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Messen und Prüfen - Thermographie

Grundlagen der Online-Thermographie

Physikalische Grundlagen der Infrarot-Thermographie

Die Infrarot-Thermographie macht sich die Tatsache zu Nutze, dass alle Objekte, die sich auf einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes befinden, elektromagnetische Strahlung abgeben, die als thermische oder Planck'sche Strahlung bezeichnet wird. Bei gegebener Wellenlänge hängt die Strahlungsleistung (für einen so genannten "schwarzen" Strahler) nur von der Temperatur ab, so dass diese durch Messung der Strahlungsleistung bestimmt werden kann. Voraussetzung dafür ist allerdings ein thermisches Gleichgewicht zwischen den Atomen und Molekülen, aus denen das Messobjekt besteht. Für industrielle Messaufgaben trifft dies fast immer zu. Gegenbeispiele sind Plasmaentladungen, wie sie zum Beispiel in Lichtbögen vorkommen.

Der "schwarze" Strahler beschreibt den theoretischen Idealfall und kann experimentell zum Beispiel durch Hohlraumstrahler realisiert werden. Reale Objekte strahlen unter gleichen Bedingungen eine geringere thermische Strahlung ab als schwarze Strahler. Diese Tatsache wird üblicherweise durch einen multiplikativen Faktor beschrieben, der als Emissivität g bezeichnet wird und definitionsgemäß Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann.

Die Emissivität eines Messobjekts hängt von der Art und Beschaffenheit seiner Oberfläche ab. Empirische Werte liegen für viele Materialien in Tabellenform vor [1]. Viele organische Materialien sowie Wasser und Glas weisen Emissivitäten von mehr als 0,9 auf. Oberflächen mit hoher Reflektivität dagegen weisen üblicherweise eine sehr geringe Emissivität auf. Im Infraroten gilt dies insbesondere für metallische Oberflächen. Im Thermographiebild kann dann die reflektierte thermische Strahlung des Hintergrundes die eigene thermische Strahlung des Messobjekts übertreffen und damit Fehlinterpretationen verursachen. Insbesondere kann die Kamera sich selbst im Messobjekt spiegeln, wobei der Detektor als kalter Fleck erscheint ("Narzisseffekt"). Bei Thermographiemessungen an Metallen ist daher große Sorgfalt geboten. Probleme mit ungenügenden oder unbekannten Emissivitätswerten können vielfach umgangen werden, indem die Messobjekte mit speziellen Lacken von hoher Emissivität überzogen werden.

Online-Infrarot-Thermographie als Werkzeug zur Qualitätskontrolle

In vielen modernen Produktionsprozessen durchlaufen die Produkte eine oder mehrere Förderstrecken (Rutschen, Förderbänder oder dergleichen). Die Fördergeschwindigkeiten können dabei mehrere Meter pro Sekunde betragen. Moderne Infrarot-Kamerasysteme sind in der Lage, auch bei diesen Geschwindigkeiten Thermographiebilder mit hoher Orts- und Temperaturauflösung zu erzeugen und in Echtzeit auszuwerten. Die Thermographieaufnahmen können dann als Grundlage für eine Beurteilung der Produktqualität dienen, so dass fehlerhafte Produkte ebenfalls in Echtzeit entnommen werden können. Dieser Einsatz der Thermographie wird hier als Online-Thermographie bezeichnet.

Wie bereits erläutert wurde, hängt die infrarote Strahlung eines Messobjekts einerseits von dessen Emissivität und andererseits von dessen Temperatur ab. Beide Abhängigkeiten können für eine Beurteilung der Produktqualität ausgenutzt werden.

In der klassischen Bildverarbeitung im sichtbaren Spektralbereich werden Intensitätsunterschiede im reflektierten Licht ausgenutzt, um Aussagen über sichtbare Eigenschaften des Objekts treffen zu können. In analoger Weise können auch Unterschiede in der Emissivität der Messobjekte ausgenutzt werden. Bei gleicher Temperatur strahlen Objekte mit unterschiedlicher Emissivität unterschiedlich intensive thermische Strahlung ab, so dass sie im Thermographiebild unterschiedlich hell erscheinen. Alternativ können die Objekte auch mit einem Infrarotstrahler beleuchtet werden, so dass das von ihnen reflektierte Licht detektiert werden kann. Dabei können sich im infraroten Spektralbereich völlig andere Kontraste ergeben als im sichtbaren. Zum Beispiel reflektieren sowohl polierte Metalloberflächen als auch Glasoberflächen im sichtbaren Bereich sehr stark, während im infraroten Spektralbereich polierte Metalloberflächen sehr gut, Glasoberflächen dagegen nur wenig reflektieren. Damit lassen sich diese Werkstoffe im Infraroten leichter voneinander unterscheiden als im Sichtbaren.

Umgekehrt sind farbige Aufdrucke auf Papier, Plastikfolien und dergleichen, die die Bildverarbeitung im Sichtbaren erschweren können, im Infraroten kaum sichtbar, so dass sich hier einfachere Verhältnisse ergeben.

Neben Emissivitätsunterschieden können vor allem auch Temperaturunterschiede in den Messobjekten zur Qualitätskontrolle ausgenutzt werden. Fehlen innere Wärmequellen, wie es bei den hier interessierenden Fällen die Regel ist, können trotzdem Wärmeflüsse und damit Temperaturunterschiede auftreten, und zwar durch transiente Wärmeleitungsvorgänge, die einen Erwärmungs- oder Abkühlungsvorgang in den Messobjekten voraussetzen.

Im Zuge solcher Erwärmungs- oder Abkühlungsvorgänge können im Thermographiebild Bereiche unterschieden werden, die sich in Bezug auf ihre Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität unterscheiden. Dieses Thermographie-Verfahren wird daher als Wärmefluss-Thermographie bezeichnet. Es kann zur Qualitätskontrolle dienen, da viele mögliche Fehlstellen (Lufteinschlüsse, Delaminationen, eingedrungene Feuchtigkeit) sich in ihrer Wärmeleitfähigkeit (Lufteinschlüsse, Delaminationen) oder in ihrer Wärmekapazität (eingedrungene Feuchtigkeit) vom guten Material unterscheiden. Dabei müssen diese Fehlstellen nicht unbedingt an der Oberfläche liegen, sondern können auch etwas tiefer im Material sitzen. Die genaue Eindringtiefe der Thermographie hängt von einer Vielzahl von Parametern ab und wird weiter unten näher betrachtet.

Es stellt sich nun die Frage, wie die notwendigen Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge eingeleitet werden können. Der einfachste Fall liegt vor, wenn die Messobjekte prozessbedingt ohnehin einen Abkühlungsvorgang durchlaufen und mit der Thermographie-Kamera nur beobachtet werden müssen (passive Wärmefluss-Thermographie ). Oberflächenbereiche, unter denen sich zum Beispiel Fehlstellen mit geringerer Wärmeleitfähigkeit befinden, kühlen dann schneller ab, weil weniger Wärme von innen nachfließt (Bild 1). Beispiele für solche Fehlstellen sind Delaminationen oder Lufteinschlüsse. Diese können so im Thermographiebild erkannt werden.

Bild 1: Prinzip der passiven Wärmefluss-Thermographie (Fraunhofer WKI Braunschweig).

Bild 1: Prinzip der passiven Wärmefluss-Thermographie (Fraunhofer WKI Braunschweig).

Falls die Ausnutzung von prozessbedingten Erwärmungs- oder Abkühlungsvorgängen nicht möglich ist, kann das Untersuchungsobjekt einem externen Wärmeimpuls ausgesetzt werden (aktive Wärmefluss-Thermographie ). Dies kann im einfachsten Fall durch einen Heizstrahler geschehen, unter dem die Messobjekte auf einem Förderband hindurchlaufen. Dies verursacht eine Wärmefront, die in das Objekt eindringt, während die Oberfläche sich abkühlt. Wird die Ableitung der Wärme ins Objektinnere durch Fehlstellen mit geringerer Wärmeleitfähigkeit behindert, bleibt die Oberfläche über der Fehlstelle länger warm (Bild 2). Dies kann wiederum im Thermographiebild erkannt und zur Erkennung der Fehlstellen ausgenutzt werden.

Bild 2: Prinzip der aktiven Wärmefluss-Thermographie (Fraunhofer WKI Braunschweig).

Bild 2: Prinzip der aktiven Wärmefluss-Thermographie (Fraunhofer WKI Braunschweig).

Wie alle Messverfahren unterliegt auch die Wärmefluss-Thermographie gewissen Auflösungsgrenzen. Eine physikalische Untergrenze für die räumliche Auflösung ist durch die Beugung an der Linsenöffnung gegeben; sie liegt bei etwa 12 µm. Eine weitere Grenze ist durch die Pixelzahl der Kamera gegeben. Beträgt die Breite einer Förderstrecke zum Beispiel 2,5 m, so wird bei einer typischen Pixelzahl von 256 x 256 quer zur Maschinenrichtung eine räumliche Auflösung von etwa 1 cm erreicht, falls die Förderstrecke formatfüllend auf das Detektorarray abgebildet wird. Bei sich sehr schnell bewegenden Objekten kann auch die Bildfolgerate (typischerweise größer als 100 Hz) die räumliche Auflösung begrenzen.

Schließlich muss auch die Temperaturauflösung der Kamera berücksichtigt werden. Bei modernen Kameras kann sie bei etwa 0,015 °C liegen. Das Messprinzip der Wärmefluss-Thermographie beruht auf der Tatsache, dass sich beim Abkühlen zwischen Oberflächenbereichen mit und ohne tieferliegende Defekte eine Temperaturdifferenz ΔT einstellt. Diese hängt im Allgemeinen von der Zeit ab, so dass es eine optimale Zeit gibt, zu der die Temperaturdifferenz einen maximalen Wert ΔTmax annimmt. Defekte können nur erkannt werden, wenn ΔTmax größer ist als die Temperaturauflösung der Kamera.

Die maximale Temperaturdifferenz ΔTmax hängt empfindlich von den geometrischen Gegebenheiten der Messobjekte und von ihren thermischen Materialparametern ab. Der genaue Zusammenhang kann entweder experimentell oder auch durch numerische Simulationen bestimmt werden. Als Beispiel ist in der nachfolgenden Tabelle 1 für einige Materialien zusammengestellt, wie ΔTmax von den genannten Einflussgrößen abhängt. Angenommen werden kreisförmige Defekte (Dicke: 0,1 mm) in 20 mm dicken rechteckigen Platten bei einer Heizleistungsdichte von 10 kW/m2 . H bezeichnet den Durchmesser des Defekts, während l angibt, wie tief der Defekt unter der Oberfläche liegt.

Tabelle 1: ΔTmax für einige Materialien als Funktion von Defektgröße und -tiefe [2].

Tabelle 1: ΔTmax für einige Materialien als Funktion von Defektgröße und -tiefe [2].

Als Faustregel gilt, dass ein Defekt dann erkannt werden kann, wenn sein Durchmesser nicht kleiner als die Defekttiefe ist.

Zusammenfassung

Die Online-Thermographie ermöglicht in vielen Fällen eine schnelle, berührungslose und in den Prozess integrierte Qualitätskontrolle einer Vielzahl von Produkten. Das Verfahren eignet sich aber auch zum Beispiel zur Fremdkörpererkennung in Lebensmitteln. Neben Emissivitätsunterschieden können in erster Linie Unterschiede in den thermischen Materialparametern der Messobjekte ausgenutzt werden (Wärmefluss-Thermographie). Besonders gut eignet sich die Wärmefluss-Thermographie zur Erkennung von oberflächennahen Delaminationen, Verklebungsfehlern und dergleichen in nicht-metallischen Verbundwerkstoffen.

Literaturhinweis

[1] G. Gaussorgues, Infrared Thermography, Chapman & Hall 1994.

[2] X. P. V. Maldague (Ed.), Infrared Methodology and Technology, Gordon and Breech 1992.

Jochen Aderhold, Peter Meinlschmidt, Fraunhofer-Institut für Holzforschung. Grundlagen der Online-Thermographie. In: Norbert Bauer (Hrsg.). Leitfaden zur Wärmefluss-Thermographie. Zerstörungsfreie Prüfung mit Bildverarbeitung. Erlangen, 2005, S. 5-7. Mit freundlicher Genehmigung der Fraunhofer-Allianz Vision, Erlangen.

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