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Die Befragung zur Bestimmung relevanter Defekte in Faserverbundwerkstoffen im Rahmen des VITCEA-Projektes wird vorgestellt. Die so erhaltene "Hitparade" der Defekte kann als Ausgangspunkt für einen Fehlerkatalog dienen. Außerdem wird über die Herstellung von Überlastdefekten berichtet, welche sich an bestehende Normen (teilweise aus anderen Bereichen) anlehnt
The contactless measurement of temperatures with pyrometers is state of the art and a number of different commercial devices are available. Alternatively, these temperature measurements can be performed by means of infrared cameras. In light of permanently falling costs, the application of IR cameras simply as contactless thermometers appears to be an alternative to the use of pyrometers. For a current study, the surface temperature development of a sample has to be measured and recorded with at least 20 Hz sampling rate in a temperature range between 0°C and 70°C and with a temperature resolution of 0.1 K. The absolute value of the temperature is not as important as relative changes. Due to disturbing irradiation in the SWIR and MWIR regions, the sensor should work in the LWIR. We compared two pyrometers and a low-cost infrared camera with regard to the requirements defined above. In this paper we describe the setup, the results and the data evaluation. Both, raw data and post processed data, were considered. Surprisingly, the infrared camera had by far the best performance of the considered devices. Particularly, due to the large number of pixel (160 x 120), the S/N could be reduced considerably compared to the pyrometers. We also studied the stability of the frame rate and the related time steps of the IR camera. Although the frame rate is unstable (running under Windows operating system), the output data for the time steps were found to be correct and the required time resolution was achieved.
The application of IR cameras simply as contactless thermometers appears to be an alternative to the use of pyrometers. For a current study, the surface temperature development of a sample has to be measured and recorded with at least 20 Hz sampling rate in a temperature range between 0°C and 70°C and with a temperature resolution of 0.1 K. We compared two pyrometers and a low-cost infrared camera both sensitive in the LWIR only. Surprisingly, the infrared camera had by far the best performance of the considered devices.
Sowohl die 3D-Formbestimmung als auch die Thermografie sind Verfahren der Qualitätssicherung. Im vorgestellten Projekt wird versucht, die beiden Methoden zusammenzuführen.
Das Prinzip des für die Formbestimmung verwendeten 3D-Scanners beruht auf dem bereits bekannten Verfahren der Streifenlichtprojektion. Die Neuartigkeit des hier verwendeten 3D-Scanners besteht darin, dass nicht im sichtbaren, sondern im infraroten Spektralbereich gearbeitet wird. Dadurch wird es möglich, nicht die Reflexion, sondern die Wärmestrahlung des Prüfobjektes nach Absorption der eingebrachten Strahlung auszuwerten. Dies ermöglicht erstmals, transparente und stark absorbierende Oberflächen zu erfassen. Die Anregung mit Wärmestrahlung stellt das Bindeglied zum Verfahren der aktiven Thermografie für die Detektion verdeckter Schäden dar. Bei letzterem Verfahren wird der Wärmestau über Defekten beim Eindringen der Wärme in die Tiefe des Materials gemessen. Dabei stellen Defekte eine Störung des 3D-Scan-Verfahrens dar, während umgekehrt unregelmäßig geformte Oberflächen das thermografische Verfahren erschweren, d.h. der Messeffekt eines der Verfahren ist ein Störeffekt für das jeweils andere Verfahren.
Es wird zum einen der Frage nachgegangen, inwieweit das 3D-Scan-Verfahren durch verdeckte Defekte beeinträchtigt wird, und zum anderen die Möglichkeit untersucht, den vorhandenen 3D-Scanner auch für die aktive Thermografie einzusetzen. Vor allem wurden CFK-Proben mit künstlich eingebrachten Defekten untersucht. Es werden die Möglichkeiten und Grenzen der vorhandenen Messapparatur für die Defekterkennung aufgezeigt.
Starting with some examples from the VITCEA project, which gives the framework of the training course, the physical basis of active thermography is demonstrated. It consists of the physical phenomena heat conduction and thermal radiation. The contrast mechanism is explained by means of a simple 1-dimensional approach. This leads to the concept of thermal thickness which is essential for active thermography. Later, the influence of the surface properties reflectivity and emissivity is considered more in detail.
Thickness determination of semitransparent solids using flash thermography and an analytical model
(2017)
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 flash thermography both in transmission and reflection configuration. 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.
For thickness determination of polymer based surface protection systems for concrete surfaces, so far only destructive measurement techniques are available. Pulse thermography appears to be well suited for non-destructive thickness evaluation in these systems. Here, we present first results of the development of a respective measurement and analysis procedure. Since surface protection systems consist of a number of layers, a model for the calculation of the surface temperature of a multi-layer structure on a semi-infinite (concrete) substrate in pulse thermography setup was developed. It considers semitransparency of the upmost layer and thermal losses at the surface. It also supports the use of an arbitrary temporal shape of the heating pulse to properly describe the measurement conditions for different heat sources. Simulations for one and three layers on the substrate are presented and first results from fitting the model to experimental data for thickness determination and verification of the model are presented.
Contactless temperature sensing is state of the art and essential part of countless applications in the field of process control and automation. This contribution presents the case of a nondestructive thickness measurement method for polymeric coatings on concrete ground. Two pyrometers and a low-cost infrared camera were taken into account. The particular measurement results were compared with those of a more sophisticated infrared camera. It was found that the low-cost infrared camera has a lower noise level than the pyrometers, even for a single pixel. The opportunity to average over a large number of pixels and to establish a bias correction enables a further noise reduction by almost factor of 10.
Furthermore, the temporal resolution of the infrared camera was investigated by means of a well-defined thermal oscillation. It could be demonstrated that the averaged time stamps are correct and the requirement of a Minimum framerate of 50 Hz is met. Finally, the temperature transient on a polymer coated concrete block during and after a 10 s heating period was recorded with a pyrometer and the infrared camera. This experiment confirmed the suitability of the camera for the intended measurement method.
In diesem Beitrag werden zerstörungsfreie Untersuchungen mittels aktiver Thermografie an Probekörpern aus CFK und GFK mit unterschiedlichen künstlichen Fehlstellen vorgestellt. Dabei wird die zeitliche und örtliche Temperaturverteilung nach der Erwärmung mit Blitzlampen oder mit einem Infrarot-Strahler mit einer Infrarot-Kamera erfasst. Zur späteren Rekonstruktion der Messdaten wurde ein numerisches Modell entwickelt. Dazu war die Bestimmung der thermophysikalischen und optischen Materialeigenschaften erforderlich, was in diesem Beitrag ebenfalls beschrieben wird. Die Ergebnisse der numerischen Modellierung werden mit den experimentellen Untersuchungen der aktiven Thermografie verglichen. Weiterhin werden die experimentellen Untersuchungen hinsichtlich der beiden Materialsysteme CFK und GFK und unter Berücksichtigung der Teiltransparenz des GFK-Materials sowie der unterschiedlichen Anregungsquellen bewertet.
Seit dem Beginn der Anwendung der aktiven Thermografie für die zerstörungsfreie Prüfung werden für die optische Anregung zwei alternative Anregungstechniken eingesetzt: die Puls- oder Blitzthermografie und die Lock-in-Thermografie.
Bei der Puls-Thermografie ist der Anregungspuls wesentlich kürzer als die Zeit, die für die Wärmediffusion in das Bauteil hinein benötigt wird. Die Auswertung der erfassten Abkühlsequenzen wird zurzeit im Wesentlichen mit zwei Verfahren durchgeführt. Für die Auswertung im Zeitbereich werden verschiedene Auswertungsmodi des TSR-Verfahrens (TSR: thermal signal reconstruction) und Verfahren zur möglichst frühzeitigen Detektion des Intensitäts- oder Temperaturkontrastes der Fehlstellen herangezogen. Alternativ kann die Auswertung im Frequenzbereich nach dem Verfahren der Puls-Phasen-Thermografie (PPT) erfolgen. Dabei wird die Abkühlsequenz als Überlagerung vieler Einzelschwingungen betrachtet (Fouriersynthese). Die entsprechenden Phasenkontraste können unter bestimmten Umständen zur Abschätzung der Fehlstellentiefe genutzt werden.
Bei der Lock-in Anregung wird das zu untersuchende Prüfobjekt periodisch mit einer bestimmten Frequenz erwärmt und die Wärmestrahlung von der Oberfläche zeitgleich mit der Infrarotkamera erfasst. Für jede Anregungsfrequenz ist daher eine Einzelmessung erforderlich. Die Auswertung bezieht sich in den meisten Fällen allein auf die Berechnung des Phasen- und Amplitudenbildes bei der Anregungsfrequenz. Diese Berechnung kann bereits während der Messung (on-line) oder erst nach der Erfassung der Thermogrammsequenz (off-line) erfolgen.
Gemäß dem Superpositionsprinzip, das wegen des linearen Charakters der Wärmeleitungsgleichung für alle Lösungen der Differentialgleichung gilt, besteht Äquivalenz zwischen einer monofrequenten Anregung bei Lock-in-Thermografie und einer entsprechenden Komponente gleicher Frequenz bei der Puls-Thermografie. Daher sollten die Puls-Thermografie und die Lock-in-Thermografie in den Phasenbildern für die gleichen Fehlstellen die gleichen Phasenkontraste ergeben. Die experimentelle Bestätigung dieser Äquivalenz für unterschiedliche Fehlstellenarten ist der Schwerpunkt dieses Beitrages. Mögliche Gründe für Abweichungen werden benannt und sind Grundlage für weitere Diskussionen.