DIN 54192-2010 Non-destructive testing - Active thermography《无损检测 活跃温度记录法》.pdf

1、November 2010DEUTSCHE NORM Normenausschuss Materialprfung (NMP) im DINPreisgruppe 9DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e.V., Berlin, gestattet.ICS 19.100!$jH“1719137www.din.deDDIN 54192Zerst

2、rungsfreie Prfung Aktive ThermografieNon-destructive testing Active thermographyEssais non destructifs Thermographie activeAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 13 SeitenB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8FD9NormCD - Stand 2010-11 DIN 54192:2

3、010-11 Inhalt Seite Vorwort 3 1 Anwendungsbereich .4 2 Normative Verweisungen4 3 Begriffe .4 4 Techniken der aktiven Thermografie.6 4.1 Allgemeines6 4.2 Zeitliche Anregungsarten .6 4.2.1 Aktive Thermografie mit Impulsanregung 6 4.2.2 Aktive Thermografie mit Stufenanregung.7 4.2.3 Aktive Thermografie

4、 mit periodischer Anregung (Lock-In Thermografie) 7 4.2.4 Aktive Thermografie mit Relativbewegung zwischen zeitlich konstanter Energiequelle und Prfobjekt7 4.3 Rumliche Anregungsarten7 4.3.1 Flchige Anregung 7 4.3.2 Punktfrmige Anregung7 4.3.3 Anregung des gesamten Volumens.7 4.4 Typische Varianten

5、der aktiven Thermografie7 4.4.1 Reflexionskonfiguration7 4.4.2 Transmissionsanordnung.8 5 Auswertetechniken8 5.1 Allgemeines8 5.2 Auswertetechnik im Zeitbereich.8 5.3 Auswertetechnik im Frequenzbereich.9 6 Personalqualifikation 10 7 Anforderungen an das Prfsystem10 8 Durchfhrung der Prfung .10 9 Beu

6、rteilung von thermischen Aufflligkeiten .11 9.1 Allgemeine Vorgehensweise 11 9.2 Beurteilung der Prfergebnisse.11 10 Prfbericht11 Anhang A (informativ) Anregungstechniken der Thermografie .12 Literaturhinweise 13 2 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8FD9NormCD - Stand 2010-11 DIN 54192:2010-1

7、1 Vorwort Dieses Dokument wurde vom Arbeitsausschuss NA 062-08-27 AA Visuelle und thermografische Prfung“ im Normenausschuss Materialprfung (NMP) erarbeitet. 3 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8FD9NormCD - Stand 2010-11 DIN 54192:2010-11 1 Anwendungsbereich Dieses Dokument legt die Durchfhr

8、ung der aktiven Thermografie zum Zweck der Zustandsanalyse fest. Diese Prfungen dienen dem Nachweis von Fehlern und anderen Unregelmigkeiten, der Bestimmung von Geometrien/Formen parallel zur Messoberflche, der Bestimmung von Schichtdicken und dem Vergleich thermischer Materialeigenschaften. Die akt

9、ive Thermografie wird dazu unter Verwendung unterschiedlicher Anregungsquellen eingesetzt. Anwendungsgebiete der aktiven Thermografie sind in der industriellen Fertigung (Verbundwerkstoffe, Fahrzeug-, Triebwerks- und Kraftwerkskomponenten, Fgetechnik, elektronische Bauelemente etc.) und in der Insta

10、ndhaltung (Luft- und Raumfahrt, Kraftwerksanlagen, Bauwesen etc.) zu finden. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzt

11、e Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN 54190-1, Zerstrungsfreie Prfung Thermografische Prfung Teil 1: Allgemeine Grundlagen DIN 54190-2, Zerstrungsfreie Prfung Thermografische Prfung Teil 2: Gerte DIN 54190-3, Zerstrungsfreie Prfung Thermografische Prfung Te

12、il 3: Begriffe DIN EN 15042-2, Schichtdickenmessung und Charakterisierung von Oberflchen mittels Oberflchen-wellen Teil 2: Leitfaden zur photothermischen Schichtdickenmessung 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die Begriffe nach DIN 54190-3, DIN EN 15042-2 und die folgenden Begriffe.

13、 3.1 Impulsthermografie Pulsthermografie aktive Thermografie, bei der die Energie durch einen impulsartigen Vorgang der Dauer t eingebracht wird 3.2 Lock-In Thermografie Modulationsthermografie aktive Thermografie, bei der die Energie durch einen zeitlich periodischen, z. B. sinusfrmigen, Vorgang ei

14、ngebracht wird 4 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8FD9NormCD - Stand 2010-11 DIN 54192:2010-11 3.3 Thermografie mit Stufenanregung Spezialfall der Impulsthermografie, bei der die Energiequelle zu einem definierten Zeitpunkt ein- bzw. ausgeschaltet wird und bis zum Ende der Messung unvernder

15、t bleibt 3.4 thermische Diffusivitt Temperaturleitfhigkeit Ma fr die Charakterisierung der zeitlichen und rumlichen Ausbreitung der thermischen Energie in einem Krper ANMERKUNG In der Thermodynamik wird das Symbol a verwendet. 3.5 thermische Effusivitt Wrmeeindringkoeffizient e Ma fr Fhigkeit eines

16、Krpers zur Temperaturnderung als Reaktion auf einen Energieeintrag ANMERKUNG In der Thermodynamik wird das Symbol b verwendet. 3.6 thermische Eindringtiefe charakteristische Lnge der Wrmeausbreitung bei pulsfrmigen bzw. periodisch moduliertem Energieeintrag, bei der die Temperaturamplitude auf 1/e (

17、etwa 37 %) in Bezug auf die Oberflche abgenommen hat 3.7 thermischer Reflexionskoeffizient R Ma fr die Reflexion der thermischen Welle an der Grenzflche zwischen zwei Schichten unterschiedlicher thermischer Effusivitt 3.8 dynamischer Temperaturkontrast lokale Verteilung der sich zeitlich ndernden Te

18、mperaturdifferenz gegenber einer Referenztemperatur 3.9 Amplitudenbild Darstellung der rtlichen Verteilung der vom Prfgegenstand abgegebenen Strahlungsmenge bei einer bestimmten Anregungsfrequenz f 3.10 Phasenbild Darstellung der rtlichen Verteilung der zeitlichen Verzgerung der Temperaturantwort au

19、f die Anregung bei einer bestimmten Anregungsfrequenz f 5 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8FD9NormCD - Stand 2010-11 DIN 54192:2010-11 4 Techniken der aktiven Thermografie 4.1 Allgemeines Bei der aktiven Thermografie wird durch zustzliche, nur zum Zweck der thermografischen Prfung einge-se

20、tzte Energiequellen ein zeitlich vernderlicher Wrmestrom im Prfobjekt erzeugt (Prinzip siehe Bild 1). Bild 1 Prinzip der aktiven Thermografie Die thermische Anregung kann mit verschiedenen Energiequellen erfolgen und auf unterschiedlichen Effekten basieren: Absorption von optischer Strahlung und/ode

21、r Mikrowellen; elektromagnetische Induktion; Umwandlung elastischer Wellen (z. B. Ultraschall); Konvektion (Hei-/Kaltluft) und weitere. Im Prfobjekt findet ein thermischer Diffusionsprozess statt, der ber die abgegebene Infrarotstrahlung fr die Infrarotkamera indirekt sichtbar wird. Ein Steuergert s

22、orgt fr eine zeitliche Synchronisation von Energie-quelle und Bildaufnahme. In der Regel wird eine lngere Bildsequenz aufgenommen, die anschlieend analysiert werden kann. 4.2 Zeitliche Anregungsarten 4.2.1 Aktive Thermografie mit Impulsanregung Zur Anregung wird eine zeitlich kurze, intensive Energi

23、equelle verwendet. Dies kann z. B. ein Lichtblitz aus einer Blitzlampe oder aus einem Laser sein. Zeitlich kurz bedeutet, dass die fr die Prfung ntigen Diffusionsvorgnge erst nach Ende der Anregung zu Bildkontrasten fhren. Die aufgenommene Bildsequenz kann im Zeitbereich nach 5.2 oder im Frequenzber

24、eich nach 5.3 (Impuls-Phasen-Thermografie) ausgewertet werden. 6 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8FD9NormCD - Stand 2010-11 DIN 54192:2010-11 4.2.2 Aktive Thermografie mit Stufenanregung Zur Anregung wird eine Energiequelle zu einem bestimmten Zeitpunkt ein- oder ausgeschaltet. Dies kann z

25、. B. ein Halogenstrahler sein. Im Unterschied zur Impulsanregung finden die fr die Prfung ntigen Diffusionsvorgnge whrend der Anregung statt. Die aufgenommene Bildsequenz kann im Zeitbereich nach 5.2 oder im Frequenzbereich nach 5.3 (Impuls-Phasen-Thermografie) ausgewertet werden. 4.2.3 Aktive Therm

26、ografie mit periodischer Anregung (Lock-In Thermografie) Zur Anregung wird eine in der Intensitt modulierbare Quelle verwendet, z. B. amplitudenmodulierte Halogen-strahler. Die Anregungsform kann sinus- oder rechteckfrmig sein. ber einen ausreichenden Beobachtungszeitraum von typischerweise einigen

27、Modulationsperioden werden fr jedes Pixel Korrelationswerte zur Anregungsfunktion ermittelt. Die aufgenommene Bildsequenz wird im Frequenzbereich nach 5.3 (Impuls-Phasen-Thermografie) ausge-wertet. 4.2.4 Aktive Thermografie mit Relativbewegung zwischen zeitlich konstanter Energiequelle und Prfobjekt

28、 Zur Anregung wird eine lokal begrenzte Energiequelle, z. B. ein Laser oder eine Heiluftdse, verwendet, der mit einer bestimmten Geschwindigkeit ber die relevanten Prfbereiche bewegt wird. Alternativ wird, z. B. bei Frderbndern mit Prfgut, das Prfobjekt an der Anregung vorbeibewegt. Hierzu werden me

29、istens Linienquellen wie z. B. Heizstrahler eingesetzt. Die aufgenommene Bildsequenz kann im Zeitbereich nach 5.2 oder im Frequenzbereich nach 5.3 (Impuls-Phasen-Thermografie) ausgewertet werden. 4.3 Rumliche Anregungsarten 4.3.1 Flchige Anregung Ziel der Anregung ist eine homogene Erwrmung oder Abk

30、hlung der Oberflche des Prfobjekts zur Ortung von Unregelmigkeiten parallel zur Oberflche z. B. mit Halogenstrahlern. 4.3.2 Punktfrmige Anregung Ziel der lokal begrenzten Anregung ist die Ortung von Unregelmigkeiten die senkrecht zur Oberflche orientiert sind, z. B. mit einem Laser. 4.3.3 Anregung d

31、es gesamten Volumens Ziel des Energieeintrags in das gesamte Volumen ist die Anregung dissipativer Prozesse am Ort von Fehl-stellen oder Inhomogenitten, z. B. mit Leistungsultraschall zum Rissnachweis oder mit Mikrowellen zum Feuchtenachweis. 4.4 Typische Varianten der aktiven Thermografie 4.4.1 Ref

32、lexionskonfiguration In der Reflexionskonfiguration befinden sich die Anregungsquelle und die IR-Kamera auf der gleichen Seite des Prfgegenstandes, siehe Bild 2a. Daher muss bei der Anregung mit Strahlungsquellen bercksichtigt werden, dass diese u. U. auch in dem Wellenlngenbereich abstrahlen, in de

33、m die verwendete IR-Kamera empfindlich ist. 7 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8FD9NormCD - Stand 2010-11 DIN 54192:2010-11 a) Reflexion b) Transmission Legende 1 Rckseite 2 Vorderseite 3 Halogenlampen, Laser 4 IR-Kamera 5 Bauteil 6 Defekt 7 durchgehende Welle 8 an der Grenzflche reflektier

34、te Welle T Temperatur Bild 2 Messanordnung 4.4.2 Transmissionsanordnung Anregungsquelle und IR-Kamera sind in dieser Messkonfiguration auf gegenberliegenden Seiten des Prf-gegenstandes angeordnet, siehe Bild 2b. Diese Messkonfiguration kann in der Regel nur bei Prfgegen-stnden eingesetzt werden, der

35、en Dicke kleiner oder vergleichbar mit der Eindringtiefe ist. 5 Auswertetechniken 5.1 Allgemeines In der Regel wird eine Sequenz von Thermogrammen aufgezeichnet. Zur Auswertung, die an die ent-sprechende Signalform der Anregung angepasst wird, knnen die vollstndige Thermografiesequenz, einzelne Ther

36、mogramme und Transienten (Temperaturverlauf ber der Zeit eines einzelnen Bildpunktes oder gemittelt ber einen Bildausschnitt) herangezogen werden. 5.2 Auswertetechnik im Zeitbereich Bei der Impulsanregung erfolgt die Auswertung der Messdaten im Zeitbereich, was bedeutet, dass die zeitauf-gelst erfas

37、sten Messdaten in ihrem Verlauf ausgewertet werden. Hierdurch ist einerseits ein optimales Fehlernachweisvermgen sichergestellt und andererseits erlaubt diese Methode quantitative Aussagen. Der Temperaturkontrast als Funktion der Messzeit eines einzelnen Pixels (i, j) wird durch die folgende Gleichu

38、ng bestimmt: )0()()0,(),()(),(),(ssddsd=tTtTtjiTtjiTtTtjiTtjiCDabei ist C(i, j,t) der Kontrast an der Position des Pixels (i, j); t die Zeit; Tsdie Temperatur im ungestrten Bereich; Tddie Temperatur oberhalb der Unregelmigkeit. 8 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8FD9NormCD - Stand 2010-11 D

39、IN 54192:2010-11 Fr eine bestimmte Tiefenlage der Unregelmigkeit stellt sich zu einem bestimmten Zeitpunkt tmaxein maxi-maler Temperaturkontrast Cmax(i, j,tmax) ein. Cmaxund tmaxsind dabei abhngig von den thermischen Eigen-schaften des ungestrten Materials und der Unregelmigkeit, von der Geometrie u

40、nd berdeckung der Unregelmigkeit, von den Umgebungsbedingungen und von der Art der Anregung. Durch die Auswertung des Kontrastes anstelle der gemessenen Strahlungswerte wird der Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Messergebnisse reduziert. Im einfachsten Fall werden aus der Bildsequenz Einzelb

41、ilder entnommen, die die Anzeigen mit optimalen Kontrast zeigen. Fr eine quantitative Auswertung wird zunchst von allen Bildern der Sequenz das Bild vor der Anregung subtrahiert. Man stellt fr jeden Bildpunkt die thermischen Abklingkurven in einer doppelt-logarithmischen Auftragung log(T) ber log(t)

42、 dar (log-log Plot). Abknickpunkte in dieser Kurve ergeben Fehlertiefen/Schichtdicken. Daraus entstehen Fehlertiefenbilder. Fr die Stufenanregung ist die Vorgehens-weise analog. ANMERKUNG Weitere Auswertetechniken wie zum Beispiel die Betrachtung der logarithmischen Ableitung knnen angewendet werden

43、. 5.3 Auswertetechnik im Frequenzbereich Die Lock-In- oder Phasen-Thermografie basiert auf der Auswertung der thermischen Antwort des Prfgegen-standes bei bestimmten Anregungsfrequenzen. Die Wahl der Auswertungsfrequenzen hngt vom Frequenz-spektrum des Anregungssignals ab. Bei der Lock-In-Thermograf

44、ie wird in der Regel bei der Anregungs-frequenz f oder deren hheren Harmonischen ausgewertet. Die Ermittlung der Frequenzanteile erfolgt ber die diskrete eindimensionale Fouriertransformation eines jeden Pixels der Thermografiesequenz: )Im()Re()()(10/2fifekTfFNkNikfn+=Dabei ist Re der Realteil; Im d

45、er Imaginrteil; n das Frequenzinkrement; N die Anzahl der Messpunkte; k die Nummer des Thermogramms in der Sequenz. Daraus ergeben sich die Amplitude Anund die Phase n: 22)Im()Re()( fffA += und )Re()Im(arctan)(fff = Die Amplituden- und Phasenbilder ergeben sich aus der Anwendung der Fouriertransform