DE102005000919B4

DE102005000919B4 - Method for determining the presence of particles on surfaces

Info

Publication number: DE102005000919B4
Application number: DE200510000919
Authority: DE
Inventors: Kurt Erik Ziegler; Jens Dr. Bublitz
Original assignee: SYSTEKTUM GmbH
Current assignee: KIENZLE ANALYSETECHNIK AG, CH
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2025-01-07
Also published as: DE102005000919A1

Abstract

Verfahren zur ortsaufgelösten, berührungslosen und zerstörungsfreien Bestimmung des Vorhandenseins von Partikeln auf Oberflächen, mit folgenden Verfahrensschritten:
– Aufstrahlen von Wärmeenergie in Form einer gepulsten Erhitzung auf die zu untersuchende Oberfläche oder Teile davon,
– linienhafte Erwärmung der zu untersuchenden Oberfläche durch eine scannende Bewegung eines Lasers, und
– Erfassung der induzierten, unterschiedlichen Wärmeabstrahlung von Partikeln und der Oberfläche mittels einer Wärmekamera.Method for the spatially resolved, non-contact and non-destructive determination of the presence of particles on surfaces, comprising the following method steps:
Radiating heat energy in the form of a pulsed heating on the surface to be examined or parts thereof,
- linear heating of the surface to be examined by a scanning movement of a laser, and
- Detecting the induced, different heat radiation of particles and the surface by means of a thermal camera.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Vorhandenseins von Partikeln auf Oberflächen insbesondere zum ortsaufgelösten, berührungslosen und zerstörungsfreien Nachweis von Partikeln auf Oberflächen, auch solchen mit strukturierter Beschaffenheit u.a. mit Kanten und Bohrungen.The The invention relates to a method for determining the presence of particles on surfaces especially for spatially resolved, contactless and non-destructive Detection of particles on surfaces, even those with structured Condition u.a. with edges and holes.

Bisher werden Partikelmessungen durch Streulicht-, Trübungs-, Dämpfungs-, Laserbeugungs- oder Sinkflugmessungen überwiegend in Volumina, insbesondere in flüssigen oder gasförmigen Medien vorgenommen.So far Particle measurements by scattered light, turbidity, attenuation, laser diffraction or Descent measurements predominantly in volumes, especially in liquid or gaseous Media made.

Als Stand der Technik ist insbesondere die DE 198 32 833 bekannt, bei der bereits ein Thermographieverfahren beschrieben wurde, das die Aufgabe hat, eine schnelle thermographische Untersuchung einer ausgedehnten Werkstückoberfläche allerdings ohne Rücksicht auf wechselnde Emissionsfaktoren zu ermöglichen. Dabei wird die Infrarotreflexion der Gesamtflächen gemessen, nachdem diese erwärmt sind und im erwärmten Zustand durch ein Förderband oder eine Transfereinrichtung zu der Thermographiekamera gefördert wurden. Die Ergebnisse der zweidimensionalen Thermographiekamera werden dann mit einer Kalibriermessung verglichen und Emissionskoeffizienten und Oberflächentemperaturen ortsaufgelöst errechnet. Dadurch kann aber ein etwaig vorhandener Partikel nicht ortsgenau bestimmt werden. In der weiter zu nennenden DE 197 28 725 wird ein Verschmutzungsgrad von Fahrzeugen, also ein Koeffizient der für das ganze Fahrzeug festgelegt wird, ermittelt, und dies bei sich nicht verändernden Temperaturen. Die DE 100 61 980 A1 wiederum beschreibt ein Spektrogramm mit einer extrem hohen Auflösung von z. B. 15 000 Hz, um thermische Schockwellen in aperiodischer zeitlicher Folge zur Erfassung von Bindefehlern von Lackschichten vorzusehen. Durch eine derartige Abtastdynamik ist die Erfassung thermischen Abklingverhaltens nicht mehr möglich.As state of the art is in particular the DE 198 32 833 in which a thermographic method has already been described, which has the task of allowing a rapid thermographic examination of an extended workpiece surface, however, without regard to changing emission factors. In this case, the infrared reflection of the total areas is measured after they have been heated and were conveyed in the heated state by a conveyor belt or a transfer device to the thermographic camera. The results of the two-dimensional thermographic camera are then compared with a calibration measurement and emission coefficients and surface temperatures are calculated spatially resolved. As a result, however, any particles that may be present can not be determined with exact location. In the further to be called DE 197 28 725 A degree of contamination of vehicles, ie a coefficient which is set for the whole vehicle, is determined, and this at non-changing temperatures. The DE 100 61 980 A1 again describes a spectrogram with an extremely high resolution of z. B. 15 000 Hz to provide thermal shock waves in aperiodic time sequence for detecting binding defects of paint layers. Such a sampling dynamic makes it no longer possible to detect thermal decay behavior.

Schließlich ist noch die EP 0 599 153 zu nennen, in der ein Laser dazu eingesetzt wird, Teile auf einem Förderband zu erwärmen und unterschiedliche Abstände des Werkstoffes zum Analysesystem durch Laserimpulse unterschiedlicher Energie auszugleichen, um für jedes Material eine geeignete Anregung zu erhalten. Ebenso wie in den vorangegangenen Druckschriften wird damit auch das Auffinden von Fremdpartikeln auf einer Oberfläche nicht ermöglicht.Finally, that is still EP 0 599 153 to mention, in which a laser is used to heat parts on a conveyor belt and compensate for different distances of the material to the analysis system by laser pulses of different energy in order to obtain a suitable excitation for each material. As in the previous documents, the finding of foreign particles on a surface is thus not possible.

Für die Messung von Partikeln auf Oberflächen, beispielsweise Staub auf zu lackierenden Bauteilen, können dabei Streulichtmessungen zwar prinzipiell durchgeführt werden, das Messsignal wird aber extrem durch die Oberflächenbeschaffenheit (Rauheit) verfälscht und beschränkt. Bei strukturierten Oberflächen, beispielsweise Bauteilen mit Kanten, Bohrungen usw. lässt sich keines der o. g. Verfahren einsetzen.For the measurement of particles on surfaces, For example, dust on components to be painted, can thereby Although scattered light measurements are carried out in principle, the measurement signal but is extremely affected by the surface texture (roughness) falsified and limited. For structured surfaces, For example, components with edges, holes, etc. can be none of the above Use procedure.

Eine aufwendige Bilderkennung im sichtbaren Spektralbereich ist möglich. Die Auswertbarkeit kann aber ebenfalls durch die Oberflächenstruktur sowie Störlichteinfall stark eingeschränkt werden und setzt große Anforderungen an eine optimale Ausleuchtung, die bei strukturierten Bauteilen ebenfalls praktisch nicht erreichbar ist.A complex image recognition in the visible spectral range is possible. The Evaluability can also be determined by the surface structure as well Störlichteinfall highly limited become and set big ones Requirements for optimal illumination, which in structured Components is also virtually unavailable.

Weiter sind aus der DE 195 36 705 elektrische Verfahren bekannt, bei der elektrische Ladungen auf Partikel in einem Gasstrom aufgebracht werden, um diese in einer Kondensatoreinrichtung anschließend abzulenken. Auch thermische Verfahren, wie das Erhitzen und Abdampfen von Verunreinigungen auf der Oberfläche mit anschließender Analyse des Rauchgases sind bereits bekannt. Sie eignen sich im allgemeinen jedoch nicht zu einer ortsaufgelösten Bestimmung von Partikeln, sind sehr aufwendig und lassen sich im wesentlichen nur für Partikel einer bestimmten, bekannten Herkunft anwenden.Next are from the DE 195 36 705 electrical methods are known in which electrical charges are applied to particles in a gas stream in order to subsequently deflect them in a condenser device. Thermal processes, such as the heating and evaporation of impurities on the surface with subsequent analysis of the flue gas are also known. However, they are generally not suitable for a spatially resolved determination of particles, are very expensive and can be used essentially only for particles of a certain, known origin.

Bisher werden daher vor dem Lackieren, Veredeln oder anderem Weiterverarbeiten von Oberflächen Reinigungsschritte ohne weitere Prüfung, ob diese erfolgreich waren, so lange angewandt, bis spätere Bearbeitungsschritte der Oberfläche das gewünschte Ergebnis erreichen.So far Therefore, before the painting, finishing or other processing of surfaces Cleaning steps without further testing, whether successful were applied until later processing steps of the surface the wished Achieve result.

Die Erfindung hat sich dagegen zur Aufgabe gesetzt, Partikel auf Oberflächen, insbesondere staubfeine Partikel sowie Bearbeitungsrückstände, wie Späne, ortsaufgelöst nachweisen zu können und vorab zu bestimmen, ob derartige Reinigungsschritte überhaupt notwendig sind.The On the other hand, the invention has set itself the task of particles on surfaces, in particular dust-fine Particles as well as processing residues, such as chips, spatially resolved to be able to prove and to determine in advance whether such cleaning steps at all necessary.

Erfindungsgemäß arbeitet das Verfahren mit dem kurzzeitigen Aufstrahlen von Wärmeenergie auf die zu untersuchende Oberfläche unter Erfassung der induzierten Wärmeabstrahlung mit einer Wärmekamera.Works according to the invention the method with the brief irradiation of heat energy on the surface to be examined under detection of the induced heat radiation with a thermal camera.

Wärmekameras, insbesondere Wärmebildkameras dienen bereits im Stand der Technik zur Erfassung von Temperaturen von Gegenständen auch über größere Entfernungen hinweg.Heat cameras, especially thermal imaging cameras already used in the prior art for the detection of temperatures of objects also over longer distances time.

Die Hauptanwendungsgebiete liegen derzeit in der Haustechnik, der Bauphysik und wärmenden Dämmung von Gebäuden aber auch dem Umweltschutz, der industriellen Analyse von Materialbeschaffenheit sowie der zivilen und militärischen Fernerkundung.The Main application areas are currently in building technology, building physics and warming insulation of buildings but also environmental protection, the industrial analysis of material properties as well as the civilian and military Remote sensing.

Nach der Erfindung kommt es jedoch nicht auf das quantitative Erfassen einer genauen Temperatur an, sondern auf die qualitativen Temperaturunterschiede zwischen der Oberfläche und ggf. darauf befindlichen Partikel, die sich durch das geringere Wärmeableitvermögen in die Umgebung deutlich langsamer abkühlen, als beispielsweise eine wärmeleitende Oberfläche.However, it does not come after the invention on the quantitative detection of a precise temperature, but on the qualitative temperature differences between the surface and possibly thereon particles which cool much slower by the lower heat dissipation into the environment, as for example a heat-conducting surface.

Umgekehrt können nicht wärmeleitende Oberflächen hingegen nach längerer Erwärmung wesentlich heißer sein, als rund um Wärme abstrahlende kleine Partikel, die schneller wieder abkühlen.Vice versa can non-heat conductive surfaces, however after a long time warming much hotter be as about heat radiating small particles that cool down faster.

Zur Erfassung derartig kleiner Partikel wird lediglich eine entsprechend hohe Auflösung einer Wärmebildkamera benötigt. Durch eine gepulste Erhitzung mit zeitaufgelöstem Beobachten lassen sich sogar Oberflächendefekte, beispielsweise eine an einigen Stellen dünnere Lackschicht nachweisen.to Detecting such small particles is only one accordingly high resolution a thermal imaging camera needed. By a pulsed heating with time-resolved observation can be even Surface defects, For example, detect a thinner paint layer in some places.

Vorgeschlagen wird nach jedem Aufheizimpuls wenigstens ein Bild zu erfassen und so über mehrere Aufheizimpulse schon während des Aufheizens Informationen über einzelne Unregelmäßigkeiten der Oberfläche zu sammeln.proposed After each heat-up pulse at least one image will be captured and so over several Heating impulses already during of heating up information about individual irregularities the surface to collect.

Es ist jedoch auch möglich, nach einem längeren Wärmeimpuls Bildinformationen über einen längeren Zeitraum zu sammeln, um dadurch das Abklingverhalten zu erfassen. Weiter kann nach schon einem Aufstrahlen von Wärmeenergie durch Erfassen mikroskopischer Bewegungen aus wenigstens zwei zeitlich beabstandet aufgenommenen Bildinformationen ggf. die Wärmebewegung von kleinen Partikeln, die durch die Konvektion in vorhersehbarer Weise erfolgen wird, erfasst werden.It but it is also possible after a longer one thermal pulse Image information about a longer one Collect time to capture the decay behavior. Next, after already a radiant heat energy by detecting microscopic Movements from at least two temporally spaced recorded Image information if necessary the thermal movement of small particles caused by convection in a predictable manner will be recorded.

Aber auch Teilchen, die keine thermischen Bewegungen ausführen, können auf beliebigen Oberflächenstrukturen berührungslos und zerstörungsfrei erfasst werden, wenn ein von der Umgebung abweichendes, ungewöhnliches Aufheiz- oder Abkühlverhalten erfasst wird.But even particles that do not perform thermal movements can arbitrary surface structures contactless and non-destructive be detected when a deviant from the environment, unusual Heating or cooling behavior is detected.

Die Aufheizung kann auch lediglich auf Teilbereichen der Oberfläche, beispielsweise durch einen Laserstrahl, der ein vorgegebenes Muster abfährt, erfolgen. Dabei können ein oder auch mehrere Kameras, insbesondere auch Endoskopkameras vorgesehen werden, um in unzugänglichen Hohlräumen oder Strukturen, beispielsweise in Bohrlöchern oder Ausfräsungen sowie auf einer Werkstückoberfläche die entsprechenden Wärmebilder zu erfassen.The Heating can also only on parts of the surface, for example by a laser beam, which leaves a predetermined pattern, take place. It can one or more cameras, in particular also endoscope cameras provided be in inaccessible cavities or structures, for example in boreholes or cutouts as well on a workpiece surface the corresponding thermal images capture.

Die Beobachtung erfolgt insbesondere im Infrarot, vorzugsweise ist ein Wellenlängenbereich von mehr als einem μm bis zu einigen 10 μm zu wählen.The Observation takes place in particular in the infrared, preferably is a Wavelength range of more than one μm up to a few 10 μm to choose.

Mögliche Wärmequellen sind neben gepulst oder kontinuierlich emittierenden Lasern auch Infrarotstrahler, Hohlraumstrahler, aber auch spezielle Lampen, wie Wolframbandlampen, je nach dem, welches thermische Verhalten die jeweilige Oberfläche und die zu erkennenden Partikel aufweisen.Possible heat sources are next to pulsed or continuously emitting lasers as well Infrared radiators, cavity radiators, but also special lamps, like tungsten band lamps, depending on what thermal behavior the respective surface and have the particles to be detected.

Das Verfahren zur ortsaufgelösten, berührungslosen und zerstörungsfreien Bestimmung von Partikeln auf Oberflächen, läßt sich auch allgemein mit den beiden folgenden Schritten beschreiben. Kurzzeitiges Aufstrahlen von Wärmeenergie auf die zu untersuchende Oberfläche. Und (bevorzugt daran anschließende) Erfassung der induzierten Wärmeabstrahlung mit einer Wärmekamera in mindestens einem geeigneten Zeitabschnitt. Geeignet ist insbesondere die Erfassung außerhalb der Aufstrahlzeiten, aber bei Wahl beispielsweise nur Teilbereiche aufheizender Wärmestrahler ist auch die gleichzeitige Erfassung während des Aufheizens möglich.The Method for spatially resolved, contactless and non-destructive Determination of particles on surfaces, can also be generally with describe the following two steps. Short-term irradiation of heat energy on the surface to be examined. And (prefers to follow) Detection of induced heat radiation with a thermal camera in at least one suitable period of time. In particular, it is suitable the detection outside the Aufstrahlzeiten, but at choice, for example, only partial areas aufheizender Radiant heaters is also the simultaneous detection during heating possible.

Bevorzugt wird eine gepulste Erhitzung mit zeitaufgelöstem Beobachten des Temperaturverlaufs zwischen den Wärmezufuhrimpulsen. Wenn zudem nach wenigstens einem Erhitzen eine zeitaufgelöste Beobachtung des Temperaturverlaufs für eine ein Wärmebild darstellende Vielzahl von Bildpixeln erfolgt, kann die ortsaufgelöste Aussage erleichtert werden.Prefers is a pulsed heating with time-resolved observation of the temperature profile between the heat supply pulses. If, in addition, after at least one heating, a time-resolved observation the temperature profile for a thermal picture representing a plurality of image pixels, the spatially resolved statement be relieved.

Hierzu wird insbesondere vorgeschlagen, wenigstens einen Teilbereich der zu untersuchenden Oberfläche mit einer die Erkennung mikroskopischer Bewegungen kleinerer Staubpartikel erlaubenden Auflösung zu erfassen und aus wenigstens zwei zeitlich beabstandet aufgenommenen Bildinformationen mit Hilfe eines Rechners Partikelbewegungen (thermische Teilchenbewegungen durch Konvektion) zu erfassen.For this is proposed in particular, at least a portion of the surface to be examined with a recognition of microscopic movements of smaller dust particles permitting resolution to capture and recorded from at least two temporally spaced Image information with the help of a computer particle movements (thermal Particle movements by convection).

Weiter wird vorgeschlagen, die Wärmeabstrahlung mit mehr als einer Kamera und/oder in mehr als einem Wellenlängenbereich zu erfassen. Dabei sollte zudem bevorzugt eine kontinuierliche Wärmequelle hinter Abschattungseinrichtungen örtlich in geeigneter Position zu der zu untersuchenden Oberfläche über mehr als einen Beobachtungszeitraum betrieben werden, um gleichmäßige Wärmeabstrahlung zu gewährleisten.Further it is suggested the heat radiation with more than one camera and / or in more than one wavelength range capture. It should also preferably a continuous heat source behind shading devices locally in suitable position to the surface to be examined for more be operated as an observation period to uniform heat radiation to ensure.

Alternativ kann aber auch ein gepulst oder kontinuierlich emittierender Laser scannend über wenigstens Teile der zu untersuchenden Oberfläche eine linienhafte oder punktuelle Erwärmung auf dieser bewirken. Dreidimensionale Oberflächen komplexer Bauteile können durch Drehen des Bauteils vor beispielsweise einer ruhenden Wärmequelle untersucht werden und unzugängliche Details dreidimensionaler Oberflächen komplexer Bauteile, insbesondere Bohrungen oder Ausfräsungen, mit einer weiteren Kamera im wesentlichen zeitgleich mit benachbarten Flächen untersucht werden.alternative but can also be a pulsed or continuously emitting laser scanning over at least parts of the surface to be examined a linear or punctual warming effect on this. Three-dimensional surfaces of complex components can by Turning the component before, for example, a static heat source be investigated and inaccessible Details of three-dimensional surfaces complex components, in particular bores or cutouts, with another camera substantially simultaneously with adjacent ones surfaces to be examined.

Claims

Method for spatially resolved, non-contact and non-destructive Determination of the presence of particles on surfaces, with following process steps: - radiating heat energy in the form of a pulsed heating on the surface to be examined or Parts of it, - linear warming the surface to be examined by a scanning motion of a laser, and - Capture the induced, different heat radiation of particles and the surface by means of a thermal camera.

Method according to claim 1, characterized in that that at least after heating, a time-resolved observation of the temperature profile for a thermal Imaging performing variety of image pixels is done.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at least one Part of the surface to be examined with a recognition detected microscopic movements of smaller dust particles permitting resolution is taken from at least two temporally spaced Image information with the help of a computer particle movements recorded become.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the heat radiation with more than one thermal camera and / or in more than one wavelength range be recorded.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that three-dimensional surfaces Complex components by rotating the component in front of a dormant heat source to be examined.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that inaccessible Details of three-dimensional surfaces Complex components with a thermal camera nearly at the same time as neighboring areas to be examined.

Method according to Claim 6, characterized that the inaccessible Details of complex components may be holes or milled holes.