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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.
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.
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.
Methods for the combination (i. e. comparison and overlay) and data fusion (i. e. integration of all data in one data set, replacement of data) of active thermography and D laser scanner (light section method) have been developed. Systematic investigations for quantification of damage in historic structures are presented using both techniques. A case study shows that reproducible investigations at regular time intervals are very well suited for structural monitoring.
Comparison of concepts for a point-shaped energy density detector after flash lamp excitation
(2016)
The paper describes investigations and Research work in order to develop a simple sensor for the quantification of spectral broadband energy Dissipation of flash lamps at any point in space. Such Flash lamps are often used as energy source during active thermography testing (TT). Here, the temperature transient of the sensor surface has to be recorded by the infrared camera that is already present. During the following data evaluation, the energy input into the investigated specimen can be determined. Two opposite concepts were considered: thermal thick and thermal thin probes. The direct comparison shows advantages for thermal thick probes based on the physics of thermal balance processes.
Comparison of quantitative defect characterization using pulse-phase and lock-in thermography
(2016)
Using optical excitation sources for active thermography enables a contactless, remote, and non-destructive testing of materials and structures. Currently, two kinds of temporal excitation techniques have been established: pulse or flash excitation, usingmostly flash lamps; and periodic or lock-in excitation, using halogen lamps, LED, or laser arrays. From the experimental point of view, both techniques have their advantages and disadvantages. Concerning the comparison of the testing results of both techniques, only very few studies have been performed in the past. In this contribution, the phase values obtained at flat bottom holes in steel and CFRP and the spatial resolution measured at crossed notches in steel using flash and lock-in excitation are compared quantitatively.
Cooling-down of thermal thick probes after flash excitation - A measure for the real energy density?
(2015)
Though flash lamps are one of the most applied heat sources in the field of Thermographic Testing (TT) using active thermography, only little is known about the actually achieved energy input into test objects. In this paper, an easy to realize sensor concept is proposed and experimentally evaluated. The concept is based on the measurement of the surface temperature of a thermal thick probe after flash excitation. After considering the sensor concept with FEM simulations the experimental investigation of four materials (two polymer and two building materials) is described. It will be shown that a suited coating is essential for the realization of the sensor concept. The experimental results prove the suitability of black rigid PVC as the most promising material. Using a coated PVC sample the energy density of short laser pulses, similar to flashes of flash lamps, could be determined exactly with an estimated relative uncertainty of only a few percent.
Die Blitzthermografie weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Verfahren der aktiven Thermografie auf und hat daher eine relativ große Verbreitung in Forschung und Industrie gefunden. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch die begrenzte Energie, die pro Blitz genutzt werden kann. Es stellt sich die Frage, ob sich durch mehrere kurz hintereinander ausgeführte Blitze eine Verbesserung des Energieeintrags erreichen lässt. Zur experimentellen Untersuchung dieser Frage wurde ein Versuchsstand mit vier Blitzlampen so umgerüstet, dass die Blitzlampen zeitgleich oder nacheinander mit einer regelbaren Verzögerung ausgelöst werden können („Multiblitz“). Als Probekörper dienten Platten aus CFK, an deren Rückseite Flachbodenbohrungen (FBB) eingebracht worden waren. Betrachtet wurde jedoch nur der absolute Temperaturhub am ungestörten Material. Die Experimente zeigen relativ geringe Effekte im Prozentbereich, wie sie auch gemäß einer quantitativen Abschätzung zu erwarten sind. Interessanterweise vergrößerte sich der Einfluss der Multiblitzanregung auf die Energieeinkopplung deutlich bei einem etwas vergrößerten Abstand zwischen Blitzlampen und untersuchter Oberfläche. Die Ursache für diesen Effekt ist derzeit unklar, vermutet werden eine Temperaturabhängigkeit und/oder eine Abstandsabhängigkeit des Wärmübergangskoeffizienten im Konvektionsterm.
Die messtechnische Erfassung von Bauwerkschäden ist eine wichtige Voraussetzung für die dreidimensionale und zeitaufgelöste Darstellung von möglicherweise sicherheitsrelevanten Veränderungen an Bauwerken, wie z. B. Verformungen, Verwindungen und Risswachstum. Ziel des vorgestellten Projektes war die Entwicklung eines Verfahrens zur effizienten und wiederholbaren 3D-Schadenkartierung an zum Teil empfindlichen Bauteiloberflächen.
Monitoring of cracks in historic concrete structures using optical, thermal and acoustical methods
(2015)
Cracks are a major issue in the field of cultural heritage. In order to evaluate the significance of a crack, a long term monitoring of the damaged region is required. However, there is a lack of easy to operate tools for such monitoring measures. Therefore, new or existing methods for other applications have to be optimised for cultural heritage investigation. The paper describes the application of such crack observation methods on a historic concrete sculpture. Beside conventional methods, like mapping by hand and ultrasonic depth profiling, a novel tracking system is presented. Furthermore, the suitability of active thermography for the investigation of cracks was investigated. The results show promising prospects for these non-destructive techniques.
In this contribution, the development and application of optical and thermographic methods for the nondestructive evaluation of delaminations, cracks and further substructures in Connection with bulging is presented.
Since delaminated fagade elements show geometric as well as thermal anomalies, surface geometry and defects beneath the surface were investigated. As methods, Stereo photogrammetry, a tracking based method for tactile recording of geometric 3D data and active thermography were used. Two case studies were assessed with a combination of these methods: the plaster scratches at the Magdeburg Cathedral and a mural painting in Cobbelsdorf, both located in Germany. While the plaster scratches have been investigated by artificial heating with an infrared radiator, the rural painting was tested by analysing the temperature increase due to solar heating.
Ferninspektion von Rotorblättern mittels Thermografie - einige Ergebnisse des IKARUS-Projektes
(2015)
Charakterisierung einer durch Überlast geschädigten GFK-Platte mit Thermografie und Ultraschall
(2013)
The paper presents some of the results obtained within a project concerning the validation of the thermographic inspection method applied to rotor blades of wind turbines. Thermographic testing (TT) is a well established nondestructive testing method under laboratory conditions. It is suited to detect typical structural features and also faults and damages within the blade structure. However, the onsite application for wind turbines during Operation is not straightforward. Some resuits of non-rotating blades as well as of rotating blades are presented. The simultaneous recording of all blades in the rotating state allows the application of a reference method suppressing disturbing influences and leading to enhanced thermal contrasts.
This study evaluates whether subsurface features in rotor blades, mainly made of Glass Fibre Reinforced Plastics (GFRP), can generally be detected with ‘‘solar thermography”. First, the suitability of the sun is tested for acting as a heat source for applying active thermography on a 30 mm thick GFRP test specimen. Second, a defective rotor blade segment is inspected outdoors under ideal natural conditions using the sun as excitation source. Additionally, numerical FEM-simulations are performed and the comparability between experiment and simulation is evaluated for outdoor measurements.
The present study continues the work described in part I of this paper in evaluating a longterm-experiment, where a rotor blade segment of a wind turbine is exposed to the elements and thereby monitored with passive thermography. First, it is investigated whether subsurface features in rotor blades – mainly made of GFRP – can generally be detected with thermography from greater distances under favorable conditions. The suitability of the sun for acting as a heat source in applying active thermography has been tested in the previous study. In this study, the climatic influence on thermographic measurement is evaluated. It is demonstrated that there are favorable and unfavorable circumstances for imaging thermal contrasts which reflect inner structures and other subsurface features like potential defects. It turns out that solar radiation serves as a very effective heat source, but not at all times of day. Other environmental influences such as diurnal temperature variations also create temperature contrasts that permit conclusions on subsurface features. Particular scenarios are reconstructed with FEM-simulations in order to gain deeper insight into the driving mechanisms that produce the observed thermal contrasts. These investigations may help planning useful outdoor operations for inspecting rotor blades with thermography.
The permanently increasing number of wind turbines requires suited inspection and monitoring methods to ensure liability and security. Concerning the inspection of ro-tor 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 thermogra-phy”, i.e. without a defined heating procedure. Due the totally contactless meas-urement 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.
The permanently increasing number of wind turbines requires suited inspection and monitoring methods to ensure liability and security. Concerning the inspection of ro-tor 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 presentation demopnstrates the measurement principle and some results of onsite measurements carried out as “passive thermogra-phy”, i.e. without a defined heating procedure. Due the totally contactless meas-urement 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.
In diesem Beitrag werden Verfahren und Strategien basierend auf optischen und thermografischen Methoden zur Lokalisierung, Erfassung und Bewertung von Putzablösungen, Ablösungen von Fassadenelementen und Rissen vorgestellt. Abgelöste Fassadenbereiche und Risse zeigen dabei sowohl geometrische als auch thermische Auffälligkeiten, die im Rahmen eines Monitoring auch über größere Zeiträume verfolgt werden können. Als optische Verfahren werden die trackingbasierte taktile 3D‐Erfassung von Oberflächenmerkmalen und die Stereophotogrammetrie eingesetzt. Zur Charakterisierung verdeckter Ablösungen und Bauteile wird die aktive Thermografie mit natürlicher und künstlicher Erwärmung der Bauteiloberfläche verwendet. Systematische Untersuchungen an Probekörpern und Fallstudien (Magdeburger Dom, Wandbild in Cobbelsdorf, Giebichensteinbrücke) zeigen, wie u. a. mit der Verfahrenskombination die Schäden charakterisiert werden können.
Bei der Realisierung von Oberflächen-Schutz-System (OSS) auf Betonflächen ist die tatsächlich erreichte Dicke der Beschichtung ein wesentlicher Parameter, der über die Funktionalität und Langzeitstabilität der aufgetragenen Schicht entscheidet. Die Firma IBOS und die BAM haben in den letzten Jahren gemeinsam einen funktionstüchtigen Prototyp eines Messgeräts zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung für Bodenbeschichtungen entwickelt. Hierin wird die Abkühlkurve eines vorher erwärmten Bereichs berührungslos mit einer IR-Kamera erfasst und mit einem Modell verglichen, was die Bestimmung der Schichtdicke ermöglicht. Im Rahmen dieses Beitrags wird die Umsetzung der Methode unter Laborbedingungen und in der Praxis auf der Baustelle erläutert und diskutiert.
Active IR thermography
(2018)
In order to test their suitability different non-destructive methods were performed to inspect a GFRP plate with artificial defects. These defects were manufactured by means of thin PTFE sheets inserted between two plies in three different depth. The inspection methods were microwave reflection, flash thermography and phased array ultrasonics, all applied to the same specimen. Selected results are shown for all methods demonstrating opportunities and limits of the particular inspection methods. The achieved detection limits and further application aspects are compared directly to provide a useful information for the planning of inspection tasks.
Systematic errors in the evaluation of uncorrected data from thermographic lock-in measurements
(2018)
Lock-in thermography (LT) is based on the correct evaluation of phase differences between the temperature oscillations at different surface regions of the object under test during periodic heating. Since the usual heating procedures contain a DC component, the actual heating pattern achieved is not harmonic. This causes systematic deviations when phase differences are determined by means of harmonic analysis, e.g. with FFT analysis. The resulting errors depend clearly on the ratio between DC and AC amplitude, which is demonstrated at simulated and experimentally recorded temperature transients. Further experimental LT data obtained by different oscillating energy inputs showed a variety of possible shapes of transients with different DC components.
Systematic errors in the evaluation of uncorrected data from thermographic lock-in measurements
(2018)
Lock-in thermography (LT) is based on the correct evaluation of phase differences between the temperature oscillations at different surface regions of the object under test during periodic heating. Since the usual heating procedures contain a DC component, the actual heating pattern achieved is not harmonic. This causes systematic deviations when phase differences are determined by means of harmonic analysis, e.g. with FFT analysis. The resulting errors depend clearly on the ratio between DC and AC amplitude, which is demonstrated at simulated and experimentally recorded temperature transients. Further experimental LT data obtained by different oscillating energy inputs showed a variety of possible shapes of transients with different DC components.
Quantification of impact damages in CFRP and GFRP structures with thermography and ultrasonics
(2018)
The extent of damage caused by impacts in fibre reinforced composites depends on the energy of the impacts, on the velocity and the shape of the impacting body, on the material and structure of the composite and on the geometry of the structure. Here, mainly the thickness of the component is essential. The non-destructive evaluation of these damages can be carried out using both ultrasound and active thermography methods. A comparison of the detection sensitivity of these methods for the different damages is carried out in this paper depending on the fibre composite material used (CFRP and GFRP), the thickness of the material and the impact energy. The NDT methods used after the damage are supplemented by thermographic measurements with high temporal resolution, which were already recorded during the impact.
Bei der Realisierung von Oberflächen-Schutz-System (OSS) auf Betonflächen ist die tatsächlich erreichte Dicke der Beschichtung ein wesentlicher Parameter, der über die Funktionalität und Langzeitstabilität der aufgetragenen Schicht entscheidet. Die Firma IBOS und die BAM haben in den letzten Jahren gemeinsam einen funktionstüchtigen Prototyp eines Messgeräts zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung für Bodenbeschichtungen entwickelt. Hierin wird die Abkühlkurve eines vorher erwärmten Bereichs berührungslos mit einer IR-Kamera erfasst und mit einem Modell verglichen, was die Bestimmung der Schichtdicke ermöglicht. Im Rahmen dieses Beitrags wird die Umsetzung der Methode unter Laborbedingungen und in der Praxis auf der Baustelle erläutert und diskutiert.
Im Bauwesen werden Polymerbeschichtungen auf Beton häufig eingesetzt um zum einen, ein bestimmtes Aussehen zu schaffen und zum anderen, das Bauteil vor Alterung, Verschleiß und Schädigung zu schützen. Für praktisch alle Ziele ist die Wirkung von der eigens dafür definierten Schichtdicke der Polymerbeschichtung abhängig. Daher wird die Dicke der Beschichtung nach erfolgtem Schichtauftrag überprüft. Für den in diesem Zusammenhang anspruchsvollen mineralischen Untergrund Beton stehen bislang allerdings nur zerstörende Prüfverfahren zur Verfügung. Aus diesem Grund wurden im Rahmen des Projektes IRKUTSK ein auf aktiver Thermografie basierendes Verfahren sowie ein Gerät für den vor-Ort-Einsatz entwickelt, mit dessen Hilfe eine zerstörungsfreie Schichtdickenbestimmung möglich ist. Hier wird ein kurzer Einblick in das zur Schichtdickenbestimmung entwickelte Thermografieverfahren gegeben. Die Besonderheiten bei der quantitativen Auswertung, die durch die Teiltransparenz der Polymerbeschichtungen auftreten, werden erläutert. Die Funktion des Verfahrens für einlagige Systeme wird anhand von Labormessungen mit verschiedenen optischen Quellen zur thermischen Anregung illustriert.
Der Umfang der durch Impacts in Faserverbundmaterialien erzeugten Schäden ist abhängig von der Energie des Impacts, von der Zusammensetzung und dem Aufbau der Faserverbundwerkstoffe und von der Geometrie der Bauteile und hier im Wesentlichen von der Dicke des Bauteils. Der zerstörungsfreie Nachweis dieser Schädigungen kann sowohl mit Ultraschallverfahren als auch mit Verfahren der aktiven Thermografie erfolgen. Ein Vergleich der Nachweisempfindlichkeiten dieser Verfahren für die unterschiedlichen Schädigungen wird in diesem Beitrag in Abhängigkeit vom verwendeten Faserverbundwerkstoff (CFK und GFK), der Dicke des Materials und von der Impactenergie durchgeführt. Ergänzt werden die im Anschluss an die Schädigung eingesetzten ZfP-Verfahren mit zeitlich hochaufgelösten Thermografiemessungen, die bereits während des Impacts aufgenommen wurden.
Bei der Realisierung von Oberflächen-Schutz-System (OSS) auf Betonflächen ist die tatsächlich erreichte Dicke der Beschichtung ein wesentlicher Parameter, der über die Funktionalität und Langzeitstabilität der aufgetragenen Schicht entscheidet. Die Firma IBOS und die BAM haben in den letzten Jahren gemeinsam einen funktionstüchtigen Prototyp eines Messgeräts zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung für Bodenbeschichtungen entwickelt. Hierin wird die Abkühlkurve eines vorher erwärmten Bereichs berührungslos mit einer IR-Kamera erfasst und mit einem Modell verglichen, was die Bestimmung der Schichtdicke ermöglicht. Im Rahmen dieses Beitrags wird die Umsetzung der Methode unter Laborbedingungen und in der Praxis auf der Baustelle erläutert und diskutiert.
The one-dimensional thermal quadrupole method is used to evaluate a pulsed thermography measurement at delaminations in a glass-fiber reinforced plastic plate quantitatively. The large-scale delaminations have been induced by tension overload and are air-filled and are usually located at the same depth as the notch bottom of a notch on the rear side. While classical evaluation methods like pulsed phase thermography and thermal Signal reconstruction are focused on the delamination depth only, the thermal quadrupole method determines spatially resolved two parameters for delaminations, delamination depth and local thermal resistance. Interestingly, lateral heat flows do not disturb this kind of depth evaluation.
Lockin thermography is a well-suited method for the characterization of structures made of both metal and fiber reinforced plastic. In most cases, only phase images are analyzed, although the amplitude images might contain useful information as well. Thus, systematic studies of lockin thermography are presented, assessing amplitude and phase images for the detection and quantification of defects in isotropic (steel) and anisotropic (carbon fiber reinforced plastic) materials. Characterized defects are flat bottom holes with different diameters and various remaining wall thicknesses as well as crossed notches at different depths. The excitation frequency was varied while keeping the number of analyzed excitation periods nearly constant for each material. The data analysis was focused on the detectability of the defects both in the amplitude and phase images, including the determination of the signal-to-noise ratio and of the spatial resolution. As a result, the limits of defect detectability and spatial resolution are given for each material
Der Beitrag beschreibt den Aufbau und die Entwicklung einer Heißluftquelle als Wärmequelle für die aktive Thermografie. Als Ausgangspunkt wird zunächst die Quellenlage betrachtet. In der Literatur über Thermografie spielt Heißluft als Wärmequelle nur in weniger als 0,1% eine Rolle, die Ursache dafür ist nicht bekannt. Es wird vermutet, dass dieser Erwärmungsmethode unterstellt wird, sie hätte Nachteile bezüglich Homogenität der Erwärmung sowie Leistungseintrag. In einer der raren Publikationen über einen Verfahrensvergleich schnitt die Heißluft-Thermografie jedoch nicht schlechter als die Vergleichsverfahren mit optischer Anregung ab, bei gleichzeitig deutlichem Zeitgewinn und geringerem technischen Aufwand.
Danach wird der fertige Versuchsaufbau mit seinen wesentlichen Komponenten dargestellt. Der Einfluss der Geometrie der Luftaustrittsdüse auf die erreichbare Wärmeverteilung an einem flachen Blech wurde an mehreren Düsen untersucht. Hierbei erwies sich eine langgestreckte Umlenkdüse mit einer Strahlumlenkung von etwa 20° als optimal zur Erzeugung einer möglichst homogenen Erwärmung.
Ein weiterer zu optimierender Parameter war die erreichbare Schaltdynamik des Heißgasstromes. Beim schnellen Schalten großer Volumenströme treten Druckstöße mit entsprechenden Temperaturänderungen auf. Hinzu kommt, dass der verwendete MFC (mass flow controller) bei großen Volumenströmen zum Einschwingen bei Schaltprozessen neigt.
Daher enthält der Aufbau einen offenen Bypass zur Stabilisierung des Volumenstroms. Mit dem so realisierten Messplatz wurde die Reproduzierbarkeit der erzielten Erwärmung durch mehrfache Wiederholungsmessungen über einen längeren Zeitraum untersucht. Hierzu wurde ein auch zu Validierungszwecken genutzter PVC-Block mit 13 mm Dicke jeweils für 60 s erwärmt und die Oberflächentemperatur des PVC-Blocks mit einer IR-Kamera aufgezeichnet. Bei jeweiligem Neuaufbau ohne Justierhilfe ergab sich eine Reproduzierbarkeit von etwa 22% bei 5 Versuchen. Unter Nutzung einer Justierhilfe (Schablone für Abstand in der Kamerasoftware) ließ sich die Reproduzierbarkeit auf 5% bei 7 Versuchen reduzieren.
Ein weiterer zu klärender Punkt war der erzielbare Wärmeeintrag im Vergleich zu einer Anregung mit Blitzlampen. Hierzu wurde eine Messung mit 60 s Heißluftheizung direkt mit einer Evaluierungsmessung mit Blitzlampen am gleichen PVC-Probekörper mit 4 FBB an der Rückseite verglichen. Die Inhomogenität der Erwärmung wurde durch eine Phasenauswertung unterdrückt. Die Phasenauswertung gestattete den Nachweis aller 4 FBB, wobei das Signal zu Rausch-Verhältnis bei der Heißlufterwärmung deutlich besser war. Der direkte Vergleich der Temperaturkurven zeigt, dass bei 60 s Heizlufterwärmung ca. 4,5 mal mehr Energie als bei der Blitzanregung vom Probekörper absorbiert wurde. Hieraus lässt sich die eingekoppelte Heizleistung mit 100 mW/cm² abschätzen. Das entspricht in etwa dem Niveau, wie es auch mit bewegten Halogenstrahlern, bewegten IR-Strahlern oder der Sonne erreicht wird.
Diese Ergebnisse belegen, dass eventuell vorhandene Vorbehalte gegenüber einer Heißluft als Wärmequelle für die aktive Thermografie zumindest für thermisch langsame Materialien wie Kunststoffe oder mineralische Baustoffe unbegründet sind. Die Einsatzgrenzen bei der Untersuchung thermisch schnellerer Materialien wie Metalle steht noch aus, hier ist mit Abstrichen zu rechnen. Auf der anderen Seite lässt eine mögliche Düsenoptimierung noch deutliche Verbesserungen erwarten.
Die Anwendung von Polymerbeschichtungen im Bauwesen hat über die letzten Dekaden stetig zugenommen. Neben ästhetischen Aspekten sind vor allem die Verbesserung der Dauerhaftigkeit des Bauwerks und damit einhergehend die Verlängerung der Nutzungsdauer ausschlaggebende Gründe für die Wahl einer Beschichtung. Um die jeweiligen Bauteile vor Alterung, Verschleiß und Schädigung effektiv und zielsicher schützen zu können ist die Einhaltung der von den Herstellern vorgegebenen Mindestschichtdicken von essenzieller Bedeutung. Aus diesem Grund ist es notwendig die Schichtdicke der Beschichtung nach erfolgter Applikation zu überprüfen. Für den in diesem Zusammenhang anspruchs-vollen mineralischen Untergrund Beton stehen für die Baustelle bislang allerdings nur zerstörende Prüfverfahren zur Verfügung.
Aufbauend auf den Ergebnissen zur photothermischen Schichtdickenbestimmung von Polymerbeschichtungen im Rah-men des Forschungsprojektes IRKUTSK werden derzeit im WIPANO Projekt PHOBOSS weitreichende Untersuchungen durchgeführt, um diese zerstörungsfreie Untersuchungsmethode auf den Baubereich anzuwenden. Ziel des WIPANO Projektes PHOBOSS ist neben der Verfeinerung und Validierung der Mess-und Auswertungsmethodik die Erstellung eines Normenentwurfes welcher Rahmenbedingungen und Anforderungen für Messung und Messgerät enthalten soll.
Im Rahmen dieser Veröffentlichung werden Einblicke in das zur Schichtdickenbestimmung entwickelte Thermografie-verfahren gegeben. Die Funktionsweise des Verfahrens für die Messung von Oberflächenschutzsystemen wird anhand von Labor- und In Situ-Messungen illustriert und der für die Messungen verwendete Prototyp vorgestellt.
Low-velocity impact damages were monitored in-situ using an infrared camera before, during and after Impact load. Thermal images were recorded as a function of time at the front side (impact) as well as at the rear side of the plates using a high frame rate. In CFRP and GFRP specimens with different thicknesses and made of various types of fibers and matrix materials, different kind of damages were observed. The sizes of the heated areas being related to the damages and the amount of energy dissipated into heat was determined quantitatively as a function of impact energy and are a measure of the resistance of the different materials against impact load.
Polymerbeschichtungen auf Beton bieten einerseits mechanischen Schutz vor Beschädigungen und verhindern das Eindringen von Wasser, gelösten Salzen und CO2 und können andererseits der Oberfläche ein gewünschtes Aussehen geben. Daher werden sie in der Bauindustrie insbesondere bei Brücken und Parkhäusern häufig verwendet. Für die beabsichtigte Wirkung der Beschichtung ist deren Schichtdicke ein entscheidender Faktor und muss daher nach Aufbringung der Schicht und im Betrieb regelmäßig überprüft werden. Üblich sind hier zerstörende Verfahren mit nachträglich erforderlicher Ausbesserung. Im Rahmen eines Vorgängerprojektes wurde an der BAM in Kooperation mit der IBOS GmbH ein zerstörungsfreies Verfahren entwickelt, welches auf aktiver Thermografie basiert. Ein Prototyp mit Halogenlampe und Infrarot-Kamera wurde erprobt.
Das hier beschriebene Folgeprojekt hat das Ziel, dieses Verfahren zu standardisieren, damit es sich in der Industrie als zerstörungsfreies Alternativverfahren zur Schichtdickenbestimmung durchsetzt. Im ersten Schritt wird gezeigt, bei welchen Oberflächenschutzsystemen das Verfahren bereits zuverlässige Schichtdickenmessungen ermöglicht und praxistauglich ist. Anschließend werden weitere Forschungsthemen definiert und bearbeitet, die eine Anwendung für alle Oberflächenschutzsysteme ermöglichen sollen. Besondere Herausforderungen stellen etwa Sandeinstreuungen in der Polymerschicht dar. Auch muss der Frage nach der Anwendbarkeit auf Mehrschichtsysteme nachgegangen werden. Des Weiteren stellt sich die Frage nach dem Einfluss der Beschaffenheit des Betonuntergrunds auf die Anwendbarkeit des Verfahrens. Im zu erarbeitenden Normentwurf sollen diese Untersuchungen die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen der aktiven Thermografie zur Schichtdickenmessung von Oberflächenschutzsystemen aufzeigen. Im Beitrag werden die systematischen Untersuchungen bezüglich dieser Fragestellungen dargelegt.
Active thermography is a fast, contactless and non-destructive technique that can be used to detect internal defects in different types of material. Volumetric irregularities such as the presence of pores in materials produced by the Additive Manufacturing processes can strongly affect the thermophysical and the mechanical properties of the final component.
In this work, an experimental investigation aimed at detecting different pores in a sample made of stainless AISI 316L produced by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) was carried out using pulsed thermography in reflection mode. The capability of the technique and the adopted setups in terms of geometrical and thermal resolution, acquisition frequency and energy Density of the heating source were assessed to discern two contiguous pores as well as to detect a single pore. Moreover, a quantitative indication about the minimum resolvable pore size among the available and analysed defects was provided. A powerful tool to assess the Limits and the opportunities of the pulsed technique in terms of detectability and localizability was provided by comparing active thermography results to Computed Tomography as well as a related Finite Element Analysis (FEA) to simulate the pulsed heating transfer with Comsol.
Active IR Thermography
(2019)
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.
Pulse and flash thermography are experimental techniques which are widely used in the field of non-destructive testing for materials characterization and defect detection. We recently showed that it is possible to determine quantitatively the thickness of semitransparent polymeric solids by fitting of results of an analytical model to experimental flash thermography data, for both transmission and reflection configuration. However, depending on the chosen experimental configuration, different effective optical absorption coefficients had to be used in the model to properly fit the respective experimental data, although the material was always the same. Here, we show that this effect can be explained by the wavelength dependency of the absorption coefficient of the sample material if a polychromatic light source, such as a flash lamp, is used. We present an extension of the analytical model to describe the decay of the heating irradiance by two instead of only one effective absorption coefficient, greatly extending its applicability. We show that using this extended model, the experimental results from both measurement configurations and for different sample thicknesses can be fitted by a single set of parameters. Additionally, the deviations between experimental and modeled surface temperatures are reduced compared to a single optimized effective absorption coefficient.
Active thermography is a well suited non-destructive testing method for the challenging inspection of wind rotor blades. Since the GFRP structures are up to some centimetres thick, long pulse heating is required to provide an appropriate energy input into the structure. So far, no best practice exists to guarantee a reliable detection of deep-lying flaws. In this work, a step wedge specimen having a maximum thickness of 34mm is systematically investigated by experiment and well-matched simulations to assess the influence of the experimental parameters, like the absorbed energy, on thermal contrasts. Finally, a scheme to conduct full-scale test of a wind rotor blade in less than three hours is proposed.
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.
Flash thermography is widely used in non-destructive testing and materials characterisation. The use of analytical modelling utilizing the Laplace transform allows one to calculate the temperature transients of flash-heated samples and therefore characterize them by fitting of the results of model calculations to experimental data. However, for samples with high thermal diffusivity or very thin samples, the temperature transient is strongly influenced by the temporal shape of the heating pulse, especially in reflection configuration. To incorporate this into the model, the temporal shape of the heating pulse and its Laplace transform have to be known. Here we present a close phenomenological approximation of the temporal shape of pulses of Xe-flash lamps. It is a non-stitched solution, has a simple Laplace transform and is suitable for different lamps and energy settings. As an example for a practical application of the pulse shape approximation, we use it to determine the thickness of polymer samples with thicknesses down to 80 µm by means of flash thermography, both in transmission and reflection configuration. Using a rectangular pulse shape or a delayed Dirac pulse shape, the thickness results are very sensitive to the start time of the fit and an additional calibration is needed.
Im Bauwesen werden Polymerbeschichtungen auf Beton häufig eingesetzt um zum einen ein bestimmtes Aussehen zu schaffen und zum anderen das Bauteil vor Alterung, Verschleiß und Schädigung zu schützen. Für praktisch alle Ziele ist die Wirkung von der eigens dafür definierten Schichtdicke der Polymerbeschichtung abhängig. Daher wird die Dicke der Beschichtung nach erfolgtem Schichtauftrag überprüft. Für den in diesem Zusammenhang anspruchsvollen mineralischen Untergrund Beton stehen bislang allerdings nur zerstörende Prüfverfahren zur Verfügung. Aus diesem Grund wurden im Rahmen des Projektes IRKUTSK ein auf aktiver Thermografie basierendes Verfahren sowie ein Gerät für den vor-Ort-Einsatz entwickelt, mit dessen Hilfe eine zerstörungsfreie Schichtdickenbestimmung möglich ist.
Hier wird ein kurzer Einblick in das zur Schichtdickenbestimmung entwickelte Thermografieverfahren gegeben. Die Besonderheiten bei der quantitativen Auswertung, die durch die Teiltransparenz der Polymerbeschichtungen auftreten, werden erläutert. Die Funktion des Verfahrens für einlagige Systeme wird anhand von La-bormessungen illustriert.
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, auch optisch „nicht-kooperative“ 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 thermische Defekte beeinträchtigt wird, und zum anderen die Möglichkeit untersucht, den vorhandenen 3D-Scanner auch für die aktive Thermografie einzusetzen. Es werden CFK-Proben mit künstlich eingebrachten thermischen Defekten untersucht und die Möglichkeiten und Grenzen der vorhandenen Messapparatur für die Defekterkennung aufgezeigt.
Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren ist prinzipiell gut geeignet, um innen liegende Fehler in Rotorblättern zu detektieren. Im Vortrag wird die Anwendbarkeit des Messprinzips zuerst theoretisch und dann an Hand von Praxisfällen gezeigt. Weiterhin werden erste Ergebnisse aus einem laufenden FuE-Projekt zur Tiefenreichweite der Messmethode demonstriert und erläutert.
Derzeitiger Stand von Wissenschaft und Technik:
Die Inspektion der Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) erfolgt derzeit durch Sichtinspektion von außen und wenn möglich auch von innen. Das die Wartung ausführende Personal muss sich hierfür von der Gondel aus abseilen oder die Inspektion von einer speziellen Plattform aus durchführen. Dazu muss die WEA für die Dauer der Inspektion außer Betrieb gesetzt werden. Kleinere Schäden am Rotorblatt können sofort ausgebessert werden. In Deutschland ist ein zweijähriges Wartungsintervall vorgeschrieben.
Begründung/Zielsetzung der Untersuchung:
Das bisher angewandte Verfahren der individuellen Nahinspektion aller Rotorblätter lässt nicht ohne weiteres auf den Offshore-Bereich übertragen. Allein der notwendige Umstieg von einem Boot auf eine fest stehende Plattform bei geringem Wellengang von 1 m Wellenhöhe veranschaulicht die Schwierigkeiten. Weitere typische Probleme sind eingeschränkte Zugänglichkeit bei Schlechtwetterlagen, lange Anfahrtswege und das schlecht kalkulierbare Risiko der Seekrankheit. Es besteht daher Bedarf an neuen Inspektionsmethoden, bei denen die WEA nicht direkt begangen werden muss. Ein entsprechendes Verfahren könnte auch im onshore-Bereich eingesetzt werden, um Wartungsintervalle zu optimieren und Stillstandszeiten zu minimieren.
Methode:
Thermografische Verfahren sind berührungslos und werden bereits zur Rotorblattinspektion eingesetzt, allerdings nur während der Fertigung und dicht am Rotorblatt. Weiterhin ist bekannt, dass Thermografiekameras auch auf Hubschraubern eingesetzt werden, z.B. zur Personensuche. Im Rahmen des Projektes soll untersucht und evaluiert werden, ob Thermografie auf größere Entfernungen zur Untersuchung von Rotorblättern geeignet ist. Gemäß Projektplan sind vor allem Laboruntersuchungen an geeigneten Probekörpern sowie Außenmessungen an WEA geplant. Damit soll das Potenzial der thermografischen Ferninspektion von Rotorblättern evaluiert werden.
Ergebnis:
1. Die Untersuchungen an Rotorblattausschnitten mit verschiedenartigen Fehlern im Labormaßstab belegten die Eignung der Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode für Rotorblätter.
2. Langzeituntersuchungen an einem Teilbereich eines Rotorblatts in einer Freiluftanordnung zeigten, dass messbare thermische Kontraste an inneren Strukturen oder an inneren Fehlern unter verschiedenartigen Wetterbedingungen entstehen können.
3. Bei Messungen an Rotorblättern im montierten Zustand, d.h. an einer intakten WEA, treten entsprechende thermische Kontraste ebenfalls auf. Allerdings ist die Nachweisbarkeit erschwert durch Reflexionen aus der Umwelt sowie durch Wind, der zu charakteristischen thermischen Streifenmustern auf den Rotorblättern führt. Bei Messungen an ruhenden Rotorblättern dominiert der erste Effekt, während der Wind kaum stört. Bei sich drehenden Rotorblättern ist die Situation umgekehrt, störende Reflexionen können korrigiert werden, aber der Wind beeinflusst die thermischen Kontraste beträchtlich, vor allem in nabenfernen Bereichen der Rotorblätter.
Schlussfolgerung/Anwendungsmöglichkeit:
Eine abschließende Evaluierung der Eignung der Thermografie als Ferninspektionsmethode für WEA-Rotorblätter konnte nicht vorgenommen werden. Ursache hierfür sind sowohl die vielfältigen Störfaktoren bei einer Freiluftmessung als auch das Fehlen einer geeigneten Referenzanlage, an der typische Rotorblattfehler und –defekte während des Betriebs systematisch beobachtet werden können. Die Schlussfolgerung ist daher, dass weitere Forschungsarbeit notwendig ist, um Möglichkeiten und Einsatzgrenzen einer thermografischen Ferninspektion angeben zu können.
Eine thermografische Rotorblattinspektion ist unter günstigen Witterungsbedingungen anwendbar und kann wahrscheinlich innere Defekte aufdecken, auch wenn der direkte Nachweis innerhalb des Projektes nicht geführt werden konnte. Wenn ein Rotorblatt-Thermogramm Auffälligkeiten aufweist, vor allem im Vergleich zu den beiden anderen Rotorblättern der gleichen Anlage, ist eine nähere Untersuchung der entsprechenden Stelle zu empfehlen. Das Auftreten solcher Kontraste, deren räumliche Ausdehnung und Ausprägung hängen jedoch von vielfältigen Faktoren ab und sind gemäß jetzigem Kenntnisstand noch nicht voll verstanden.
Sandwich-Schalenstrukturen in situ charakterisiert mit Thermographie und Felddehnungsmessungen
(2018)
An der BAM wurde ein Schalenprüfstand entwickelt, mit dem typische Sandwichschalenstrukturen unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet werden können. Im mechanischen Ermüdungsversuch wurden in situ die Entstehung von Schäden in Schalenprüfkörpern mit Test-Imperfektionen mittels der passiven Thermographie und Felddehnungsmessungen verfolgt. Damit konnten der Zeitpunkt, der Schadensursprung und der Schadensfortschritt zerstörungsfrei bestimmt werden. Zudem wurden vergleichend Schalenprüfkörper mit Luftultraschall und der Röntgen-Laminographie untersucht. Im Rahmen eines BMWi-Forschungsvorhabens wurden die Schädigungsmechanismen evaluiert und Empfehlungen für die Praxis der Fertigung von Rotorblättern abgeleitet. In diesem Beitrag wird sich auf die Darstellung der ZfP-Verfahren und der ZfP-Ergebnisse konzentriert.
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 Erwärmung mit Blitzlampen oder mit einem Infrarot-Strahler mit einer Infrarot-Kamera erfasst. Zur Rekonstruktion der Messdaten wurde ein numerisches Modell entwickelt. Dazu war die Bestimmung der thermischen und optischen Materialeigenschaften erforderlich.
Im EMRP-Projekt VITCEA werden komplementäre ZFP-Verfahren zur Prüfung von Faserverbundwerkstoffen weiterentwickelt und validiert. In diesem Beitrag werden Ergebnisse verschiedener Techniken der aktiven Thermografie und des Ultraschalls vorgestellt. Die Nachweisempfindlichkeiten bezüglich künstlicher und natürlicher Fehler mit unterschiedlichen lateralen Ausdehnungen und in verschiedenen Tiefen werden miteinander verglichen.