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Messen und Prüfen - Thermographie

Moderne Thermographieverfahren - Impuls- und Lock-In-Thermographie

Der folgende Beitrag behandelt die Grundlagen der Impulsthermographie und der thermischen Wellen. Die beiden Varianten der dynamischen aktiven Thermographie werden vergleichend erläutert und im Hinblick auf ihre jeweiligen Stärken und Anwendungsbereiche behandelt.

Kennzeichen der dynamischen Thermographie ist es, zeitlich veränderliche Wärmeströme gezielt auszunutzen, um etwas über aufzufindende Qualitätsmerkmale zu erfahren [1]. Dabei kann man den Wärmequellen sehr unterschiedliche Zeitfunktionen einprägen. Neben den im Folgenden näher betrachteten impulsförmigen oder sinusförmigen Zeitverläufen findet man die Stufenfunktionsheizung, die Heizung durch bewegte Heizquellen oder spezielle Signalformen wie Chirpfunktionen oder Pseudorandom-Sequenzen (Bild 1).

Bild 1: Zeitlicher Verlauf der Wärmequellen (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Bild 1: Zeitlicher Verlauf der Wärmequellen (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Dirac-Impulse und Continuous-Wave-Sinusfunktionen sind spezielle Funktionen, die den Vorteil haben, dass in der Theorie linearer Systeme Lösungen der partiellen Differentialgleichungen wohlbeschrieben sind und für die analytische Modellierung viele Lösungen existieren [2]. Außerdem lassen sich diese Signalformen im Experiment in guter Näherung realisieren.

Im Gegensatz zur stationären Thermographie, wo im Wesentlichen Größen wie die Wärmeleitfähigkeit und thermische Widerstände das System beschreiben, ist die entscheidende Größe für die Ausbreitung von Wärmepulsen oder Wärmewellen die thermische Diffusivität oder Temperaturleitfähigkeit. Neben der Wärmeleitfähigkeit spielen auch Dichte und spezifische Wärmekapazität eine wichtige Rolle.

Für eine gepulste (deltaförmige) Wärmequelle an der Oberfläche eines optisch undurchlässigen, halbunendlichen Körpers kann man die Lösung der Differentialgleichung relativ kompakt angeben. Kennzeichen ist, dass an der Oberfläche bei z=0 die Temperatur proportional zu 1/t0,5 abfällt. Die Visualisierung der Funktion T(z,t) zeigt, wie der Wärmepuls unter dem typischen diffusiven "Zerfließen" in die Tiefe des Prüfobjekts vordringt und dabei zu jedem Zeitpunkt an der Oberfläche maximal bleibt (Bild 2). Neben der thermischen Diffusivität ist eine weitere wichtige Materialkenngröße der dynamischen Thermographie die Effusivität oder der Wärmeeindringkoeffizient. Die Effusivität bestimmt die momentanen Grenzflächentemperaturen bei kurzzeitiger Energieeinbringung.

Bild 2: Visualisierung eines Wärmepulses (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Bild 2: Visualisierung eines Wärmepulses (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Bild 3: Schematischer Messaufbau bei der Impulsthermographie (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Bild 3: Schematischer Messaufbau bei der Impulsthermographie (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Ein typischer Prüfaufbau für ein Impuls-Thermographiesystem ist in Bild 3 gezeigt [3]. Durch eine oder mehrere Blitzlampen bringt man Wärme in Form von intensiven Lichtpulsen in die Oberfläche des Prüfobjekts ein. Eine Infrarotkamera registriert die von der Oberfläche ausgehende Strahlung. Wesentlich bei einem aktiven Thermographiesystem sind eine Steuereinheit für den Zeitablauf, die Synchronisation von Blitz und Bildaufnahme und die Erfassung und Analyse des Zeitablaufs.

Als ein einführendes Beispiel wird im Folgenden die Prüfung eines Stahlrings mit einer 100 µm dicken Innenbeschichtung aus Nickel auf Haftungsfehler gezeigt. Die thermische Diffusionszeit liegt auf Grund der hohen thermischen Diffusivität von Nickel in der Größenordnung von einigen Millisekunden. Eine schnelle Infrarotkamera ist gefordert. Die Detailanalyse, für die die Software VISOTHERM® des Fraunhofer IZFP verwendet wurde, zeigt das Infrarotbild vor dem Blitz, die teilweise Überstrahlung während des Blitzes, die Ausbildung der inselartigen Temperaturkontraste von schlecht haftenden Bereichen nach 30 bis 50 ms und das nahezu vollständige Wiedererreichen des Ausgangszustands nach etwa 150 ms (Bild 4).

Bild 4: Haftungsprüfung bei einem Ni-beschichteten Stahlteil (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Die Lichtleistungen bei gepulsten Blitzlampen erreichen kurzzeitig den Megawatt-Bereich, die transiente Temperaturbelastung der Prüfobjekte bleibt dennoch bei wenigen bis zu einigen zehn Grad. Ein typischer Puls ist gekennzeichnet durch eine schnelle Anstiegsflanke und eine in guter Näherung exponentielle Abfallzeit mit einer Zeitkonstanten von 5 ms. Das zugehörige Fourierspektrum zeigt starke Frequenzanteile bis etwa 200 Hz, wobei aber auch bis 1 kHz noch angeregt wird. Bezüglich der eingebrachten Energiedichte und ihrer spektralen Verteilung ist dieser Impuls sowohl für schnelle oberflächennahe Fehlstellen als auch für tieferliegende Fehler geeignet.

Bei der Lock-In-Thermographie [4] setzt man im Idealfall sinusförmig modulierte Heizquellen ein. Bei der optisch angeregten Thermographie können dies (bei niedrigen Frequenzen bis wenige Hz) strommodulierte Halogenlampen sein, bei höheren Frequenzen choppermodulierte Lichtquellen (Hz bis kHz) und bei höchsten Frequenzen intensitätsmodulierte Laserstrahlquellen. Der übrige Versuchsaufbau unterscheidet sich nicht wesentlich von dem der Impulsthermographie, wohl allerdings die Signalanalyse.

Für eine sinusförmig modulierte Wärmequelle findet man wellenartige Lösungen für den eindimensionalen Fall. Die charakteristische Ausbreitungs- und Dämpfungslänge für diese "Welle" ist die thermische Diffusionslänge. Sie wächst umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Modulationsfrequenz. Es besteht eine gewisse Analogie zur Skintiefe bei der elektromagnetischen Welle. Die Welle ist in der Tiefe nach ca. zwei Diffusionslängen nahezu vollständig gedämpft. Nur aus der Tiefe von bis zu ein oder zwei thermischen Diffusionslängen können Fehlerkontraste erwartet werden. Die Lokalisierung des periodischen Anteils, die bei punktförmiger Wärmeeinbringung auch lateral auftritt, macht einen entscheidenden Unterschied zur stationären Wärmeleitung aus. Bei abbildenden Wärmewellenverfahren spricht man daher auch vom "Scharfstellen mit der Frequenz".

In der Realität der thermographischen Prüfung mit sinusförmiger Anregung beginnt man naturgemäß an einem Zeitpunkt t=0 mit der sinusförmigen Modulation und wertet nach einer bestimmten Messzeit aus. Durch die endliche Dauer der Anregung sowie durch die überlagerten DC-Anteile der Heizung und die Transienten beim Einschalten der Modulation (entspricht einer Stufenfunktionsheizung) wird neben der eingeprägten Modulationsfrequenz auch ein breiteres Frequenzband angeregt. Dies gilt insbesondere, wenn man, z. B. um die Prüfzeit zu verkürzen, nur wenige Perioden moduliert. Es dominieren dann niederfrequente Spektralanteile im Spektrum. Diese verfälschen die Phasenwerte gegenüber den aus den analytischen Modellen bekannten theoretischen Werten. Bei längeren Zeiten gelangt man zu einem Punkt, wo man die bei der Blitzlampe nahezu fest vorgegebene spektrale Dichte überschreitet und bessere Signal-/Rauschverhältnisse erzielt.

Bei der dynamischen Thermographie treten verschiedene Störgrößen auf. Bei der Lichtquelle ist dies z. B. die inhomogene Verteilung der optischen Anregungsleistung. Beim Prüfobjekt treten lokale Änderungen der optischen Absorption sowie lokale Änderungen der Emissivität auf. Weiterhin können andere thermische Quellen im Raum an der Objektoberfläche reflektiert werden. Auf der Detektorseite kann ebenfalls eine Inhomogenität des Detektors oder der Kameraoptik vorliegen.

Daneben existieren unter Umständen zeitabhängige Driften der Infrarotsignale, z. B. durch langsame Wärmeausgleichsvorgänge oder langsame Änderungen bei der Anregungsleistung der Heizquelle.

Die Störungen unterdrückt die Lock-In-Thermographie sehr effizient. Durch die Korrelation mit Sinus- und Kosinusfunktionen der Anregungsfrequenz werden die Störgrößen im Phasensignal herausnormiert und durch die Schmalbandfilterung können auch langsame Driften unterdrückt werden.

Bild 5: Typischer Prüfablauf bei den Thermographievarianten (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Bild 5: Typischer Prüfablauf bei den Thermographievarianten (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Die erreichbaren Prüfgeschwindigkeiten werden im Fall der Impulsthermographie bei sehr schnellen Prozessen durch die Blitzlampen-Leuchtdauer limitiert (Bild 5). Bei schnellen thermischen Prozessen tritt das Nutzsignal bereits während des Lampenimpulses auf, es können dann zeitlich schaltbare Lampenimpulse verwendet werden (Impulsdauer bis in den Mikrosekundenbereich). Eine Abschätzung der Wartezeit bis zum Beginn des Fehlerkontrasts ergibt sich aus der angegebenen Formel. Dies ist die physikalische Untergrenze für die Prüfzeit. Bei kleinen Fehlern muss noch bis zur vollen Ausbildung des Kontrasts gewartet werden. Bei der Impulsthermographie schließt sich gegebenenfalls ein Normierungsschritt an, in dem die Störgrößen ebenfalls vom Nutzsignal abgetrennt werden können. Dieser Schritt ist bei der Lock-In-Thermographie dagegen bereits in der Phasenrechnung "eingebaut". Dafür ist eine gewisse Mindestanzahl von Modulationsperioden, etwa zehn, erforderlich, um die Phase als solche (im Sinne eines monofrequenten Verfahrens) bezeichnen zu können. Bei kleineren Periodenzahlen gehen beide Thermographievarianten ineinander über. Für eine genaue Phasenmessung mit Ergebnisauswertung auf der Basis analytischer Modelle der Wärmewellenausbreitung ist sogar eine Vorheiz- und Einschwingzeit sinnvoll.

In Tabelle 2 sind noch einmal wichtige Aspekte der beiden Techniken und zusätzlich der Stufenheizung gegenübergestellt. Neben den bereits angesprochenen Punkten liegen bei der Impulsthermographie Vorteile in der Separation von Aufheiz- und Beobachtungsphase. Dafür kann die kurzzeitige thermische Belastung der Prüfobjektoberfläche hoch sein. Die Lock-In-Thermographie kann bei einer genügend hohen Anzahl an Modulationszyklen auch kleinste periodische Temperaturschwankungen aus dem Infrarotbild separieren. Hierin liegt sicherlich eine besondere Stärke.

Tabelle 2

Zusammenfassung

Impuls- und Lock-In-Thermographie sind zwei von vielen denkbaren zeitlichen Anregungsvarianten, die je nach Anwendung ihre Stärken und Schwächen haben.

In vielen Fällen führt die Impulsthermographie bereits ohne Weiterverarbeitung der Daten zu einem schnellen, qualitativen Fehlernachweis.

Bei stark gestörten Prüfaufgaben, sei es durch Inhomogenitäten der optischen Eigenschaften des Prüfobjekts oder durch hohes Detektorrauschen, bietet die Lock-In- Thermographie Vorteile.

Literaturhinweis

[1] X. P. Maldague, "Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing", (John Wiley, New York 2001).

[2] D. P. Almond, P. M. Patel, Photothermal Science and Techniques, Chapman & Hall, London 1996.

[3] G. Walle, 'Impuls-Video-Thermographie', Materialprüfung 36, 3 (1994).

[4] G. Busse, D. Wu, and W. Karpen, 'Thermal wave imaging with phase sensitive modulated thermography', J. Appl. Phys. 71, 3962 (1992).

Udo Netzelmann, Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP. Moderne Thermographieverfahren - Impuls- und Lock-In-Thermographie. In: Norbert Bauer (Hrsg.). Leitfaden zur Wärmefluss-Thermographie. Zerstörungsfreie Prüfung mit Bildverarbeitung. Erlangen, 2005, S. 8-11. Mit freundlicher Genehmigung der Fraunhofer-Allianz Vision, Erlangen.

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