Quantitative Phasen- und Amplitudenauswertung im Frequenzbereich für aktive Thermografie mit Rechteckimpuls- Erwärmung

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1 For more papers of this publication click: ThermografieKolloquium 2007 Vortrag 06 Quantitative Phasen und Amplitudenauswertung im Frequenzbereich für aktive Thermografie mit Rechteckimpuls Erwärmung Ralf ARNDT, Christiane MAIERHOFER, Mathias RÖLLIG und Manuela WALSDORF MAUL, Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM), Berlin Kurzfassung. Nach einer Einführung in die PulsPhasenThermografie (PPT) wird ein neuer Ansatz für die Defekttiefenbestimmung im Frequenzraum mittels der sogenannten charakteristischen Frequenz des imalen Phasen und Amplitudenkontrastes zwischen Fehlstelle und ungestörtem Bereich entwickelt und anhand von systematischen Untersuchungen an Probekörpern der Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung und ergänzenden Simulationsrechnungen überprüft. Die mit RechteckimpulsSpektralThermografie (RST) bezeichnete Methode, die auch als eine RechteckimpulsThermografie (RIT) im Frequenzbereich oder eine durch Amplitudenauswertung ergänzte PPT für Rechteckimpulserwärmung verstanden werden kann, soll die existierenden Ansätze ergänzen und bietet eine Alternative für die Tiefenbestimmung von Defekten bei Messungen mit langen Erwärmungs und Beobachtungszeiten, wie sie bei Anwendung von aktiver Thermografie im Bauwesen häufig vorkommen Einführung 1.1 Vorteile der PulsPhasenThermografie Seit einigen Jahren wird die PulsPhasenThermografie (PPT) [1] als Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung in der Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung zur Bauwerksdiagnose oberflächennaher Strukturen eingesetzt und für die besonderen Anforderungen im Bauwesen adaptiert [2]. Dabei konnten die aus der Literatur bekannten Vorteile der Phasenauswertung im Frequenzbereich gegenüber der Temperaturauswertung im Zeitbereich und der Amplitudenauswertung im Frequenzbereich auch für die im Bauwesen häufig erforderlichen langen Erwärmungs und Beobachtungszeiten im Labor und vor Ort bestätigt werden: Inhomogenitäten in größeren Tiefen können detektiert werden. Geringerer Einfluss von Oberflächeninhomogenitäten Kontrastreichere Abbildung der Defektgeometrie, geringeres Rauschen und damit erhöhte Nachweisempfindlichkeit von Defekten Eine besondere Herausforderung stellte das quantitative Problem der Tiefenbestimmung von Defekten im Frequenzbereich nach Rechteckimpulserwärmung im Zeitbereich dar. 1

2 1.2 Quantitativer Ansatz für Rechteckimpulserwärmung Schon in ihrer ersten Veröffentlichung über die PPT beschreiben Maldague und Marinetti die oben genannten Vorteile einer qualitativen PPT gegenüber der klassischen IT anhand des guten Phasenkontrastes Δφ max beziehungsweise der Δφ max Bilder [1]. Einen quantitativen Lösungsansatz geben sie zunächst nicht. Spätere quantitative Lösungsansätze zur Bestimmung der Tiefe eines Defektes z mit neuronalen Netzwerken [3], statistischen Methoden [4] oder Wavelets [] sind aber zumeist kompliziert in der Handhabung mit langen Verarbeitungszeiten [6]. Erst durch IbarraCastanedo wurde über eine konsequente Verfolgung des Ansatzes über die sogenannte Blindfrequenz f b (vergleiche Abbildung 1), bei der ein Defekt gerade noch nachweisbar ist, eine relativ einfache Lösung dieses Problems entwickelt [7]. Auch an der BAM [2] [9] [10] wurde dieser Ansatz mit vielversprechenden Ergebnissen verfolgt. Allerdings zeigte sich, 1. dass diese Ansätze und auch eine direkte Adaption der Lösung von Ibarra Castanedo [10] nur bedingt funktionierten, weil sich die Blindfrequenz f b und die alternative scheinbare Blindfrequenz f b ' häufig nicht eineindeutig bestimmen lassen [11], wohingegen 2. die Verwendung der charakteristischen Frequenz f ch des imalen Phasenkontrastes Δφ max [12] und sogar des imalen Amplitudenkontrastes ΔA zu sehr guten Ergebnissen für Tiefen zwischen 1 und 10 cm führt [13]. Abbildung 1: Exemplarische Phasenkontrastkurve φ=φ F φ R mit f ch, f b und f b [11] Die Wirksamkeit des neuen quantitativen Ansatzes zur Tiefenbestimmung z α α z = f = kc f ch f ch (1) mit der Temperaturleitfähigkeit α und dem Korrekturfaktor k c wird anhand von Ergebnissen von Laboruntersuchungen und Simulationsrechnungen an Betonprobekörpern der BAM demonstriert. Das Thermografie Konzept mit langen Erwärmungs und Aufnahmezeiten kann als RechteckimpulsThermografie (RIT) verstanden werden, die Auswertung der so gewonnenen Daten im Frequenzbereich entsprechend als RIT im Frequenzbereich, bzw. als RechteckimpulsSpektalThermografie (RST) [13]. 2

3 2. Experimente 2.1 Versuchsaufbau und durchführung Der experimentelle Aufbau der RechteckimpulsThermografie im Zeit und damit auch der RST im Frequenzbereich bestehend aus einer Erwärmungseinheit, einer Infrarotkamera und einem Computersystem zur Echtzeiterfassung der Thermogramme ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2: Experimenteller Versuchsaufbau für Messungen an Probekörper A Die thermische Erwärmungseinheit setzt sich aus drei einzelnen InfrarotHeizstrahlern mit einer elektrischen Anschlussleistung von je 2400 W zusammen. Diese sind linienförmig zueinander angeordnet und können senkrecht zur Anordnung gleichmäßig über die zu erwärmende Oberfläche bewegt werden. Der Abstand der Erwärmungseinheit zur Oberfläche ist variabel. Für die Messungen wurde eine Entfernung von 1 cm gewählt. Es wurden Messungen mit Erwärmungszeiten von, 10, 1 und 30 Minuten durchgeführt. Der Abkühlungsprozess wurde über einen Zeitraum von 2 Stunden mit einer Bildaufnahmefrequenz von 2 Hz beobachtet. Der Abkühlungsprozess wird mit einer InfrarotKamera (Inframetrics SC 1000) betrachtet, welche senkrecht und mittig auf die Oberfläche des Probekörpers ausgerichtet ist. Ihr Abstand vom untersuchten Probekörper ist so gewählt, des verwendeten 16 Objektivs die gesamte Oberfläche (1, x 1, bzw. 1,0 x 1,0 m²) aufgenommen werden kann. Die Kamera nimmt die von der Oberfläche emittierte Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 3 bis μm auf. Sie hat in der Brennebene eine Diodenanordnung von 26 x 26 Detektoren, von denen jeder die Strahlungsintensität an einem bestimmten Ort misst. In der Kamera werden die Strahlungsintensitäten in Temperaturwerte umgerechnet. Diese können dann zusammengesetzt auf einem Monitor als Schwarzweiß oder Falschfarbenbilder ausgegeben werden. Gleichzeitig werden die thermischen Bilddaten mit einer Frequenz von 2 Hz und einer Amplitudendynamik von 12 Bit auf einen Computer übertragen und dort gespeichert. Nach der Aufzeichnung des Abkühlvorganges werden die zeitabhängigen thermischen Daten mit Hilfe der schnellen Fourier Transformation (FFT) in frequenzabhängige Amplituden und Phasen transformiert und mit geeigneter Software analysiert. Die resultierenden Parameter für die RST sind: maximale Frequenz f max =0.1 Hz, die Anzahl der Frequenzschritte N f =211 =2048 und die resultierende FrequenzAuflösung Δf = f max / N f = x10 Hz. Die Temperaturleitfähigkeit des Betons wurde abgeschätzt zu α= 8.7 x 107 m²/s. 3

4 2.2 Probekörper Zur systematischen Untersuchung der Nachweisbarkeit von Hohlstellen wurde zunächst Probekörper A (siehe Abbildung 3, links) hergestellt. Der Probekörper hat die Abmaße 10 x 10 x 0 cm 3 und enthält acht eingebaute Fehlstellen aus PolystyrolHartschaum mit den Abmessungen 20 x 20 x 10 cm³ bzw. 10 x 10 x 10 cm³. Die Solltiefen dieser Fehlstellen lagen zwischen 2 und 10 cm. Da während des Betonierens jedoch einige Fehlstellen ihre Lage verändert hatten, wurden nach dem Austrocknen des Probekörpers messungen durchgeführt. Die aus diesen Untersuchungen bestimmte Betondeckung ist in der Tabelle 1 in der rechten Spalte angegeben. In den Probekörper B mit den Abmaßen 100 x 100 x 30 cm 3 wurden jeweils vier Fehlstellen der Größe 10 x 10 x cm 3 in Tiefen von 6 und 10 cm eingebaut (siehe Abbildung 3, rechts). Jeweils zwei Fehlstellen wurden durch PolystyrolHartschaum (B_F1 und B_F2) bzw. Porenbeton (B_F3 und B_F4) simuliert. Diese Fehlstellen wurden so fixiert, dass ein Aufschwimmen während des Betonierens verhindert wurde. Abbildung 3: Probekörper A aus Beton mit Fehlstellen aus PolystyrolHartschaum in unterschiedlichen Solltiefen und zwei verschiedenen Größen (links) und Probekörper B aus Beton mit Fehlstellen aus PolystyrolHartschaum und Porenbeton in 6 und 10 cm Solltiefe (rechts) Maßzahlen in cm 2.3 Auswertung im Frequenzbereich und Ergebnisse Abbildungen 4 und zeigen die Phasen und Amplitudenkontrastkurven als Funktion der Frequenz für Erwärmungszeiten von 1 für Probekörper A [13]. Sie zeigen deutlich, dass f ch (Frequenz beim ersten Differenzenimum) mit abnehmender Tiefe zunimmt und umgekehrt. Im Vergleich zwischen Amplituden und Phasenkontrastkurven zeigt erstere ein geringes Rauschen. Obwohl der Amplitudenkontrast bei f ch gegenüber dem der Phase deutlich kleiner ausfällt, bleiben die Fehlstellen numerisch immer eindeutig nachweisbar (vergleiche Tabelle 1). Tabelle 1 gibt einen Überblick über die ermittelten Größen nach Gleichung 1 für Probekörper A und B für, 10, 1 und 30 Minuten Erwärmung. 4

5 Δφ in rad 1.0x Δφ 1.0x x x x Δφ A_F1 Δφ A_F2 Δφ A_F Δφ A_F6 Δφ A_F7 Δφ A_F Frequenz in Hz Abbildung 4: Phasenkontrastkurven für Probekörper A nach 1 Erwärmung ΔA i.w.e. 3.0x x10 1 ΔA ΔA A_F1 ΔA A_F2 ΔA A_F ΔA A_6 ΔA A_7 ΔA A_8 1.0x x Frequenz in Hz Abbildung : Amplitudenkontrastkurven für Probekörper A nach 1 Erwärmung Tabelle 1: Zusammenstellung der Parameter für die quantitative RST an Probekörper A und B für Erwärmungszeiten t E von 30, 1, 10 und Minuten, die Werte in () wurden durch fitten ermittelt Fehlstelle / t E 30 A_F1 / Phase Amplitude (1.20) A_F2 / Phase Amplitude A_F / Phase 7.81 Amplitude A_F6 / Phase 3.42 Amplitude,38 A_F7 / Phase 6.3 Amplitude 7.81 A_F8 / Phase 3.42 Amplitude 4.39 B_F1 / Phase Amplitude f ch in Hz x , (.36) Gleichung 1 ohne kc in cm ergebnisse bzw. Solltiefe in cm 9.2 ± ± ± ± ± ±

6 Fehlstelle / t E 30 B_F2 / Phase Amplitude 2.93 B_F3 / Phase Amplitude B_F4 / Phase 2.93 Amplitude 2.93 f ch in Hz x Gleichung 1 ohne kc in cm ergebnisse bzw. Solltiefe in cm Generell gibt es eine große Übereinstimmung zwischen den und den Thermografieergebnissen. Die Ergebnisse scheinen weitestgehend unabhängig von den Erwärmungszeiten zu sein. Obwohl die Tendenz erkennbar wird, dass für lange Erwärmungszeiten die tiefen Fehlstellen flacher erscheinen. Für kurze Erwärmungszeiten und flache Fehlstellen gilt das Umgekehrte, sie erscheinen tendenziell zu tief. Die besten Ergebnisse werden für Amplituden mit 1 Minuten Erwärmung erzielt. Ein Einfluss der Fehlstellengröße für den quantitativen Nachweis ist nicht erkennbar. Bemerkenswert ist, dass mit der Ausnahme von Fehlstelle A_F7 und Erwärmung sowie den schlecht detektierbaren Porenbetonfehlstellen B_F3 und B_F4 die Amplituden zu gleichen oder besseren Ergebnissen führen als die Phasen. 3. Simulationen Es wurden auch vergleichende FEMSimulationsrechnungen im Zeitbereich durchgeführt mit einer anschließenden Auswertung der Daten im Frequenzbereich [14]. PhasenKontrastKurven bei 10 Minuten Erwärmung Δφ in rad 4.0x x x x x x x x x10 2 F1 Polystyrol, 10 cm F2 Polystyrol, 6 cm F3 Porenbeton, 10 cm F4 Porenbeton, 6 cm Frequenz in Hz F1, F3 F2 F4 f = 1,9x10 4 Hz f = 1,9 x 10 4 Hz f = 6,3x 10 4 Hz f = 6,3x10 4 Hz Abbildung 6: Phasenkontrastkurven für simulierte Erwärmung und Abkühlung des Probekörpers B nach 10 Erwärmung (oben), Phasenbilder bei imalem Phasenkontrast bei der jeweiligen Frequenz [14] 6

7 In Abbildung 6 werden die Phasenkontrastkurven als Funktion der Frequenz bei einer Erwärmungszeit von 10 Minuten des Probekörpers B dargestellt. Unterhalb der Kurven werden die Phasenbilder mit der zugehörigen Frequenz f ch bei maximalem Kontrast abgebildet. Wie in Abschnitt 2.3 bereits beschrieben, zeigt sich auch hier, dass f ch mit abnehmender Tiefe zunimmt. Auch bestätigt sich weitestgehend, dass die Länge der Erwärmungszeit keinen Einfluss auch die charakteristische Frequenz hat. Für die Phasenbilder zeigt sich bei unterschiedlich langer Erwärmungszeit eine tendenziell gute Detektierbarkeit. Die Abweichung gegenüber den Messwerten bei der charakteristischen Frequenz ist allerdings relativ groß. Amplitude i.w.e. AmplitudenKontrastKurven.0x10 3 Fehlstellen in 6 cm Tiefe 0.0.0x x x10 2 F2 (Polystyrol, 10 Erw.) 2.0x x10 2 F4 (Porenbeton, 10 Erw.) 3.0x x x10 2 F2 (Polystyrol, 1 Erw.) F4 (Porenbeton, 1 Erw.) Frequenz in Hz F2, 1 F4, 1 F2, 10 F4, 10 Abbildung 7: Amplitudenkontrastkurven für simulierten Probekörper B nach 10 und 1 Erwärmung (oben), dargestellte Amplitudenbilder bei imalem Amplitudenkontrast bei einer Frequenz von f ch = 1,4686 x 10 4 Hz [14] Abbildung 7 stellt die Amplitudenkontrastkurven sowie die Amplitudenbilder des Probekörpers für die 6 cm tief liegenden Fehlstellen bei ihrem jeweiligen imalen Amplitudenkontrast für die Erwärmungszeiten von 10 und 1 Minuten dar. Es ergibt sich für alle Fehlstellen der imale Amplitudenkontrast bei der gleichen Frequenz, die sich aber von den Phasen und den realen Versuchen unterscheidet. Die Materialeigenschaften der Fehlstelle haben darauf keinen Einfluss. Es wird die Tendenz erkennbar, dass mit zunehmender Energie auch der Amplitudenkontrast zunimmt [14]. Die Simulation ermöglichte des Weiteren die Untersuchung des Einflusses der Lage des zu untersuchten Punktes in der Fehlstelle (hier nicht dargestellt). Hierbei ergab sich, dass die Lage keine größere Bedeutung für die Auswertung im Frequenzbereich hat [14]. Zusammenfassung Ein neuer quantitativer Ansatz, für die PulsPhasenThermografie (PPT) im Bauwesen wurde in der BAM entwickelt. Die mit RechteckimpulsSpektralThermografie (RST) 7

8 bezeichnete Methode, die auch als eine RechteckimpulsThermografie (RIT) im Frequenzbereich oder eine durch Amplitudenauswertung ergänzte PPT für Rechteckimpulse verstanden werden kann, ergänzt die vorhandenen Ansätze und bietet eine Alternative für die Tiefenbestimmung von Defekten bei Messungen mit langen Erwärmungs und Beobachtungszeiten, wie sie im Bauwesen häufig vorkommen mit guten Ergebnissen bei Tiefenlagen zwischen 3 und 10 cm bei destens 10 Erwärmung mit dem angegebenen Messaufbau. Ergänzend zu den bei der PPT üblichen Phasenauswertungen wurden Amplitudenauswertungen vorgenommen. Im Laufe dieser Untersuchungen wurde deutlich, dass die Amplituden nicht zu vernachlässigende Informationen beinhalten und ergänzend zu den Phasen betrachtet werden sollten. Die Amplitudenkontrastkurven haben bei homogenen Bauteilen häufig ein wesentlich besseres SignalZuRauschVerhältnis als die Phasenkontrastkurven und führen über den quantitativen Ansatz über die charakteristische Frequenz des imalen Amplitudenkontrastes häufig zu genaueren Ergebnissen als die Phasenkontrastverläufe. Die durchgeführten Simulationsrechnungen mit der Methode der Finiten Elemente bestätigen tendenziell die Ergebnisse der Versuche. Die Abweichungen gegenüber den realen Werten sind aber relativ hoch. Für genauere Aussagen sind weiterführende Simulationen erforderlich. Danksagung Die präsentierte Arbeit wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Projektes Struktur und Feuchteuntersuchungen von Bauteil und Bauwerksoberflächen mit der ImpulsThermografie, Teil 2 (Ma 212) unterstützt. Referenzen [1] Maldague, X. and Marinetti, S.: Pulse Phase Thermography, J. Appl. Phys. Vol. 79, No., 1996, S [2] Maierhofer, Ch., Arndt, R., Röllig, M., Weritz, F. und Wiggenhauser, H.: Untersuchung von Betonstrukturen mit der PulsPhasenThermografie. In: DGZfPBerichtsband, CDROM, ThermografieKolloquium. Stuttgart: DGZfP BB 86CD, [3] Maldague, X. (tech. editor): Theory and practice of Infrared Technology for nondestructive testing, John Wiley and Sons, Inc., [4] Maldague, X. and Largouet, Y. and Couturier, J. P.: A Study of Defect Depth Using Neural Networks in Pulsed Phase Thermography: Modeling, Noise, Experiments; Rev. Gén. Therm. (37), S , [] Vallerand, S. and Maldague, X.: Defect Characterization in Pulsed Thermography: a Statistical Method Compared with Kohonen and Perceptron Neural Networks, NDT\&E International (33), S , [6] Galmiche, F. and Maldague, X.: Depth Defect Retrieval Using the Wavelet Pulsed Phased Thermography, Quantitative InfraRed Thermography (QIRT), Eurotherm Sear 64, Reims, France, July 1821, 2000 [7] IbarraCastanedo, C., Maldague XPV.: Pulsed phase thermography reviewed. Quantitative Infrared Thermography Journal 200; 1(1): [8] IbarraCastanedo, C.: Quantitative subsurface defect evaluation by pulsed phase thermography: depth retrieval with the phase, Phdthesis, Université Laval, Canada, 200, source: [9] Weritz, F., Arndt, R., Röllig, M., Maierhofer, Ch. and Wiggenhauser, H.: Investigation of concrete structures with pulsephasethermography, Materials and Structures 38 (200) 11, pp [10] Röllig, M. Arndt, R., Maierhofer, Ch.,: Quantitative Untersuchung von Fehlstellen in Beton mit der ImpulsThermografie und der PulsPhasenThermografie, in: DGZfPBerichtsband, CDROM, ThermografieKolloquium. Stuttgart: DGZfP BB 98CD,

9 [11] Arndt, R., Helmerich, R., Maierhofer, Ch. and Röllig, M.: Quantitative pulsephasethermography of composites and concrete structures, in: Proceedings of the 11th International Conference on Structural Faults and Repair, June 13 1, Edinburgh; Scotland, [12] Arndt, R., Maierhofer, Ch. and Röllig, M.: Detection and quantification of voids and delaations in masonry and concrete structures with active thermography, in: Proceedings of the 9th International Conference on NDT (ECNDT), September 2 29, Berlin; Germany, [13] Arndt, R.: RechteckimpulsThermografie im Frequenzbereich Adaption der PulsPhasen Thermografie für die qualitative und quantitative zerstörungsfreie Prüfung oberflächennaher Strukturen im Bauwesen, Dissertation, TU Berlin, 2007, in Druck. [14] WalsdorfMaul, M.: Strukturuntersuchungen von Baustoffen mit der PulsPhasenThermografie, Diplomarbeit am Fachgebiet Baustoffkunde und Baustoffprüfung der Technischen Universität Berlin,