Wärmefluss-Thermographie als zerstörungsfreies Prüfverfahren für die industrielle Anwendung
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- Berthold Acker
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1 Wärmefluss-Thermographie als zerstörungsfreies Prüfverfahren für die industrielle Anwendung Dr.-Ing. Jochen Aderhold für () Braunschweig Wärmefluss-Thermographie als zerstörungsfreies Prüfverfahren Physikalische Grundlagen der Infrarot-Thermographie Prinzip der Wärmefluss-Thermographie Pulsphasenthermographie Möglichkeiten zur thermischen Anregung Praxisbeispiele Zusammenfassung Seite 2 1
2 Physikalische Grundlagen der Infrarot-Thermographie (1) Prinzip der Thermographie Seite 3 Physikalische Grundlagen der Infrarot-Thermographie (2) Planck'sche Formel C λ 5 M0 1 λ = exp(c2 / λt) 1 M 0 λ : Strahlungsleistung eines schwarzen Strahlers pro Fläche und Wellenlängenintervall C = 2πhc = 3, Wm C2 = hc / kb = 0, mk M_0_Lambda [W/µm*m^2] K K 500 K K 700 K Lambda [µm] Seite 4 2
3 Physikalische Grundlagen der Infrarot-Thermographie (3) Realer Strahler: Material Temperatur [ C] epsilon(lambda) Poliertes Aluminium 0 0,03 M ε λ = ε(λ) M0 λ Poliertes Aluminium 100 0,05 Anodisiertes Aluminium 100 0,55 Poliertes Gold 100 0,02 Poliertes Eisen 40 0,21 Oxidiertes Eisen 100 0,64 Polierter Stahl 100 0,07 Oxidierter Stahl (800 C) 100 0,79 Schwarzer Lack 20 0,95 Weißes Papier 20 0,93 Holz 20 0,9 Poliertes Glas 20 0,94 Menschliche Haut 32 0,98 Wasser 1 0,92 Schnee 0 0,8 Seite 5 Prinzip der Wärmefluss-Thermographie (1) Passive Wärmefluss-Thermographie Abkühlung Abkühlung Oberflächenmaterial Klebefuge Trägermaterial Abkühlung Abkühlung Seite 6 3
4 Prinzip der Wärmefluss-Thermographie (2) Aktive Wärmefluss-Thermographie Wärmeimpuls Abkühlung Oberflächenmaterial Klebefuge Trägermaterial Seite 7 Prinzip der Wärmefluss-Thermographie (3) Realisierung der aktiven Online- Thermographie Seite 8 4
5 Prinzip der Wärmefluss-Thermographie (4) Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens Physikalische Auflösungsgrenzen: Beugung an der Linsenöffnung 1,22 λ f r = a Kamerabedingte Auflösungsgrenzen: Pixelzahl: Temperaturauflösung: 15mK Bildwiederholrate: 880 Hz Durch das Messprinzip bedingte Auflösungsgrenzen ΔT hängt von Defektgröße und tiefe und Materialparametern ab. Seite 9 Pulsphasen-Thermographie (1) Puls lässt sich in Sinuswellen zerlegen, ω min ~ 1/Pulslänge Sinusförmige Anregung (ω): Wärmewelle, Eindringtiefe κ: Wärmeleitfähigkeit, C: Wärmekapazität μ = 2κ ω C Fouriertransformation: Bild(t=0), Bild(Δt), Bild(2Δt),, Bild(NΔt) (Δt = 1/Framerate) Bild*(ω=0), Bild*(Δω), Bild*(2Δω),, Bild*(NΔω) (Δ ω= 1/Beobachtungszeit) Bild*: Amplituden- und Phasenbild Seite 10 5
6 Pulsphasen-Thermographie (2) Beispiel: Lochplatte mit verschiedenen Dekorbeschichtungen Rohbild Seite 11 Pulsphasen-Thermographie (3) Beispiel: Lochplatte mit verschiedenen Dekorbeschichtungen Fouriertransformation, Phasenbild Weniger abhängig vom Zustand der Oberfläche Seite 12 6
7 Pulsphasen-Thermographie (4) Beispiel: Lochplatte GFK Rohbild Inhomogene Erwärmung Seite 13 Pulsphasen-Thermographie (5) Beispiel: Lochplatte GFK Fouriertransformation, Phasenbild Weniger empfindlich bezüglich inhomogener Erwärmung Seite 14 7
8 Möglichkeiten zur thermischen Anregung (1) Schnelle Wärmequellen für die Impuls-Thermographie Blitzlampen Impulsdauer: 5 50 ms Generatorleistung: bis Ws Blitzleistung: bis 600 Ws Wiederholrate: 0,5 2 Hz Seite 15 Möglichkeiten zur thermischen Anregung (2) Linienförmige Wärmequellen für die Online-Thermographie Quarzglasstrahler Karbonstrahler Seite 16 8
9 Möglichkeiten zur thermischen Anregung (3) Weitere Anregungsmöglichkeiten Heiße oder kalte Medien (Wasser, Luft, Stickstoff,...) Ultraschall, Mikrowelle etc. Induktion von Wirbelströmen Seite 17 Praxisbeispiele (1) Direktkaschierung auf Spanplatten Seite 18 9
10 Praxisbeispiele (2) Delamination in einer Laminatbodenplatte Seite 19 Praxisbeispiele (3) Beispiel: Erkennung fehlender Dämpfungsmasse durchs Blech Seite 20 10
11 Praxisbeispiele (4) Beispiel: Erkennung von Haftungsfehlern in PU-Schaum Seite 21 Praxisbeispiele (5) Rotorblätter von Windenergieanlagen sind hoch belastete Komponenten. In der Fertigung und bei Reparaturen treten vielfach gravierende Qualitätsmängel auf. Schadensspektrum reicht von Ertragseinbußen bis zum Totalausfall der Anlage. Seite 22 11
12 Praxisbeispiele (6) Mögliche Fehler in Rotorblättern Fehlverklebungen zwischen Steg und Schale Lufteinschlüsse, Delaminationen, Risse Eindringen von Feuchtigkeit oder Hydrauliköl Bisherige Prüfverfahren: Sichtprüfung Abklopfen mit dem Hammer Seite 23 Praxisbeispiele (7) Vor-Ort-Messungen an Rotorblättern Seite 24 12
13 Praxisbeispiele (8) Fremdkörpererkennung in Lebensmitteln Seite 25 Praxisbeispiele (9) Anregung durch Leistungs- Ultraschall Risse in Keramikrohren Seite 26 13
14 Praxisbeispiele (10) Anregung durch heißen Dampf Seite 27 Praxisbeispiele (11) Anregung durch Wirbelströme Seite 28 14
15 Zusammenfassung Wärmefluss-Thermographie: Schnelle, berührungslose und prozessintegrierbare Methode zur Qualitätskontrolle und Fremdkörpererkennung. Leistungsfähigkeit hängt von Material und Defektgröße ab. Besonders gut geeignet für nichtmetallische Verbundwerkstoffe. Seite 29 15
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