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Charakterisierung einer durch Überlast geschädigten GFK-Platte mit Thermografie und Ultraschall
(2013)
Eine GFK-Platte mit eingefräster Nut wurde in einem Zugversuch mit
ca. 90 kN belastet, was zu einer sichtbaren Veränderung an den Seitenflächen führte.
Anschließend wurde die Platte mit Ultraschall und Thermografie auf innere Schädigungen untersucht. Beide Verfahren konnten räumlich ausgedehnte Bereiche mit zahlreichen Anzeigen nachweisen, jedoch keine geschlossene Fläche. Mit UT wurden außerdem porenreiche oberflächennahe Schichten in dem Material detektiert. Diese Poren verringerten die Nachweisempfindlichkeit beider Messverfahren.
Anwendungsbreiche und Grenzen der Blitzthermografie - Entwicklung eines anwendungsnahen Standards
(2012)
Thermografischer Nachweis von Rotorblattstrukturen unter verschienden meteorologischen Bedingungen
(2013)
Active Thermography a nondestructive testing method for damage assessment in concrete structures
(2013)
As shown recently, the quantification of damage in historic masonry structures is possible by using active thermography. In this paper, a case study is presented concerning systematic studies of the determination of damage size and prognosis of damage increase inside a sandstone column by using different approaches of active thermography. Various heating sources as well as impulse and periodic heating have been compared. Reproducible investigations in regular time intervals for structural monitoring are possible.
Active thermography is sensitive to inhomogeneities at and below the surface of objects investigated. Thus, it should be useful for detecting plaster delaminations on concrete. In this paper, the results of field and laboratory investigations into plaster-covered concrete were compared. For evaluating the bonding state of the plaster it is not sufficient to study only the thermal contrasts at the surface of the investigated objects. The experimental results suggest that the overall thermal behaviour has to be considered.
Die Kombination und direkte Datenfusion der Ergebnisse von 3DLaserscannern
zur Erfassung der Geometrie und der aktiven Thermografie zur
Ortung verdeckter Hohlstellen und anderer Inhomogenitäten liefert umfassende
quantitative Informationen über die Zuordnung von Merkmalen und Veränderungen
eines Bauteils. In diesem Beitrag werden die erforderlichen Verfahrensspezifikationen,
das Prinzip der Datenüberlagerung und ausgewählte Fallstudien aus der
Denkmalpflege vorgestellt.
Sowohl in der Denkmalpflege als auch in anderen Anwendungsbereichen der zerstörungsfreien Prüfung können größere kostenintensive Erhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen durch das frühzeitige Erkennen und Einschätzen von Schäden vermieden werden. Eine derartige vorbeugende Instandsetzung ist jedoch nur möglich, wenn häufige Inspektionen kostengünstig und schnell durchgeführt werden können. Systematische Methoden zur Beobachtung und Erfassung von Prozessen über einen längeren Zeitraum sowie deren Überwachung werden unter dem Begriff "Monitoring" zusammengefasst.
Monitoring of cracks in historic concrete structures using opitical, thermal and acoustical methods
(2013)
For assessing building façades using active thermography, in case of direct solar exposure the sun itself can be used as heat source. It is shown that active thermography can be applied to large areas successfully, if a shadow cast occurs. After performing a sequence reconstruction in order to correct the temporal behaviour of shadow movement, the data could be analysed by pulse phase thermography (PPT). Compared to raw thermograms, the obtained phase images display an improved image quality with a lot of details. The frequency of the phase images is related to the probing depth. The presented case study describes the thermographic investigation of an historical building façade, where an area of 17 m x 13 m has been investigated.
Eines der bedeutendsten Kunstwerke des Magdeburger Doms sind die Putzritzungen am Ostflügel des Kreuzgangs aus dem 13. Jahrhundert. Der größte Teil der einzelnen Putzoberflächen sind Ausbesserungen oder Neuverputzungen aus verschiedenen Restaurierungs- oder Reparaturphasen. In dem von der Forschungsinitiative Zukunft Bau geförderten Projekt zur 3D-Kartierung von Bauwerksoberflächen wurden Untersuchungen zur Erfassung der Schäden an diesen Putzritzungen mit optischen 3D-Messverfahren und der aktiven Thermografie durchgeführt. Dabei wurden bei den optischen Verfahren hochauflösende Techniken zur Erfassung der Oberflächentopologie (Stereophotogrammmetrie) und zur Vermessung der Rissstrukturen und Ausbeulungen (3D-Trackingverfahren) eingesetzt. Die Zuordnung der Signaturen in den Thermogrammen zu Hohlstellen sowie Materialergänzungen und -ersatz wird diskutiert. Weiterhin erfolgt ein Vergleich der Ergebnisse mit Messungen an neu freigelegten Putzbereichen.
Up to now, the inspection of wind turbines with industrial climbers has been considered ”state of the art”. However, ever-larger wind turbines and advancing digitization make modern and automated inspection methods indispensable. Passive thermography can serve as such a digital and atomized method while it is well known for its applications in the inspection of buildings or electrical circuits. However, its application relies on thermal gradients in the inspected object such that a temperature contrast exists between damaged and sound areas. This also holds for unheated structures like rotor blades of wind turbines which show no intrinsic temperature gradient and can hardly be heated. Under certain weather conditions with sufficient solar loading and diurnal temperature variations, passive thermography is suitable for the in-service inspection of rotor blades. However, for a reliable use of passive thermography on ”thermal passive” components, the incorporation of these environmental conditions in the planning and evaluation of thermal inspections is crucial. Additionally, the complex inner structure of wind turbine blades in comparison to other objects and buildings require a specific method referencing the individual rotor blades to each other. This allows the distinction between the thermal response of design-specific structural features and damages or irregularities between the three blades. We show thermal signatures of damage in rotor blades and contrast them with structural characteristics by comparing the three blades. In addition to measurements in industrial environments, laboratory measurements are shown and compared to simulations. The long-term goal is to simulate the influence of different weather parameters and thus gain a better understanding of measurements in the field. The results shown here can be seen as one step towards industrial application.
The evaluation of thermal properties is probably an underrated tool for the onsite health monitoring of concrete structures. The photothermal approach offers a possibility to realize a real onsite measurement. This contribution presents the application of the photothermal approach under lab conditions on three different concrete types. The obtained results were compared with those of a commercial device based on the Transient Plane Source (TPS) method. Both agreed well within the estimated uncertainty ranges and therefore demonstrate the applicability of the photothermal method for this kind of investigations. First results of a concrete sample with different water contents support the potential of this method for the characterization of concrete in general.
Der Einsatz von Simulationen mit FEM (Finite Element Method) ermöglicht die die quantitative Beschreibung von Wärmeleitungsprozessen in komplexen Geometrien, bei denen analytische Ansätze nicht angewandt werden können, weil die zugrunde liegenden Vereinfachungen nicht gelten. Bei der genauen Modellierung eines kompletten thermografischen Experiments sieht sich der Modellierer einer ganzen Reihe von technischen und physikalischen Parametern gegenüber, die nicht immer bekannt sind und daher geschätzt werden müssen. Im konkreten Fall wurde ein relativ einfaches Experiment mit einfachen Geometrien betrachtet: ein durch Additive Manufacturing gefertigter Metallblock wurde mit einem Laserpuls homogen erwärmt. Aus dem Zeitverlauf der Oberflächentemperatur an der nicht erwärmten Rückseite des gleichmäßig dicken Blocks sollte die thermische Diffusivität des Volumenmaterials ermittelt werden. Bei dem Versuch, die experimentellen Daten durch eine passende Simulation zu beschreiben, ergab sich zunächst eine deutliche Abweichung: die gemessenen Temperaturen waren generell zu niedrig, was auf einen zusätzlichen Wärmeverlustmechanismus hinwies. Es erwies sich, dass die freie Auflage des Materialblocks auf einem flachen Bolzen zur Probenfixierung bei der Simulation des Experiments zu berücksichtigen ist, um eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und thermischer Simulation zu erzielen. Der Beitrag illustriert damit die Möglichkeiten und Potentiale von FEM-Simulationen bei der quantitativen Bewertung von thermografischen Inspektionen zur zerstörungsfreien Prüfung.
Additive manufacturing (AM) technologies, generally called 3D printing, are widely used because their use provides a high added value in manufacturing complex-shaped components and objects. Defects may occur within the components at different time of manufacturing, and in this regard, non-destructive techniques (NDT) represent a key tool for the quality control of AM components in many industrial fields, such as aerospace, oil and gas, and power industries. In this work, the capability of active thermography and eddy current techniques to detect real imposed defects that are representative of the laser powder bed fusion process has been investigated. A 3D complex shape of defects was revealed by a μCT investigation used as reference results for the other NDT methods. The study was focused on two different types of defects: porosities generated in keyhole mode as well as in lack of fusion mode. Different thermographic and eddy current measurements were carried out on AM samples, providing the capability to detect volumetric irregularly shaped defects using non-destructive methods.
The knowledge of the thermal parameters of a particular concrete is essential for thermal design of a building, but also could help to identify and assess the state of a concrete structure. Active thermography has the potential to be applied onsite and to provide a fast investigation of thermal properties. In this work, three different concrete samples were investigated by active thermography in reflection and in transmission setup. It was found that this method yields the same results without direct contact as the Transient Plane Source (TPS) method as an established inspection tool.
Die Thermografie beruht auf der bildlichen Darstellung von Temperaturunterschieden oder auch thermischen Kontrasten an der Oberfläche eines Untersuchungsobjektes. Diese bilden sich nur her-aus, wenn sich das Untersuchungsobjekt gerade erwärmt oder abkühlt. Der Beitrag erklärt mittels eines stark vereinfachten Modells die Entstehung solcher Kontraste als dynamischen Effekt ver-schiedener Abkühlgeschwindigkeiten. Neben Laborergebnissen werden beispielhaft einige Ergeb-nisse von einem mittelalterlichen Baudenkmal präsentiert, um das Verständnis für die thermografi-sche Inspektion von Fassaden zu vertiefen.
The knowledge about energy release and transient behaviour of flash lamps, used as short-term energy source in flash thermography investigations, is essential for a quantitative analysis of the results as well as for simulations regarding such experiments. Usually, only a rectangular pulse shape of a typical duration of a few milliseconds is regarded when flash lamps pulses are described. This note considers the afterglow period of a flash lamp explicitly and shows that negligence of this afterglow effect leads to a systematic underestimation of the pulse length and the related total energy release. In the reported case, the intensity transient recorded by a Silicon photo diode was transformed into a temperature transient, allowing the study of the real energy release. It turns out that approximately only 50% of the entire pulse energy were released during the usually regarded period of 2.8 ms, while the other half was released within a period of 20 ms with an exponential decay.
In vielen Umgebungen, besonders bei hohen Temperaturen, korrosiven Umgebungen oder auf bewegten oder schlecht zugänglichen Flächen, kann die Temperatur nicht oder nur mit nicht akzeptablem Aufwand mit Berührungsthermometern gemessen werden. Diese Umgebungsbedingungen sind unter anderem in der chemischen Industrie, der Lebensmittel-, Metall-, Glas-, Kunststoff- und Papierherstellung sowie bei der Lacktrocknung anzutreffen. In diesen Bereichen kommen Strahlungsthermometer zum Einsatz. Der VDI-Statusreport zeigt typische Anwendungsfelder von nicht radiometrisch kalibrierten Wärmebildkameras und von radiometrisch kalibrierten Thermografiekameras. Um verlässlich mit spezifizierten Messunsicherheiten berührungslos Temperaturen zu messen, müssen die Strahlungsthermometer und Thermografiekameras nicht nur kalibriert, sondern radiometrisch und strahlungsthermometrisch umfassend charakterisiert werden. Auch die optische Materialeigenschaft, der spektrale Emissionsgrad und die Gesamtstrahlungsbilanz (Strahlung des Messobjekts und der Umgebung) sind bei der industriellen Temperaturmessung von großer Bedeutung. In den letzten Jahrzehnten ist dazu ein umfassendes technisches Regelwerk entstanden, das wir Ihnen mit diesem VDI-Statusreport vorstellen. Manche in den Richtlinien beschriebenen Kennwerte mögen abstrakt wirken. In diesem Statusreport zeigen wir an konkreten Beispielen, was diese Kenngrößen für die berührungslose Temperaturmessung bedeuten. Beispiele von Anwendungen zeigen, wo temperaturmessende Thermografiekameras und ausschließlich bildgebende Wärmebildkameras in der Praxis eingesetzt werden. Mit einer Analyse, welche Themen und Anwendungen derzeit besonders intensiv diskutiert werden, versuchen wir Trends für zukünftige Entwicklungen herauszuarbeiten.
Die Thermografie beruht auf der bildlichen Darstellung von Temperaturunterschieden oder auch thermischen Kontrasten an der Oberfläche eines Untersuchungsobjektes. Diese bilden sich nur her-aus, wenn sich das Untersuchungsobjekt gerade erwärmt oder abkühlt. Der Beitrag erklärt mittels eines stark vereinfachten Modells die Entstehung solcher Kontraste als dynamischen Effekt verschiedener Abkühlgeschwindigkeiten. Neben Laborergebnissen werden beispielhaft einige Ergeb-nisse von einem mittelalterlichen Baudenkmal präsentiert, um das Verständnis für die thermografische Inspektion von Fassaden zu vertiefen.
As groundwork for thickness determination of polymeric surface protection systems for concrete, we present a method for measuring the thickness of isolated semitransparent solids using pulse thermography both in Transmission and reflection geometry. Since standard models do not capture semitransparency, an advanced analytical model by Salazar et al. is applied. Physical material parameters are deduced by fitting experimental data from samples of well-known
thickness. Using those, the thickness of samples of the material can be obtained by fitting, as demonstrated for different semitransparent polymer materials.
Amongst various other NDT methods, within the EMRP-project
‘VITCEA’ active thermography is validated for testing of CFRP and
GFRP structures constructed for energy application. In this
contribution, the optical and thermal properties of CFRP and GFRP
reference defect artefact (RDA) and natural defects artefact (NDA)
test specimens are characterized. Different excitation techniques
and techniques for data analysis are compared for optimizing the
number of detected defects.
The talk presents some selected results from a research project concerning the thermographic rotor blade inspection. It is demonstrated that the usual active thermographic method cannot be applied onsite. Instead, the influence of thermal environmental factors has to be exploited. The different effects are demonstrated by experimental results. Further, some onsite results obtained at real wind turbine are presented.
The permanently increasing number of wind turbines requires suited inspection and monitoring methods to ensure liability and security. Concerning the inspection of rotor blades, only manual inspections are state of the art. Thermographic Testing (TT) has the potential to detect typical failures and damages on rotor blades. The paper presents some results of onsite measurements carried out as “passive thermography”, i.e. without a defined heating procedure. Due the totally contactless measurement principle, TT can be applied to rotating blades as well as to resting blades. Both methods will be compared with respect to their possible realization.
Recurrent non-destructive testing inspections are necessary to prevent damages in wind turbine rotor blades, but so far, there is no established method that detects defects in blades from greater distances – although this becomes increasingly important in the context of hardly accessible offshore wind parks.
Thermography is a promising method for detecting subsurface defects, but various challenges arise when this method is applied on-site to turbine blades in operation. Disturbing influences from the environment easily lead to a misinterpretation of thermograms (i.e. thermographic images), such as thermal signatures caused by reflections, dirt and other superficial inhomogeneities.
This study explores several problems and effects that arise, when (rotating) blades are monitored with thermography.
It will then be demonstrated that a meaningful defect inspection in this scenario is essentially restricted to a procedure following three steps: Firstly, calculating the so-called difference thermograms of all blade pairs for eliminating disturbing reflections. Secondly, identifying potentially relevant signals, which are associated neither with structural features nor with dynamical effects, and the identification of these signals’ allocations (through comparison of all difference thermograms with each other). And thirdly, comparing these signals with (processed) photos for excluding incorrect indications by surface effects. Unlike common thermographic analysis methods, which typically only include an aspect of this procedure, the composition presented in this contribution constitutes an advanced technique for minimizing disturbing influences in thermograms.
The proposed thermographic technique enables the detection of potential subsurface defects within rotating rotor blades from greater distances – such as from the ground, air crafts or vessels.
Der Beitrag beschreibt Untersuchungen und Entwicklungsarbeiten für einen technisch einfach zu realisierenden Sensor, der die breitbandige kurzzeitige Energieabgabe von Blitzlampen punktuell bestimmen kann. Solche Lampen werden in der zerstörungsfreien Prüfung als Energiequelle für thermografische Untersuchungen genutzt. Dabei soll die zeitliche Entwicklung der Oberflächentemperatur des Sensors mit der ohnehin vorhandenen IR-Kamera aufgenommen und danach ausgewertet werden. Hierzu wurden zwei Konzepte betrachtet: thermisch dünne und thermisch dicke Proben. Der direkte Vergleich zeigt die Vorteile von thermisch dicken Proben, die in der Physik der beteiligten Wärmeausgleichsprozesse begründet sind.
The increased use of fibre-reinforced plastic (FRP) composites for improved efficiency and reliability in energy related applications e.g. wind and marine turbine blades, nacelles, oil and gas flexible risers, also increases the demand for innovative non-destructive testing technologies. Thus, in order to achieve increased acceptance of suited and optimized non-destructive testing (NDT) methods in industry, the European Metrology Research Programme (EMRP) project ENG57 Validated Inspection Techniques for Composites in Energy Applications (VITCEA) deals with the development and validation of innovative NDT technologies. In this contribution, results concerning thermographic investigations at test specimens during tensile loading and active thermography testing after tensile loading are presented. Additionally, the determination of the optical properties (relative transmittance and directional spectral emissivity) of CFRP and GFRP test specimens is described.
In dem von der Forschungsinitiative Zukunft Bau geförderten Projekt
zur „3D Kartierung von Bauwerksoberflächen“ wurden Verfahren zur Ortung von Rissen und Rissverläufen an historischen Gebäuden und Skulpturen weiterentwickelt und optimiert. Diese neuen Entwicklungen zur effizienten 3D Erfassung, Darstellung und zum Monitoring von Rissen basieren auf der aktiven Thermografie, einem Trackingsystem und Ultraschall.
Systematische Untersuchungen zur Zuverlässigkeit und zu Messgenauigkeiten der Messverfahren im Labor wurden durch den kombinierten Einsatz der Verfahren an Skulpturen aus historischem Beton an der Giebichensteinbrücke in Halle ergänzt.
Eine Arbeitsgruppe der BAM in der Abteilung für Zerstörungsfreie Prüfung forscht seit 2011 an verschiedenen technischen Fragestellungen, die sich aus dem thermografischen Lösungsansatz ergeben. Zum Beispiel werden spezielle Prüfkörper aus GFK im Labor unter dem Gesichtspunkt untersucht, inwieweit (materielle) innere Strukturen und äußerlich nicht sichtbare Schäden mit Thermografie offenbart werden können. Hierbei werden verschiedene Anregungs- und Auswertungstechniken auf ihre Eignung für diese Problemstellung untersucht. Der folgende Beitrag erläutert einige technische Schwierigkeiten bei der praktischen Anwendung der geplanten Inspektionsmethode und stellt einen erfolgversprechenden Lösungsansatz vor.
Weltweit errichtet man zunehmend Offshore-Windkraftanlagen (WKA). Diese auf hoher See errichteten WKA benötigen geeignete Wartungs- und Instandhaltungskonzepte. Bestehende Konzepte aus dem Landbereich geraten unter Offshore-Bedingungen an ihre Grenzen oder lassen sich überhaupt nicht anwenden, daher müssen neue Ansätze erprobt werden. Im Rahmen des BMBF geförderten Forschungsprojektes "IKARUS" ist das Potential der (berührungslosen) thermografischen Fernerkundung zur Zustandsüberwachung der Rotorblätter von WKA zu untersuchen.
Veränderungen der Umgebungsbedingungen wie z.B. solare Einstrahlung oder der Tagestemperaturgang führen zu veränderlichen Energieeinträgen in ein Objekt, die beim Vorhandensein von Inhomogenitäten im Material oder Strukturmerkmalen thermische Signaturen hervorrufen können. Ebenso können Veränderungen der Witterungsbedingungen dazu führen, dass bereits vorhandene thermische Signaturen wieder ausgelöscht werden. Daher ist es unbedingt notwendig, systematische Langzeitmessungen bei verschiedenen Umgebungsbedingungen durchzuführen, um Fehlinterpretationen zu vermeiden.
In diesem Beitrag wird anhand von Laborversuchen und Simulationen zunächst die grundsätzliche Eignung des thermografischen Ansatzes für glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), aus denen die Außenhüllen der Rotorblätter gefertigt sind, demonstriert. Hierbei werden unterschiedliche Arten von Defekten an GFK vorgestellt, die zu thermischen Signaturen an Rotorblättern führen können. Anschließend werden Zwischenergebnisse aus einem laufenden Langzeitversuch zu einem demontierten Rotorblattsegment vorgestellt, welches unter verschiedenen Witterungsbedingungen und zu verschiedenen Tages- und Jahreszeiten thermografisch beobachtet wurde.
Flash lamps are widely used excitation sources in the field of non-destructive testing with active thermography. Though the realized energy density in front of the investigated object is a significant factor with regard to detection sensitivity, only few data concerning this issue have been published so far. It is shown here that local energy densities can be estimated by means of a simple metal plate, which exhibits a certain temperature increase after flash excitation. After discussing the underlying calorimetric principle the sensor concept is reviewed using constant blackbody radiation and short laser pulses, since both kinds of sources generate known energy densities. The relative uncertainty of measurements of the energy density is found to be in the range of 10%. The last part of the present paper describes an application for characterizing the radiation of a usual 6 kJ flash lamp. The energy conversion efficiency was found to be only about 11%.
The delamination of a plaster layer, which covers a concrete structure, can be detected by active thermography. In this paper, a systematic series of measurements is described, where the gap between plaster and concrete was varied. These investigations were compared to FEM-simulations. The experimental and simulated data were in good agreement. It was found that the used experimental setup yields only marginal differences between fixed and lose plaster in the thermal behavior. However, significant characteristics within the temperature decays could be resolved, which are clearly related to the air gap.
Applications of infrared thermography in civil engineering are not limited to the identification of heat losses in building envelopes. Active infrared thermography methods enable structural investigations of building elements with one-sided access up to a depth of about 10 cm. Masonry and especially historical masonry has a very heterogeneous structure containing several different materials (brick, stone, mortar, plaster, wood, metal, etc.) with various thermal properties. As many classes of damage originate from defects that are close to the surface, active thermography is in general very well suited to assessing different test problems in cultural heritage buildings. In this paper, the physical background, equipment, environmental influences and material properties are discussed. Several application results are presented. It is shown how active thermography can be integrated into a holistic approach for the assessment of historical structures.
Fallbeispiele für die Anwendung der 3D-Messtechnik und der aktiven Thermografie in der Denkmalpflege
(2010)
Mit aktiver Thermografie können in Mauerwerksstrukturen sowohl die Oberflächeneigenschaften als auch Inhomogenitäten bis in eine Tiefe von mehreren Zentimetern zerstörungsfrei untersucht werden. Neben der Charakterisierung struktureller Eigenschaften wie Risse, Ablösungen und Aufbau des Mauerwerks sind auch Aussagen zu den thermischen Materialeigenschaften und der Feuchte möglich. In diesem Beitrag werden das Prinzip des Messverfahrens, Laboruntersuchungen und eine Fallstudie vorgestellt.