Numerisches Verfahren für die aktive Thermografie zur Untersuchung von Rückwandgeometrien

Richter, Regina

doi:10.24355/dbbs.084-201405270852-0

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Numerisches Verfahren für die aktive Thermografie zur Untersuchung von Rückwandgeometrien

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Die einseitige Bestimmung von Wanddicken ist in vielen Bereichen der Industrie wichtig für die Sicherheit und Qualitätssicherung von Anlagen. Ziel ist es, die Dichtheit der Komponente zu garantieren, um einerseits den Austritt gefährlicher Stoffe zu vermeiden und andererseits den Verlust wertvoller Flüssigkeiten oder Gase zu verhindern. Bei Rohren, Druckbehältern und chemischen Anlagen hat man für eine Prüfung der Wanddicke in der Regel nur Zugang von der Außenwand – abgesehen von Rohrprüfungen z. B. mittels Ultraschallsonden (sogenannte Molche), welche in den Produktstrom durch die Rohre geleitet werden. Um die Wanddicke zu bestimmen, gibt es verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung (z. B. Ultraschall-, Röntgen- und Wirbelstromprüfung, Thermografie). Einer der Vorteile der Thermografie ist, dass sie berührungslos funktioniert. Bei der aktiven Thermografie wird der Probekörper kurzzeitig erwärmt oder abgekühlt, und die thermische Antwort wird mit einer Infrarot-Kamera gemessen und evaluiert. Aus den aufgenommenen Wärmebildern wird die Rückwandgeometrie, d. h. die Wanddicke für ein Profil oder flächendeckend (2D/3D), bis in den sub-mm-Bereich ermittelt, wobei es sich mathematisch um ein inverses Problem handelt. Eines der klassischen Verfahren für inverse Probleme, die Levenberg-Marquardt-Methode, wird in dieser Arbeit erstmalig an experimentell gewonnenen thermografischen Daten der zerstörungsfreien Prüfung erfolgreich angewendet. Die untersuchten Probekörper repräsentieren unterschiedliche Materialien (PVC, Stahl) und besaßen neben künstlichen Defekten (Nuten verschiedener Form, Flachbodenbohrungen) auch Defekte, welche auf natürlichem Wege entstanden waren (Korrosionslöcher in Rohren). Der punktweise Rekonstruktionsfehler war tiefenabhängig und erreichte im Schnitt aller Nutprobekörper maximal 2 bzw. 6 mm für Tiefenlagen unter bzw. über 10 mm.

The one-sided identification of wall thicknesses is important for safety and quality control of constructions in several industrial sectors. The aim is to guarantee the impermeability of a component, on the one hand to avoid the leakage of dangerous substances and on the other hand to prevent the loss of valuable fluids or gases. For testing purposes, pipes, pressure tanks, and chemical plants are generally only accessible from the outer wall - apart from pipe testings with e. g., an ultrasonic sensor (so-called go-devil), which is sent into the product stream longitudinally through the pipe. To detect the wall thickness, there exist several non-destructive testing methods (e. g., ultrasonic testing, x-ray methods, eddy current testing, thermography). One of the advantages of thermography is, that it runs contact-free. With active thermography, the test specimen is shortly heated or cooled and the thermal answer, measured by an infrared camera, is evaluated. Analyzing the spatial thermal distribution, the back wall geometry, i. e., the wall thickness for a profile or area-wide (2D/3D), can be determined to the sub-mm-scope. Mathematically, this is an inverse problem. In this thesis and for the first time, one of the classical methods for inverse problems, the Levenberg-Marquardt method, is successfully applied to experimentally obtained thermografic data of non-destructive testing. The analysed test specimens were from diff_erent materials (PVC, steel) and had not only artificial defects (diff_erently shaped notches, at bottom holes), but also defects which evolved naturally (corrosion defects in pipes). The pointwise reconstruction error was dependant from thickness and was 2 mm at most (average value for the notch test specimens) for thicknesses below 10 mm, while it was 6 mm at most for thicknesses above 10 mm.