RAKK 2019: ZERSTÖRUNGSFREIE MATERIALPRÜFUNG MIT AKTIVER THERMOGRAFIE

Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, Sachverständiger, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (Termograph Level3) (PIM Kft.)

ZUSAMMENFASSUNG Thermografie ist eines der universellsten und weit verbreitetsten Prüfverfahren. Innerhalb dessen begegnen wir zunehmend der aktiven Thermografie, die auch zerstörungsfreie Materialprüfungen ermöglicht. Bei der aktiven Thermografie wird gezielt Energie auf das Objekt übertragen, um das Messergebnis zu erzielen. Die Möglichkeiten liegen in der mathematischen Auswertung der Messungen durch erhöhte thermische Auflösung und Unabhängigkeit vom Emissionsfaktor. 1. EINLEITUNG Thermografie ist heute eines der vielseitigsten und weit verbreitetsten Prüfverfahren - nicht nur in der Industrie, sondern auch in Forschung und Entwicklung. Die meisten Anwendungen gehören zur passiven Thermografie. Immer häufiger begegnen wir auch der aktiven Thermografie, die die zerstörungsfreie Materialprüfung ermöglicht. Zur aktiven Thermografie gehören Thermografie-Messungen/Verfahren, bei denen gezielt Energie auf das zu messende Objekt übertragen wird. Dabei ist es unerheblich, auf welche Weise diese Energieübertragung erfolgt, sei es durch elektromagnetische Wellen (Licht oder Wärmestrahlung) oder Konvektion, oder sogar mechanisch (z. B. Ultraschall). Die Möglichkeiten der aktiven Thermografie liegen in der mathematischen Verarbeitung der Messergebnisse. Durch den Einsatz von Mathematik können einerseits Temperaturunterschiede um eine Größenordnung nachgewiesen werden, die die Fähigkeiten der verwendeten Wärmebildkamera (NETD-Wert) nicht ermöglichen würden. Andererseits ist das Ergebnis jeder (im Vortrag vorgestellten) mathematischen Auswertung unabhängig vom Emissionsfaktor der Oberfläche des Objekts. Dies bietet insbesondere bei gleichzeitiger Anwesenheit von Oberflächen mit unterschiedlichen Emissionsfaktoren unschätzbare Vorteile. 2. AKTIVE THERMOGRAFIE-VERFAHREN2.1. Durchstrahlungsmethode (transmissive Wärme) Bei dünnen, gut wärmeleitenden Materialien können gute Ergebnisse mit dieser Methode erzielt werden. Da die Energiezufuhr von der Rückseite des Objekts erfolgt und wir auf der Vorderseite, der Beobachtungsseite, die durch die Energiezufuhr verursachten Temperaturen und Temperaturänderungen registrieren, führen Inhomogenitäten im Material zu unterschiedlichen Temperaturen auf der Beobachtungsseite. Es wird nicht nur ein Unterschied in den Temperaturspitzen erwartet, sondern auch hinsichtlich des Zeitpunkts des Auftretens der Temperaturreaktion.

2.2. Auflichtverfahren (Wärmeableitung) Bei diesen Verfahren erfolgt die Energiezufuhr von der Beobachtungsseite. Es wird daher empfohlen, diese anzuwenden, wenn oberflächennahe Fehler in schwach wärmeleitenden oder besonders dicken Materialien entdeckt werden sollen. Je nach Verfahren erfassen wir entweder die oberflächlichen Temperaturen und Temperaturänderungen aufgrund der Energiezufuhr anhand der emittierten Strahlung oder legen den Schwerpunkt auf die Erfassung reflektierter Strahlung auf der Oberfläche.

2.3. Messung der "inneren anregungsbedingten" Wärme Da die Energie in das Innere des Objekts eingebracht wird, kann die Messanordnung je nach Art der Energiequelle, die die erforderliche Wärme erzeugt, am ehesten mit der Messanordnung der Durchstrahlungsmethode verglichen werden. Die Anregung kann jede Art von elektrischem oder mechanischem Prozess sein, der in der Lage ist, im Inneren des Objekts Wärme zu erzeugen. Abhängig von den physikalischen Eigenschaften des Fehlers kann die auf der benachbarten Oberfläche messbare Temperatur entweder niedriger oder höher sein.

3. ENERGIEZUFUHRMÖGLICHKEITEN Um die für die aktive Thermografie erforderlichen Temperaturänderungen zu erzeugen, muss zum richtigen Zeitpunkt eine angemessene, aber nicht zu hohe Energiemenge dem zu prüfenden Objekt zugeführt werden. Je nach den Eigenschaften des zu messenden Objekts und der erforderlichen Energiemenge werden dafür verschiedene Geräte verwendet. Die Energiezufuhr kann externe oder interne Anregung bedeuten. Die externe Anregung kann Bestrahlung (Wärme oder Licht) oder Konvektion sein, während die interne direkte elektrische, induktive oder mechanische Anregung sein kann. Die primäre Überlegung bei der Auswahl der am besten geeigneten Energiequelle ist, dass mit möglichst geringer, aber gezielter Energiezufuhr der Energiestand erreicht wird, der die erforderlichen Temperaturänderungen für die aktive Thermografiebeobachtung bewirkt.

4. DIE THEORIE DER AKTIVEN THERMOGRAPHIE Lassen Sie uns mit der Frage beginnen, was die aktive Thermografie von der passiven Thermografie unterscheidet. Die passive Thermografie basiert in vielen Fällen auf stationären, statischen oder quasi-stationären thermischen Zuständen, wie wir es zum Beispiel bei der Untersuchung der Wärmedämmung von Gebäuden sehen. Bei den Messungen nutzen wir die eigene Temperatur, Wärmeerzeugung oder Wärmekapazität des Objekts. Beim Beobachten der Prozesse können wir jedoch leicht feststellen, dass viele thermische Prozesse eher als dynamisch bezeichnet werden können. Im Vergleich zu mechanischen oder elektrischen Phänomenen ist ihre Zeitkonstante höchstens sehr lang. Wie lang genau? Zum Beispiel ist die Erdschicht einer guten Weinkellerei so dick, dass die Sommerwärme genau im kalten Winter bis zum Gewölbe gelangt. Da eine vollständige Diskussion des theoretischen Hintergrunds in einem zwanzigminütigen Vortrag unmöglich ist, werden wir uns im Folgenden nur mit den beiden häufigsten Anregungsarten und ihrer mathematischen Auswertung befassen. 4.1. Anregung mit Temperatur-Sinuswelle Bei einer sinusförmigen Temperaturänderungsanregung des Objekts liefert die Wärmeleitungs­gleichung eine extrem stark gedämpfte, sich längs der Entfernung ausbreitende, zeitlich veränderliche Temperaturwelle. Die Ausbreitungsgleichung der Temperaturwelle bei sinusförmiger Anregung lautet: Formel (1) Legende: ϑ ... Temperatur (zeit- und ortsabhängig) [°C] c ... spezifische Wärmekapazität [J/kg ·K] ρ ... Dichte [kg/m3] λ ... Wärmeleitfähigkeit [W/m ·K] s ... Tiefe der Temperaturwelle [m] ω ... Kreisfrequenz der Energiezufuhr

Unter der Annahme einer sinusförmigen Anregung ergibt sich die Formel für die thermische Eindringtiefe (µ) wie folgt: Formel (2) Da die Dämpfung in der Gleichung (1) (zweiter Faktor) weit größer ist als der Faktor, der auf die Wellenform hinweist, breitet sich die Temperaturwelle im Raum und in der Zeit aus / verschwindet. Mathematisch ausgedrückt: das Phänomen ist aperiodisch. Basierend auf dem Vorherigen kann die durch Temperaturanregung noch signifikant beeinflussbare maximale Tiefe interpretiert werden. In einer Materialtiefe von einer Einheit µ (Eindringtiefe) entsteht nur ein Drittel der Anregungstemperatur (genau: 37%). Wenn wir den 10%-Wert der Oberflächentemperatur als Schwellenwert nehmen, erhalten wir den praktischen "Grenzwert" der thermischen Eindringtiefe (µ10%): Formel (3) 4.2. Anregung mit Temperaturimpuls Wenn anstelle der sinusförmigen Temperaturschwankungsanregung eine Anregung in Form eines Temperaturimpulses gewählt wird, ändert sich das mathematische Modell der Temperaturwelle für die Sinusanregung wie folgt:

Formel (4) Legende: ϑ ... Temperatur (zeit- und ortsabhängig) [°C] Θ ... zugeführte Energiemenge [J] b ... Wärmeabsorptionsmaterialkennwert [W√s/(m2 ·K)] α ... Temperaturausbreitungsfaktor [m2/s] s ... Tiefe der Temperaturwelle [m] t ... seit dem Impuls vergangene Zeit [s] Da auch in diesem Fall die Dämpfung weit über dem Wert der Temperaturwelle liegt, kann wie bei der Sinusanregung die maximale Eindringtiefe abgeschätzt werden. Mit dem angenommenen 10%-Wert der Oberflächentemperatur erhalten wir die folgende Schätzung: Formel (5) Die folgende Abbildung erläutert die Eindringung.

Wie aus den vorherigen Abbildungen ersichtlich ist, entsteht der Temperaturspitzenwert in einer bestimmten Tiefe erst nach einer (vom Material abhängigen) Zeit. Der Zeitpunkt kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden: Formel (6) Legende: α ... Temperaturausbreitungsfaktor [m2/s] s ... Tiefe der Temperaturwelle [m] t ... seit dem Impuls vergangene Zeit [s]