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Modernste Thermografieverfahren - Impuls- und Lock-in-Thermografie

Im folgenden Artikel werden die Grundzüge der Impulsthermografie und der Thermowellen beschrieben. Dabei werden die beiden Variationen der dynamisch arbeitenden Thermografie vergleichbar erklärt und hinsichtlich ihrer Stärken und Anwendungsgebiete therapiert. Eine Besonderheit der Thermografie ist die gezielte Nutzung zeitvariabler Wärmeflüsse, um etwas über die zu findenden Gütemerkmale herauszufinden[1].

Anders als bei der ortsfesten Thermografie, bei der vor allem Messgrößen wie die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmewiderstände das Gesamtsystem charakterisieren, ist die maßgebliche Messgröße für die Fortpflanzung von Wärmeimpulsen oder Hitzewellen die Wärmediffusionsfähigkeit oder die Temperaturdiffusion. Bei einer gepulsten (deltaförmigen) Heizquelle auf der Fläche eines optoundurchlässigen Halbendgehäuses kann die Auflösung der Differenzialgleichung vergleichsweise klein gewählt werden.

Charakteristisch ist, dass an der Fläche bei der z=0 die Wärme prozentual auf 1/t0,5 absinkt. In der Darstellung der Funktionsweise T(z,t) wird gezeigt, wie der Wärmeimpuls unter der charakteristischen diffusen "Auflösung" in die Tiefen des Prüflings eindringt und jederzeit an der Oberflächlichkeit am Maximum verbleibt (Abb. 2). Ein weiterer wichtiger Materialparameter der thermographischen Dynamik ist neben der Temperaturleitfähigkeit die Effektivität oder der Wärmeeintrittskoeffizient.

Eine oder mehrere Blitzleuchten leiten durch intensive Lichtimpulse Hitze in die Prüflingsoberfläche ein. Die von der Fläche abgegebene Wärmestrahlung wird von einer Wärmebildkamera erfasst. Unverzichtbar für ein aktives Thermografiesystem sind ein Steuergerät für den Zeitraffer, die Synchronisierung von Flash- und Bilderfassung sowie die Aufnahme und Auswertung des Zeitraffers.

Aufgrund der erhöhten Temperaturdiffusionsfähigkeit von Nickellegierungen beträgt die Temperaturdiffusionszeit in der Regel wenige wenige Millisekunden. In der Regel ist die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Schichten gleich. Hinsichtlich der eingeleiteten Leistungsdichte und ihrer Spektralverteilung ist dieser Puls sowohl für kurze Oberflächenfehler als auch für tiefere Defekte einsetzbar. Dies können in der optoelektronisch erregten Thermografie strom-modulierte Halogenscheinwerfer (bei tiefen Frequenzen bis zu einigen Hz), chopper-modulierte Leuchtmittel (Hz bis kHz) bei tieferen Frequenzen und intensiv-modulierte LASER-Strahlquellen bei hoechsten Frequenzen sein.

Die übrigen Versuchsaufbauten unterscheiden sich nicht signifikant von denen der Impulsthermografie, obwohl die Signalleistung dies tut. In der Ausbreitungs- und Dämpfungsphase dieser "Welle" ist die Wärmediffusionslänge charakteristisch. Erst ab einer Tiefenwirkung von bis zu ein oder zwei Wärmediffusionslängen sind Fehler-Kontraste zu erwarten. Im Bereich der thermodynamischen Thermografie kommen unterschiedliche Störeinflüsse vor.

Örtliche Veränderungen der Lichtabsorption und der Emissionsgrad ändern sich lokal im Prüfling.

Im Falle schneller thermischer Prozesse tritt das Nutzensignal bereits während des Lampenpulses auf, und es können dann zeitschaltbare Lampenpulse genutzt werden (Pulsdauer bis in den Mikrosekundenbereich). In der Impulsthermografie folgt bei Bedarf ein Normalisierungsschritt, bei dem die Störaussendungsgrößen auch vom Nutzensignal getrennt werden können. Zusätzlich zu den bereits genannten Aspekten bietet die Impulsthermografie bei der Trennung der Heiz- und Beobachtungsphasen wesentliche Vorzüge.

Die kurzfristige Temperaturbelastung der Prüflingsoberfläche kann jedoch hoch sein. Die Impuls- und Lock-in-Thermografie sind zwei von vielen vorstellbaren temporären Erregungsvarianten, die je nach Anwendungsfall ihre Vor- und Nachteile haben. Die Impulsthermografie ermöglicht in vielen FÃ?llen bereits eine schnelle, qualitative Fehlererkennung ohne weitere Verarbeitung der Messdaten. Die Lock-In Thermografie bringt für schwer gestörte Inspektionsaufgaben entscheidende Vorzüge, sei es aufgrund von Ungleichmäßigkeiten in den visuellen Merkmalen des Prüflings oder aufgrund von hohem Detektorgeräusch.

Modernste Thermographie-Methoden - Impuls- und Lock-in-Thermografie.

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