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde ein Schätzer
Λ für die charakteristische Abkühlzeitkonstante τ entwickelt.
Zur Herleitung eines geeigneten Schätzers für die charakteristische Abkühlzeitkonstante τ wurde das Modell (2) weiter vereinfacht. Zu diesem Zweck wurden die folgenden Annahmen getroffen : Erstens, das Aufheizen erfolgt impulsförmig; und am Impulsende ist die gesamte durch Strahlung zugeführte Energie noch in der Lackschicht. Zweitens, es erfolgt nach dem Aufheizen kein weiterer Energieaustausch an der Lackoberfläche. Und Drittens, die Temperatur des Trägermaterials T∞ bleibt während der Abkühlung konstant, weil das Trägermaterial zum Einen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und zum Andern eine große Wärmekapazität besitzt.
Mit den getroffenen Annahmen lässt sich die Wärmeübertragung (Lackschicht ins kältere Trägermaterial) mit einer gewöhnlichen homogenen Differenzialgleichung beschreiben.
Die Lösung für die Oberflächentemperatur T(t) ist dann :
T(t) = TA - e + τ (2a)
wobei TA den Temperaturunterschied zwischen Lack und Trägermaterial unmittelbar nach dem Aufheizen, T∞ die konstant angenommene Temperatur des Trägermaterials, ti die zeitliche Länge des Aufheizimpulses und τ die Abkühlcharakteristik angeben.
{ψp'z) (Wi]-W^])/"*
Es werden darin mit M die Anzahl der Messwerte der zur Verfügung stehenden Messdaten s[m] und mit dem frate die Bildwiederholrate der Wärmebildkamera
angegeben. Die Indizes (φp, z) geben den Ort auf der Materialprobe an, von dem die Messdaten s[m] stammen.
Durch Simulation der Wärmeleitprozesse, die mit einem aus Lackschicht (Index L) und Metallplatte (Index Fe) zusammengesetzten Block durchgeführt wird, wurde der Einfluss der Materialparameter, wie Temperaturleitzahl a und Schichtdicke I auf die charakteristische Abkühlzeitkonstante τ untersucht. Das Verhältnis der Temperaturleitzahlen
ä = ^- (4) aL
wurde dabei für den Bereich ä = {3,...., 3200} betrachtet. In obiger Gleichung (4) geben aFe die Temperaturleitzahl von Stahl und aL die Temperaturleitzahl der darüber befindlichen Schicht (Lack) an. Bei der Untersuchung hat sich gezeigt, dass zwischen τ und der Dicke I ein nichtlinearer Zusammenhang besteht und dessen Eigenschaften deutlich vom Verhältnis der Temperaturleitzahlen ä beein- flusst wird.
Damit bei der Simulation die maximal mögliche Empfindlichkeit bei der Zuordnung von Dicke I und charakteristischen Abkühlzeitkonstante τ=f(l) vorliegt, wird die Länge der Anregungsphase ti an die aktuellen Werte für die Dicke und die Temperaturleitzahl aL von der obersten Schicht angepasst. Als brauchbare Wahl für die Dauer der Anregungsphase hat sich die in beschriebene Transitzeit tN, die mit der Gleichung
^ = ^ « 0,36— (5) aL
berechnet wird, herausgestellt. Wie man sieht, hängt die Länge der Anregungsphase ti quadratisch von der Dicke I und umgekehrt proportional von der Temperaturleitzahl aL ab, die sich aus der Wärmeleitfähigkeit kL, der Dichte pL und der Wärmekapazität cL der Schicht mit der Gleichung
berechnet wird.
Das Ergebnis der Simulation ist in Fig. 3 dargestellt. In (a) ist die Schichtdicke I gegen die charakteristische Abkühlzeitkonstante τ für unterschiedliche Verhältnisse der Temperaturleitzahlen ä (ä = {100/5,..., 103'5}) aufgetragen. In (b) ist von (a) der Wertebereich l = {0,..., 0,5} mm und τ={0,..., 200} ms vergrößert dargestellt. Man sieht dadurch deutlich die in diesem Wertebereich auftretende Mehrdeutigkeit der Graphen mit ä = {100/5, 101}. Wie man aus Fig. 3 sieht, ist den Graphen mit zunehmendem Verhältnis der Temperaturleitzahlen ä ein größer werdender Offset überlagert.
- Die Größe des Offsets, der den Graphen Fig. 3 überlagert ist, nimmt mit steigendem Verhältnis der Temperaturleitzahlen ä zu.
- Wie man in Fig. 3 sieht, besteht ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Dicke I und der charakteristischen Abkühlzeitkonstante τ.
- Der Zusammenhang ist zwar nichtlinear, aber über größere Bereiche streng monoton steigend, wodurch eine eindeutige Zuordnung der Dicke I zur charakteristischen Abkühlzeitkonstante τ gegeben ist.
Ein wichtiger Punkt des gezeigten Simulationsergebnisses ist, dass mit zwei Ausnahmen (ä = {3, 16, 10}) alle Graphen streng monoton steigend sind und daher eine eindeutige Dickenangabe ermöglichen. Es lassen sich bessere Messergebnisse erzielen, wenn die Temperaturleitzahl aL der Lackschicht viel kleiner als die des Trägermaterials (Metallplatte) ist. Die gewählte Dauer der Anregungsphase ti ist deswegen interessant, weil ein zu kurzes Intervall das Ergebnis verfälscht.
Im Rahmen dieses Milestones wurde untersucht, wie sich die Eigenschaften der Wärmebildkamera auf die Schichtdickenmessung auswirken. Im Speziellen wurde untersucht, ob mit Änderung der Ortsauflösung, Temperaturauflösung, Bildwiederholrate oder Belichtungsdauer der Wärmebildkamera eine Verbesserung der Systemeigenschaften erreichen lässt.
- Eine höhere Ortsauflösung der Wärmebildkamera reicht nicht aus, um die Ortsauflösung des Schichtdickensensors zu erhöhen. Eine Verbesserung der Ortsauflösung wird nur dann erzielt, wenn die Bilderwiederholrate der Wärmebildkamera zunimmt oder die Relativgeschwindigkeit zwischen Materialprobe und Sensor abnimmt.
Das ist deswegen so, weil der örtliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildpunkten (in Bewegungsrichtung) sich aus dem Quotienten der Relativgeschwindigkeit v und der Bildwiederholrate frate ergibt.
- Die bessere Temperaturauflösung der Wärmebildkamera beeinflusst das Signal/Rauschleistungsverhältnis, was eine geringere Schätzvarianz der charakteristischen Abkühlzeitkonstante τ und damit der gesuchten Schichtdicke zur Folge hat.
- Die eingesetzte Wärmebildkamera hat eine Belichtungsdauer von ca. 20μs. Diese muss für die Wahl der maximalen Relativgeschwindigkeit berücksichtigt werden, damit ein von einem Kamerapixel erfasster Bereich nicht benachbarter Pixelbereiche überschneidet (Verschmieren).
Das für die Messung eingesetzte Messsystem wurde bereits kurz diskutiert. Die geometrische Anordnung der Sensorkomponenten ist in Fig. 1 und Fig. 2 in Form einer Skizze im Detail dargestellt. Die prinzipielle Anordnung der Komponenten wird mit einer Ansicht und dem dazugehörigen Grundriss gezeigt. Die eingesetzte IR-Kamera der Firma NEC hat eine Temperaturauflösung von 80 mK, eine Bildpunktanzahl von 320 x 240 Pixel und eine maximale Bildwiederholrate von 30 Hz. Beim Messen ist die Kamera mittels eines leistungsfähigen Bussystems an einen PC angeschlossen, auf dem die Bilddaten weiterverarbeitet werden. Die für die Anregung nötige Leistung wird von drei Halogenlampen 8 in der Form von schlanken Linienquellen produziert, die je 1,5 kW elektrische Leistung aufnehmen. Zu vermessende Proben liegen auf dem Rotationstisch des sogenannten Demonstrators. Die Winkelgeschwindigkeit ω kann zwischen 0 und «l,5π rad/s eingestellt werden, was bei einem Probenradius von r=20,5 cm eine maximale Umfangsgeschwindigkeit von vmax«0,94 m/s ergibt.
Typische Werte für die Einstellung der Parameter für die Schichtdickenmessung sind in Tabelle 1 angegeben.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Schichtdicke von Lackschichten und die sonstige Oberflächenbeschaffenheit von Werkstücken mit hoher Genauigkeit automatisch und bei hohen Relativgeschwindigkeiten zu erfassen.
Claims
1. Verfahren zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit von flächigen Strukturen (1), bei dem durch eine Wärmequelle (2) fortlaufend bestimmte Oberflächenbereiche zunächst kontrolliert erwärmt werden und nach einer vorbestimmten Zeit Temperaturmessungen durchgeführt werden, um das Abkühlverhalten zu bestimmen, indem die von der Wärmequelle (2) erwärmten Oberflächenbereiche zu mehreren Zeitpunkten von einer Wärmebildkamera (3) erfasst werden, um von einzelnen Oberflächenpunkten ein Temperaturprofil zu erstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle mit einer Bewegungsgeschwindigkeit v über die Oberfläche bewegt wird, dass die Wärmebildkamera (3) in Bewegungsrichtung einen Längenbereich der Länge s abdeckt, dass der Zeitabstand der Durchführung von Messungen mit der Wärmebildkamera (3) jeweils t0 beträgt und dass weiters der Zeitabstand t0 kleiner ist als 10%, vorzugsweise kleiner als 5% des Verhältnisses der Länge s zur Bewegungsgeschwindigkeit v, d.h. t0 < 0,1 . s / v, vorzugsweise t0 < 0,05 . s / v.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beurteilung der Oberfläche mindestens eine charakteristische Abkühlzeitkonstante τ berechnet wird.
3. Vorrichtung zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit von flächigen Strukturen (1), mit einer Wärmequelle (2) und einer als Wärmebildkamera (3) ausgebildeten Messeinrichtung (3) zur Erfassung der Oberflächentemperatur der Struktur (1), die mit der Einrichtung zur Bewegung der Wärmequelle (2) verbunden ist, und die dazu ausgebildet ist, wiederholt Messungen von Bereichen der von der Wärmequelle (2) beaufschlagten Bereiche der Oberfläche durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, eine Einrichtung zur Bewegung der Wärmequelle (2) entlang der Oberfläche der Struktur vorgesehen ist, um mehrere Messbereiche abzudecken, wobei sich die jeweiligen Messbereiche überlappen, und dass die Wärmebildkamera (3) eine Bildwiederholfrequenz (frate)aufweist, die so bestimmt ist, dass der Zeitabstand der Durchführung von Messungen mit der Wärmebildkamera (3) jeweils t0 beträgt und dass weiters der Zeitabstand t0 kleiner ist als 10%, vor- zugsweise kleiner als 5% des Verhältnisses der Länge s zur Bewegungsgeschwindigkeit v, d.h. t0 < 0,1 . s / v, vorzugsweise to < 0,05 . s / v.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (2) als mindestens eine Halogenlampe ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Halogenlampe stabförmig ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (2) als mindestens ein Infrarotstrahler ausgebildet ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebildkamera (3) als IR-Kamera mit einer Auflösung von mindestens 240 x 320 Pixel ausgebildet ist.
2008 11 19 Ba
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