DE69735744T2

DE69735744T2 - Zerstörungsfreies Prüfen: transiente, tiefenauflösende Thermographie

Info

Publication number: DE69735744T2
Application number: DE69735744T
Authority: DE
Inventors: Harry I. Bloomfield Ringermacher; William A. Hartford Veronesi; Raymond J. Jr. Wethersfield Archacki
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2017-10-31
Also published as: US5711603A; JPH10142179A; KR19980033317A; TW407200B; KR100464737B1; EP0840110B1; DE69735744D1; ES2262168T3; EP0840110A2; EP0840110A3

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft zerstörungsfreies Prüfen, und besonders betrifft sie zerstörungsfreies Prüfen eines Gegenstands, um die Tiefe und seitliche Position von Defekten unter der Oberfläche durch Verwenden transienter Thermographie zu bestimmen, und eine abbildende Technik zum Darstellen solcher Defekte.
Hintergrund der Erfindung
Die Existenz eines Defektes in einem Gegenstand kann durch unterschiedliche Techniken bestimmt werden, einschließlich transienter Thermographie, die auf der Wärmeübertragung durch einen Gegenstand während einer Zeitspanne basiert. Ein transientes thermographisches Verfahren weist die Aufnahme des Temperaturanstiegs jedes Auflösungselementes durch Erfassen einer Serie von Bildarrays, wobei während des Erwärmens der Oberfläche eine Infrarotkamera verwendet wird, und das Analysieren dieses Temperaturanstiegs auf, um festzustellen, wenn es zu einem Übergang zu einem linearen Temperaturanstieg relativ zu der Quadratwurzel der Erwärmungszeit kommt. Diese lineare Temperaturzunahme zeigt die Existenz eines Defektes in dem Gegenstand an. Diese Bestimmung ist ohnehin schwierig und wird bei komplexen Geometrien und ungleichmäßiger Erwärmung noch schwieriger.
Konventionelle transiente Thermographie weist das Analysieren einzelner Infrarotbilder, „Schnappschüsse", der zuvor erwärmten Oberfläche eines Gegenstands als Funktion der Zeit auf. Verdeckte Defekte werden durch „heiße Flecken" in dem Bild angezeigt, die infolge der Unfähigkeit der Wärme, sich durch den Defekt hindurch auszubreiten, eine größere Intensität infraroter Strah lung emittieren. Ein Problem dieses konventionellen Prozesses besteht darin, dass die transiente thermographische Analyse auf das Auswählen eines einzelnen zeitlichen Schnappschusses beschränkt ist. Die Auswahl, welcher Schnappschuss zu analysieren ist, ist kritisch, und die beste Auswahl beruht auf vielen Faktoren, die nicht kontrolliert werden können und Unbekannte sind, wie zum Beispiel die Tiefe und Größe des Defektes. Wenn der falsche Schnappschuss ausgewählt wird, könnten Defekte, die in einem vorausgehenden oder nachfolgenden Schnappschuss aufgedeckt worden wären, nicht detektiert werden.
Um die Verwendung eines Schnappschusses zu vermeiden, beobachtet ein Kontrolleur eine Videowiederholung der aufgenommenen Bilder und identifiziert visuell helle Bildpunkte, die Defekte anzeigen. Das Problem an diesem Ansatz ist, dass es nicht einfach automatisiert werden kann, höchst abhängig von einer Bedienungsperson ist, nicht einfach auf komplexe Geometrien oder ungleichmäßig erwärmte Oberflächen angewendet werden kann und, obwohl ein Defekt mit diesem Ansatz möglicherweise detektiert wird, die aktuelle Tiefe und seitliche Position (nachfolgend Lage) oder Größe des Defektes nicht genau bestimmt werden können.
An Experimental Investigation of Defect Sizing by Transient Thermography von A. R. Hamzah et al., Insight Vol. 38, No. 3 (März 1996) beschreibt einen transienten Thermographie-Prozess, der eine Infrarotkamera und einen InSb-Detektor verwendet. (Id., S. 167) Die Kamerabilder sind digitalisiert. Es werden graphische Darstellungen bereit gestellt, die die Größe des thermischen Kontrastes und die Abhängigkeit seiner Peak-Zeit von der Defektgröße veranschaulichen. (Id., S. 169) Hamzah et al. lehren, dass, obwohl die thermischen Bilder „gute quantitative Anzeigen der Form und Lage eines Defektes bereitstellen, sie nicht die wahre Größe des Defektes oder irgendeine Anzeige dessen Tiefe unterhalb der Oberfläche geben." (Id., S. 168, 2)
Ein Video-Thermograph ist in der GB 2,275,773 von Horne Subsea Ltd. beschrieben. Sie lehren eine wärmeempfindliche Kamera, die ein Bild von der Oberfläche eines zu untersuchenden Gegenstands aufnimmt; das Bild wird mittels eines Computers analysiert, um das Vorhandensein verdeckter Defekte zu berechnen, und es kann eine drei-dimensionale Darstellung erzeugt werden, die die Innenstruktur des Objektes repräsentiert. (Zusammenfassung).
Zusätzliche thermische Bilder sind in „Thermographic Nondestructive Evaluation of Industrial Materials and Structures", von P. Cielo et al., Materials Evaluation Vol. 45 (April 1987), Seiten 452-460, beschrieben. Dieser Artikel beschreibt die Detektion verdeckter Defekte, indem ein Werkstück einer thermischen Anregung der Oberfläche ausgesetzt wird und etwaige Störungen der Wärmeausbreitung in dem Material beobachtet werden. Id., S. 452, 1, veranschaulicht durch Stoß beschädigte 8-lagige-Graphit-Epoxyd-Platten.
U.S. Patent Nr. 5,376,793 von Lesniak beschreibt eine auf Zwangsausbreitung basierende thermisch abbildende Vorrichtung und ein thermisch abbildendes Verfahren. Lesniak bestimmt die Defekttiefe auf der Grundlage der Rate des Teststrahls (welche die Eindringtiefe der Wärme ändert). (Spalte 8, Zeile 48 – Spalte 9, Zeile 4) Das Verfahren und die Vorrichtung setzen unterschiedliche Frequenzen eines Beleuchtungsmusters ein, um das Material in unterschiedlicher Tiefe zu untersuchen. (Spalte 4, Zeilen 26–30)
Konventionell werden Defekte durch Ultraschall-Prüfen des Gegenstands lokalisiert. Im Wesentlichen wird der Gegenstand von Ultraschallwellen getroffen, die in die Oberfläche eindringen und von einem Defekt(en) in dem Gegenstand reflektiert werden. Auf der Grundlage der Zeit, die benötigt wird, eine reflektierte Welle zu empfangen, kann die Lage des Defektes bestimmt werden.
Ultraschall-Prüfen verwendet mechanisches Abtasten der gesamten Oberfläche mit einem Transducer, wobei ein sehr guter Schallkontakt benötigt wird. Um einen sehr guten Schallkontakt zu ermöglichen, muss eine Strömung aus flüssigem Kopplungsmittel oder ein vollständiges Eintauchen des Gegenstands verwendet werden; das ist jedoch oftmals aus Gründen des Materials inakzeptabel. Zusätzlich zu den Verfahrensproblemen ist diese Technik ineffizient zum Prüfen großer und/oder komplexer Gegenstände. Das mechanische Abtasten einiger Quadratmeter benötigt normalerweise Stunden. Außerdem sind Abtastsysteme für geometrisch komplexe Teile komplex und teuer.
Was im Stand der Technik benötigt wird, ist eine automatisierte, objektive, transienten-thermographische tiefenabbildende Technik, die bei komplexen Geometrien und ungleichmäßig erwärmten Oberflächen angewendet werden kann, um zuverlässig Defekte in einem Gegenstand zu lokalisieren und zu bemessen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine zerstörungsfreie Prüftechnik und Vorrichtung zum Lokalisieren von Defekten in einem Gegenstand gemäß Anspruch 1 beziehungsweise 7. Insbesondere weist die Vorrichtung ein Heizgerät zum Erwärmen der Oberfläche des Gegenstands; ein Aufnahmegerät zum Aufnehmen der Intensität jedes Pixels der erwärmten Oberfläche; ein Mittel zum Bestimmen der mittleren Pixel-Intensität; ein Mittel zum Bestimmen des Pixel-Kontrastes für jedes Pixel durch Subtrahieren der mittleren Pixel-Intensität von der Intensität des einzelnen Pixels; und ein Mittel zum Bestimmen der Tiefe eines Defektes in dem Gegenstand auf der Grundlage des Pixel-Kontrastes auf.
Insbesondere weist das Verfahren die Schritte auf: Erwärmen der Oberfläche des Gegenstands; Aufnehmen aufeinander folgender thermischer Bilder aufweisend jedes Auflösungselementes der Oberfläche während einer Zeitspanne; Bestimmen des Kontrastes jedes Auflösungselementes (Pixels) für jedes aufeinander folgende thermische Bild der Oberfläche durch Bestimmen der mittleren Pixel-Intensität für das thermische Bild und Subtrahieren der mittleren Pixel-In tensität von der Intensität des einzelnen Pixels; und Bestimmen der Tiefe eines Defektes in dem Gegenstand auf der Grundlage des Pixel-Kontrastes.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Akte dieser Anmeldung enthält drei farbig dargestellte Zeichnungen. Kopien dieser Anmeldung mit farbigen Zeichnungen werden durch das Patent- und Markenamt auf Anfrage und nach Zahlung der erforderlichen Gebühren bereitgestellt.
1 ist eine grafische Darstellung der Intensität (Temperatur) als Funktion der Zeit für ein einzelnes Pixel (a) im Vergleich zu der mittleren Pixel-Intensität (b).
2 ist eine grafische Darstellung des Pixel-Kontrastes als Funktion der Zeit für die Pixel aus 1, um den Kontrast-Peak zu zeigen.
3A ist eine Querschnittsansicht eines Gegenstands, die eine dünne Delaminierung zeigt, die ein Beispiel eines „Wärmedurchgangs-Defekt" ist, der einen durchgehenden Wärmefluss ermöglicht.
3B ist eine Querschnittsansicht eines Gegenstands, die eine dicke Delaminierung zeigt, die ein Beispiel eines „seitlichen Wärme-Defektes" ist, der hauptsächlich einen seitlichen Wärmefluss erfordert.
4 ist eine grafische Darstellung des Pixel-Kontrastes über der Zeit für einen einzelnen Pixel, bei dem es aufgrund des Typs des Defektes keinen Kontrast-Peak gibt; einen „seitlichen Wärme-Defekt".
5 ist eine grafische Darstellung der Ableitung des Pixel-Kontrastes über der Zeit für einen einzelnen Pixel, um den Ableitungs-Kontrast-Peak für den „seitlichen Wärme-Defekt" aus 4 zu zeigen.
6, 6A, 6B und 6C veranschaulichen den Probenkörper und seine relativen Dimensionen für die in den 7, 8 und 9 gezeigten Defekte.
7 ist ein Bildausdruck der Pixel-Intensität, unter Verwendung der thermographischen Technik der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Bildausdruck der Pixel-Intensität nach der vorliegenden Erfindung, unter Verwendung einer Abbildungs-Technik gemäß dem Stand der Technik verwendet wird.
9 ist ein Bildausdruck der die Temperatur repräsentierenden Pixel-Intensität gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei eine transiente Thermographie gemäß dem Stand der Technik verwendet wird.
Beste Art zum Ausführen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist ein automatisiertes, zerstörungsfreies Prüfverfahren, das eine transienten-thermographische Analysetechnik anwendet, um die Größe und Lage von Defekten in einem Gegenstand zu bestimmen. Dieses Verfahren, das vorzugsweise Zeit-Temperatur-Daten verwendet, um Defekte in einem Gegenstand durch Überwachen von Temperatur-Veränderungen der Oberfläche eines erwärmten Gegenstands über die Zeit objektiv zu detektieren, weist auf: Erwärmen der Gegenstand-Oberfläche und Überwachen der thermischen Zeitkonstanten jedes Pixels der Oberfläche des Gegenstands. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist ein Pixel ein rechteckiges Bildelement in einem Bildarray, während ein Auflösungselement ein rechteckiger Bereich der Oberfläche des Objektes ist, der einem einzelnen Pixel entspricht.
Die Vorrichtung, die verwendet wird, um die Gegenstand-Oberfläche zu erwärmen, sollte zum Erwärmen der Oberfläche bis zu einer ausreichenden Temperatur geeignet sein, um ein thermographisches Überwachen zu ermöglichen. Normalerweise erfordern dünne Gegenstände, z. B. mit einer Dicke von etwa 3,175 mm (0,125 Inch) oder weniger, nur ein minimales Erwärmen um, etwa 5°C oder weniger, bis hinab zu etwa 1°C. Jedoch können dicke Gegenstände ein signifikant stärkeres Erwärmen erfordern, z. B. um etwa 20°C für einen 12,7 mm (0,5 Inch) dicken Gegenstand. Die Oberflächen-Faktoren, einschließlich Farbe und Emissionsvermögen, sind ebenfalls wichtig zum Bestimmen des Ausmaßes für das Erwärmen des Gegenstands, während die physikalischen Eigenschaften die obere Erwärmungsgrenze bei einer Temperatur festlegen, die den Gegenstand und/oder die Oberfläche des Gegenstands nicht zerstört.
Um die Größe eines Defektes genau zu lokalisieren und zu bestimmen, sollte die Gegenstand-Oberfläche in einer ausreichend kurzen Zeitspanne bis zur Solltemperatur erwärmt werden, um ein Erwärmen des Restes des Gegenstands zu verhindern. Normalerweise geschieht das Erwärmen blitzschnell in einem Bruchteil einer Sekunde bei dünnen Materialien bis zu einigen Minuten bei dickeren und größeren Materialien. Wenn die Wärme den Gegenstand durchdringt, nimmt die Genauigkeit der Defekt-Detektion nahe der Gegenstand-Oberfläche ab.
Zum Beispiel kann eine 3,175 mm (0,125 Inch) dicke Graphit-Faser- und -Polymer-Verbundwerkstoff für einige Millisekunden mit einem 4 Megawatt Wärmepuls aus einem Blitzlicht erwärmt werden, während ein 12,7 mm (0,5 Inch) dicker Gegenstand für mehrere Sekunden oder sogar Minuten mit einem 2 Kilowatt Wärmepuls aus einer Quarzlampe erwärmt werden sollte. Andere mögliche Erwärmungsverfahren beinhalten die Verwendung von Mikrowellen, Lasern und anderen konventionellen Heizmitteln, die für eine Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeits-Erwärmung geeignet sind.
Wenn die Oberfläche des Gegenstands erst einmal erwärmt ist, nimmt eine Infrarot-Videokamera aufeinander folgende Wärmebilder oder thermische Bilder der Oberfläche des Gegenstands auf und speichert sie, wobei sie jedes Pixel von ihr aufnimmt. Die Anzahl an aufgenommenen Bildern hängt von der gewünschten Auflösung der resultierenden thermischen Bilder, der Geschwindigkeit der Kamera und der Zeitkonstanten des speziellen Gegenstands ab (siehe unten). Es können etwa 10 Bilder verwendet werden, um ein thermisches Bild zu erzeugen, während etwa 25 Bilder normalerweise eine adäquate Auflösung liefern und etwa 100 Bilder eine gute Auflösung des thermischen Bildes erzeugen. Generell kann man mit dem gegenwärtigen Stand der Video-Technik bis zu etwa 500 Bilder erhalten, wobei mehr als etwa 25 bevorzugt sind.
Wenn sich das Heizgerät und die Video-Kamera auf derselben Seite des Gegenstands befinden, erhält man die Zeitkonstante, τ_c, die verwendet wird, um die Zeitspanne zum Aufnehmen der thermischen Bilder festzulegen, aus Gleichung 1, in der die Tiefe die Dicke des Gegenstands ist.

τ_c: = „charakteristische" Zeitkonstante
κ: = Temperaturdiffusionsfähigkeit für den Gegenstand
l: = Tiefe

Wenn sich die Kamera und das Heizgerät auf gegenüberliegenden Seiten des Gegenstands befinden, lässt man den Faktor 4 in der Gleichung 1 weg. Da das thermische Gleichgewicht in dem Gegenstand nach ungefähr 5 charakteris tischen Zeitkonstanten erreicht wird, entspricht die Zeitspanne, die verwendet wird, um die thermischen Bilder aufzunehmen, normalerweise etwa 3 bis etwa 5 Zeitkonstanten, τ_c, oder mehr.
Das Videogerät ist vorzugsweise eine Focal-Plane-Array Hochgeschwindigkeits-Kamera oder ein ähnliches Gerät mit einer Bildfrequenz von wenigstens etwa 60 Bildern pro Sekunde bis zu etwa 250 Bilder pro Sekunde oder mehr und einer Kamera-Temperaturempfindlichkeit von mindestens etwa 0,01°C bis etwa 0,02°C. Die minimale akzeptable Auflösung hängt von der gewünschten Auflösung des endgültigen Bildausdruckes ab, wobei eine Auflösung von 128 × 128 oder mehr Pixeln normalerweise bevorzugt ist.
Die gespeicherten thermischen Bilder werden verwendet, um den Kontrast jedes Pixels durch Subtrahieren der mittleren Pixel-Intensität für das Bild (zu einem Zeitpunkt) (b) von der Intensität des einzelnen Pixels (a) zu dem Zeitpunkt zu bestimmen. Der Kontrast wird dann über der Zeit für jedes Pixel grafisch dargestellt. (siehe 2) Der Kontrast über der Defektstelle erreicht seinen Höchstwert zu einer Zeit, die der Bildnummer entspricht, bei der das Bild von der Videokamera aufgenommen wurde. Wenn die Zeit bekannt ist, zu der ein Peak auftritt, kann die Tiefe des Defektes bestimmt werden; eine Tiefen-Approximation wird durch Gleichung 2 geliefert:

l: = Tiefe
τ_peak: = Peak-Zeit
κ: = die „Temperaturdiffusionsfähigkeit" des Mediums, gemessen in cgs-Einheiten von cm²/s.

Gleichung 2 ist besonders nützlich, wo die Dicke des Defektes die Wärme nicht zwingt, um den Defekt herum zu strömen, ein „Durchgangs-Wärme-" Defekt (siehe 3A, ein „Durchgangs-Wärme-" Defekt gegen 3B, ein „seitlicher Wärme-" Defekt).
Wo jedoch die Geschwindigkeit oder Rate der Wärmeausbreitung um den Defekt herum größer als durch den Defekt hindurch ist (3B), ist der Kontrast-Peak aus der grafischen Darstellung des Pixel-Kontrastes nicht klar ersichtlich (4). Folglich wird die zeitliche Ableitung der Kontrast-Kurve genommen, um den Ableitungs-Kontrast-Peak zu bestimmen. Die Tiefe des „seitlichen Wärme-" Defektes kann durch Verwenden folgender Gleichung 3 aus der Peak-Zeit bestimmt werden:
wo τc = 1,10 τi (4)

l: = Tiefe
τ_c: = „charakteristische" Zeitkonstante
τ_i: = die Zeit der Ableitungs-Peak-Krümmung
κ: = die „Temperaturdiffusionsfähigkeit" des Mediums, gemessen in cgs-Einheiten von cm²/s.

Beispiel
Die Genauigkeit der vorliegenden Erfindung wurde durch Verwenden eines Gegenstandes mit einer Reihe sorgfältig angeordneter flacher Defekte festge stellt. Es wird auf 6, 6A, 6B und 6C Bezug genommen. Die Defekte 1, 2, 3, 4 und 5 hatten denselben Durchmesser, 22 Millimeter (mm), mit unterschiedlichen Tiefen, 1,3 mm, 1,6 mm, 1,9 mm, 2,2 mm beziehungsweise 2,5 mm. Die Defekte 6, 7, 8, 9, 10 und 11 hatten dieselbe Tiefe, 1,3 mm, mit unterschiedlichen Durchmessern, 22 mm, 16,5 mm, 11 mm, 8,25 mm, 5,5 mm beziehungsweise 2,75 mm. Die Defekte 12, 13 und 14 hatten denselben Durchmesser, 33 mm, mit unterschiedlichen Tiefen, 1,3 mm, 1,9 mm beziehungsweise 2,5 mm.
Die Prüf-Parameter waren wie folgt: (1) jeder Bildrahmen bestand aus N × N Pixeln (das einem Auflösungselement auf der Gegenstand-Oberfläche entspricht), mit N gleich 256; (2) die Anzahl an Bildrahmen, Z, die normalerweise von 1 bis 400 für N = 128 und von 1 bis 200 für N = 256 reicht, betrug 100; (3) jedes Pixel nahm 2 Byte an Speicher in Anspruch und wurde von einer 12-Bit-Zahl von 0 bis 4095 repräsentiert, welche die thermische Strahlungs-Intensität repräsentiert.
Der Gegenstand wurde um etwa 5°C mit einem 4 Megawatt-Wärmepuls aus einer Blitzlampe für 0,010 Sekunden erwärmt. Sobald er erwärmt war, wurde die Intensität jedes Auflösungselementes durch Verwenden einer Focal-Plane-Array Hochgeschwindigkeits-Kamera mit einer 256 × 256 Pixel Auflösung aufgenommen, die für etwa 25 Sekunden betrieben und bei der jedes Pixel von 12 Bits repräsentiert wurde. Benutzer-Parameter wurden bestimmt und an das System übergeben, einschließlich: Start-Rahmennummer, zu verwenden für die Analyse (ein Rahmen, der aufgenommen wurde, bevor die Oberfläche erwärmt worden ist, wird weggelassen); Rauschkonstante; Geräuschunterdrückung (scheidet Pixel-Positionen aus, deren Absolutwert des Peaks abzüglich des Start- oder Endwertes der Kontrast-Kurve kleiner als diese Konstante ist); Blickfeld (Entfernung von der Infrarot-Kamera bis zum Gegenstand; ermöglicht eine Skalierung und damit genaue Größenbestimmung). Der Kontrast jedes Pixels wurde mit Bezug auf die mittlere Pixel-Intensität für das vollständige Bild bestimmt, wobei der Unterschied zwischen dem Pixel und der Pixel-Mitte mal einem festen Kontrast-Verstärkungsfaktor verwendet wurde. Diese Operation wurde für jedes Pixel auf je dem Bildrahmen durchgeführt, wodurch ein Satz von Kontrast-Kurven erzeugt wurde. Die Ableitung jeder Kontrast-Kurve wurde dann mittels eines 6-Punkt Differenzen-Verfahrens bestimmt. Die Information über den Ableitungs-Kontrast-Peak wurde durch Speichern der Bildrahmen-Nummer gespeichert, die den Peak für jede Ableitungs-Kontrast-Kurve erzeugte, oder durch Unterdrücken dieser Information für Pixel-Positionen, die einen geringen Kontrast oder Rauschen zeigten. Die Bildrahmen-Position, bei welcher der abgeleitete Kontrast-Peak auftrat, wurde dann verwendet, um die Tiefe der Defekte zu bestimmen, die visuell gezeigt wurde, wobei ein Intensitäts-Farbspektrum verwendet wurde, wie es in 7 gezeigt ist. Man beachte, dass die in den 7, 8 und 9 gezeigte Nummerierung der Defekte mit den in 6 festgelegten Bezugsziffern übereinstimmt, welche die in 7, 8 und 9 detektierten Defekte zeigen.
Der Bildausdruck der Defekte wurde durch Zuordnen der gespeicherten Peak-Rahmennummern für jedes Pixel zu einer der Farben in der 16-Farben Farbskala erstellt, die auf der rechten Seite der 7, 8 und 9 gezeigt ist. Dies wurde gemacht, indem die Gesamtzahl an Farben (16) durch die Gesamtzahl an Rahmen (100) geteilt und dies anschließend mit der Pixel-Rahmennummer für den gegebenen Pixel multipliziert wurde. Diese Zahl wurde dann auf eine ganzzahlige Vergleichszahl in der Farbskala gerundet, die eine der 16 möglichen Farben zur Darstellung dieses Pixels auswählt. Dieser Prozess wurde dann für alle Pixel-Positionen in dem Bild wiederholt. Das Bild wurde ferner durch Verwenden von 4 Intensitäts-Stufen für jede Farbe verbessert, gezeigt in den 7, 8 und 9, wenn man auf der Farbskala von links nach rechts geht. Die größten Peaks entsprechen der höchsten Intensität (Stufe 1) einer gegebenen Farbe, und die kleinsten Peaks entsprechen der geringsten Intensität (Stufe 4) einer gegebenen Farbe. (siehe 7, 8 und 9).
Im Gegensatz dazu ist 8 ein Bildausdruck von der vorliegenden Erfindung, der eine abbildende Technik gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht, die auf einem Schnappschuss des Intensitäts-Profils beruht. Wie aus 8 klar wird, wurde der „Schnappschuss" zu einem guten Zeitpunkt aufgenommen, da alle Defekte erfasst wurde. Dennoch scheint die Mehrzahl der Defekte in derselben Tiefe angeordnet zu sein. Folglich kann man nicht die tatsächliche Tiefe sämtlicher Defekte bestimmen. Außerdem ist Defekt 11 nur knapp sichtbar und schwer als Defekt zu identifizieren.
9, die auch ein Bildausdruck ist, der transiente Thermographie gemäß dem Stand der Technik verwendet, stellt ähnlich verwirrende Information bereit. In dieser Figur erscheinen die Kanten der Defekte flacher als die Mitte der Defekte. Folglich erscheinen sie konkav, obwohl die Defekte flach sind. Wieder kann die Tiefe der Defekte nicht genau bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt zahlreiche Vorteile gegenüber zerstörungsfreien Prüfens gemäß dem Stand der Technik bereit, einschließlich: praktisch das Entfernen menschlichen Versagens, das Bereitstellen der Fähigkeit, einen Defekt zu lokalisieren, und das Vereinfachen des Bildes. Das konventionelle Verfahren des Standes der Technik basierte darauf, dass eine Bedienungsperson mehrere Bilder betrachtete, oder basierte lediglich auf einem einzelnen „Schnappschuss" der Oberfläche, d. h. mit menschlichem Versagen, und detektierte lediglich die Existenz eines Defektes. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die genaue Bestimmung der Defekt-Tiefe und -Größe, wohingegen der Stand der Technik die Tiefe nicht genau auflösen konnte.

Claims

Verfahren zum Detektieren eines Defektes (1-14) in einem Gegenstand mit einer Oberfläche, wobei die Oberfläche in ein Array aus Auflösungselementen aufgeteilt ist, aufweisend die folgenden Schritte: a. Erwärmen der Oberfläche des Gegenstands; b. Aufnehmen einer Mehrzahl von Wärmebildern der Auflösungselemente auf der erwärmten Oberfläche während einer Zeitspanne, wobei jedes aufgenommene Auflösungselement einem Pixel entspricht; c. Bestimmen einzelner Pixel-Intensitäten für jedes Pixel in jedem Wärmebild; d. Bestimmen der mittleren Pixel-Intensität für jedes Wärmebild; e. Erhalten des Pixel-Kontrastes für jedes Pixel in jedem Wärmebild durch Subtrahieren der mittleren Pixel-Intensität von der Intensität des einzelnen Pixels; und f. Bestimmen der Tiefe eines Defektes in dem Gegenstand auf der Grundlage des Pixel-Kontrastes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Tiefe des Defektes bestimmt wird unter Verwenden eines Pixel-Kontrasts und Erhalten eines Kontrast-Peaks und somit die Tiefe des Defektes durch Verwenden der folgenden Formel bestimmt wird:
wobei τ_peak die Peak-Zeit, l die Tiefe des Defektes und κ die Temperaturdiffusionsfähigkeit des Gegenstands ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Tiefe des Defektes durch Berechnen der zeitlichen Ableitung eines Pixel-Kontrastes und Erhalten eines Kontrast-Ableitungs-Peaks bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei, wenn das Erwärmen und Aufnehmen auf derselben Seite des Gegenstands erfolgt, die Tiefe des Defektes durch Verwenden der folgenden Formel bestimmt wird:
wobei τ_c eine charakteristische Zeitkonstante für die Zeit-Temperatur-Daten des jeweiligen Auflösungselementes, l die Tiefe des Defektes und κ die Temperaturdiffusionsfähigkeit des Gegenstands ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei, wenn das Erwärmen und Aufnehmen auf entgegengesetzten Seiten des Gegenstands erfolgt, die Tiefe des Defektes durch Verwenden der folgenden Formel bestimmt wird:
wobei τ_c eine charakteristische Zeitkonstante für die Zeit-Temperatur-Daten des jeweiligen Auflösungselementes, l die Tiefe des Defektes und κ die Temperaturdiffusionsfähigkeit des Gegenstands ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend das Erzeugen eines Bildausdruckes des Gegenstands, der ein Farbspektrum verwendet, um die Tiefe und seitliche Position des Defektes darzustellen.
Vorrichtung zum Detektieren eines Defektes (1-14) in einem Gegenstand mit einer Oberfläche, die als ein Array von Pixeln visualisiert werden kann, aufweisend: a. ein Heizgerät zum Erwärmen der Oberfläche des Gegenstands; b. ein Aufnahmegerät zum Aufnehmen einzelner Pixel-Intensitäten für jedes Pixel; c. ein Mittel zum Bestimmen der mittleren Pixel-Intensität; d. ein Mittel zum Bestimmen des Pixel-Kontrastes für jedes Pixel durch Subtrahieren der mittleren Pixel-Intensität von der Intensität des einzelnen Pixels; und e. ein Mittel zum Bestimmen der Tiefe eines Defektes in dem Gegenstand auf der Grundlage des Pixel-Kontrastes.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Heizgerät eine Blitzlampe, eine Quarzlampe, ein Mikrowellengerät oder ein Laser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Mittel zum Bestimmen der Tiefe des Defektes angepasst ist zum Verwenden des Pixel-Kontrastes, Erhalten eines Kontrast-Peaks und Bestimmen der Tiefe durch Verwenden folgender Formel:
wobei τ_peak die Peak-Zeit, l die Tiefe des Defektes und κ die Temperaturdiffusionsfähigkeit des Gegenstands ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Mittel zum Bestimmen der Tiefe des Defektes angepasst ist, die zeitliche Ableitung des Pixel-Kontrastes zu berechnen und einen Kontrast-Ableitungs-Peak zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Heizgerät und das Aufnahmegerät auf derselben Seite des Gegenstands angeordnet sind, und wobei das Mittel zum Bestimmen der Tiefe des Defektes die folgende Formel verwendet:
wobei τ_c eine charakteristische Zeitkonstante für die Zeit-Temperatur-Daten des jeweiligen Auflösungselementes, l die Tiefe des Defektes und κ die Temperaturdiffusionsfähigkeit des Gegenstands ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Heizgerät und das Aufnahmegerät auf entgegengesetzten Seiten des Gegenstands angeordnet sind, und wobei das Mittel zum Bestimmen der Tiefe des Defektes die folgende Formel verwendet:
wobei τ_c eine charakteristische Zeitkonstante für die Zeit-Temperatur-Daten des jeweiligen Auflösungselementes, l die Tiefe des Defektes und κ die Temperaturdiffusionsfähigkeit des Gegenstands ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, ferner aufweisend ein Mittel zum Bilden eines Bild-Ausdruckes, der angepasst ist, die Tiefe und seitliche Position des Defektes darzustellen, wobei ein Farbspektrum verwendet wird.