Termovize od A do Z
21. 7. 2023
Termografická kontrola paznehtů skotu a prasat
21. 7. 2023Úvod do aktivní termografie
Aktivní termografie je technikou nedestruktivního testování, využívající externích zdrojů energie pro vyvolání teplotního rozdílu mezi defektními a nedefektními oblastmi v testovaném vzorku. Za tímto účelem se používá široká škála zdrojů energie, přičemž nejčastějšími typy jsou: optické, mechanické a indukční zdroje. Aktivní termografie je založena na tom, že k měřitelné změně rozdílů teplot musí docházet na povrchu testovaného vzorku, jehož povrchová teplota je snímána termokamerou. Ke kvantifikaci výsledků aktivní termografie se využívá různých přístupů. Mnohé z nich využívají matematických transformací 1D a případně 2D signálů, nejčastěji se používá Fourierova transformace. Mezi další používané pak patří např. tzv. vlnková transformace.
V průběhu let došlo k výrazným změnám na poli termografických technik i zpracování signálu. Důsledkem toho proběhl také značný vývoj na poli aktivní termografie, kde zůstává podstatou detekce defektů a případná charakterizace defektů za použití externí tepelné stimulace zkoumaného předmětu.
Princip aktivní termografie
Sestava pro aktivní termografii s optickou excitací se skládá ze 4 základních komponent, ty jsou znázorněny na obrázku 1:
- Povrch zkoumaného vzorku je nejprve stimulován například tepelným impulsem (1), pomocí silného optického záblesku, který může trvat několik milisekund až sekund v závislosti na teplotních vlastnostech zkoumaného materiálu.
- Jakmile je teplotní impuls vzorkem pohlcen (2), dochází k postupnému pronikání tepla od povrchu do objemu vzorku. Teplo se šíří vedením. Princip detekce defektů je založen na tom, že na povrchu se defektní zóny projeví jinou teplotou, oproti ne-defektním zónám. Teplota defektních zón může být jak vyšší, tak nižší, v závislosti na vlastnostech použitého materiálu a také samotného defektu.
- Teplotní vývoj na povrchu vzorku je monitorován prostřednictví termokamery (3). Teplotní mapa povrchu je zaznamenána (ve formě tzv. termogramu) v pravidelných časových intervalech. Nejprve se vytvoří 3D matice (viz obrázek 2a), kde souřadnice x a y odpovídají horizontální a vertikální poloze pixelů a souřadnice z vyjadřuje časový vývoj sekvenčně snímaných termogramů.
- Sekvence termogramu je poté zpracována (4) metodami zpracování 2D signálů (jednou z nejčastějších metod je například použití Fourierovy transformace). Získaný výsledný teplotní profil pro defektní oblast a oblast, která je v pořádku (viz obrázek 2b), je rozdílný. Toto je samotná podstata možnosti lokalizace defektů s využitím aktivní termografie.
Obrázek č.1: Konfigurace systému pro aktivní termografii.
Obrázek 2.: a) Teplotní 3D matice v časové doméně a b) teplotní profil nedefektního pixelu na souřadnici (i,j); volně upraveno podle [2].
Metody excitace zkoumaného vzorku
Názorné rozdělení metod aktivní termografie je na obrázku 5. Zde si jednotlivé metody v krátkosti vysvětlíme
Optická excitace neboli vybuzení
Podstatou optické excitace zkoumaného vzorku je jeho externí stimulace pomocí zdroje optického záření. Energie je zdrojem dodávána na povrch vzorku, kde se světelné záření přeměňuje na teplo a dochází tak k ohřevu vzorku. Tepelné vlny se šíří vedením z povrchu vzorku do jeho objemu, dokud nedosáhnou vnitřní diskontinuity, která buď zpomalí, nebo zrychlí jejich šíření (v závislosti na vlastnostech vzorku i samotného defektu). Zdroje pro optickou excitaci mohou být různé povahy a také různých účinků. Pro impulsní tepelnou stimulaci se využívá zařízení, které produkuje fotografické záblesky, realizující tzv. Diracův impuls. Za účelem krokového ohřevu zkoumaného vzorku se využívá například ohřev prostřednictvím infračervených lamp (pro tzv. pulzní termografii) a pro periodické ohřívání se často používají halogenové lampy (pro tzv. lock-in termografii).
Optická excitace je nejčastěji využívaná forma ohřevu vzorku v aktivní termografii a od počátku se využívala k vývoji klasických technik aktivní termografie.
Mechanická excitace
V případě mechanického buzení je energie do vzorku předávána pomocí mechanických kmitů, například prostřednictvím sonického nebo ultrazvukového převodníku, který je v přímém kontaktu se vzorkem. V tomto případě jsou defekty stimulovány interně; mechanické oscilace přenášené do vzorku se uvnitř něj šíří všemi směry. Mechanická energie se rozptýlí na nespojitostech ve formě tepelných vln, které jsou na povrch vedeny klasickým způsobem vedení tepla.
Ultrazvukové excitaci byla v posledních letech věnovaná značná pozornost. Technika známá jako vibrotermografie (neboli ultrazvuková termografie nebo termosonika) se typicky používá při kontrole trhlin a mikrotrhlin v kovových strukturách, které jsou jinak velmi obtížně kontrolovatelné dalšími optickými prostředky.
Indukční excitace
Indukční excitace může být aplikována na elektricky vodivé materiály, které vytvářejí vířivé proudy ve specifické hloubce (tu lze do značné míry určit frekvencí buzení). Tyto vířivé proudy pak ohřívají vzorek a eventuální vnitřní defekty v něm. Povrchové nebo podpovrchové vady způsobují změny vířivých proudů ve vzorku a mění výsledné rozložení povrchové teploty.
Bez ohledu na použitý excitační režim existují v podstatě tři termografické techniky: pulzní, kroková a lock-in. Experimentální a teoretické aspekty jsou pro každou z těchto technik odlišné. A také pro každou z nich existují typické aplikace.
Techniky aktivní termografie
Pulsní termografie (Pulsed thermography)
Pulsní termografie (PT) je jednou z nejčastěji používaných metod tepelné stimulace. Jedním z důvodů je rychlost kontroly, spoléhající se na krátký tepelný stimulační impulz s trváním od několika milisekund, v případě inspekce materiálů s vysokou tepelnou vodivostí (jako je např. kov), až po několik sekund, pro materiály o nízké vodivosti (jako jsou například plasty). Krátké zahřívání navíc zabraňuje poškození zkoumaného vzorku.
V závislosti na zdroji excitace může být zajímavé pozorovat obě fáze – fázi ohřevu (při a bezprostředně po aplikace excitačního pulzu) a fázi ochlazování. V optické PT jsou ale vzorky často energií nasyceny okamžitě, již během aplikace pulzu, a tak obvykle pozorování fáze ohřevu nepřináší potřebné informace. Tato „raná“ data neobsahují ještě žádné informace o vnitřních vadách, nicméně termogramy před excitací jsou velmi užitečné ve fázi předzpracování dat a pro některé pokročilé techniky zpracování.
Pulsní termografie umožňuje za určitých okolností zjišťování hloubky defektu, použitelná je však obvykle pouze pro detekci defektů, které se vyskytují v blízkosti povrchu zkoumaného vzorku.
Termografie s krokovým ohřevem
Krokové ohřívání používá časově delší excitační impulsy (několik sekund, případně až několik minut), než pulzní termografie. Teplotní vývoj je v tomto případě zajímavý ihned od počátku aplikace; zvýšení teploty povrchu je monitorováno již během aplikace krokového pulzu. Rozdíly povrchové teploty v čase souvisí s vlastnostmi vzorku, stejně jako u pulzní termografie.
Tato metoda rovněž umožňuje detekci hloubky defektu, ale opět obvykle pouze takových, které se vyskytují v blízkosti povrchu, umožňuje však kontrolu větších ploch ve srovnání s PT.
Tato technika se uplatňuje v mnoha aplikacích, například při hodnocení tloušťky povlaku – včetně vícevrstvých povlaků, stanovení integrity vazby mezi povlakem a substrátem nebo vyhodnocení kompozitních struktur. Ačkoli je nejčastější forma excitace optická, není znám faktický důvod k nevyužití jiných forem.
Lock-in termografie
V technice aktivní termografie zvané „lock-in“, je vzorek stimulován periodickým zdrojem energie. Typicky se používají sinusové vlny, i když je možné použít i jiné periodické i neperiodické průběhy. Vnitřní vady působící jako překážky šíření tepla, způsobují změny amplitudy a fázové zpoždění signálu, což se projevuje na povrchu vzorku. K získání informace o amplitudě a fázi z naměřených průběhů povrchových teplot, byly vyvinuty různé techniky.
Nejčastěji se pro zpracování využívá Fourierova analýza. Hodnotí se amplituda a fázový posun (počítán je vážený průměr všech snímků v sekvenci). Výsledný poměr odstup signál šum (SNR) je proto velmi vysoký. Fázová data jsou v aktivní termografii velmi důležitá, protože jsou zkreslena méně než nevyrovnané teplotní údaje, což je dáno nehomogenním ohřevem, emisí na povrchu, odrazy z prostředí a geometrií povrchu.
Reakce defektu na zdroj buzení -> Vliv defektu na vyzařování na povrchu; volně upraveno podle [3]
Rozdíly v průbězích technik aktivní termografie; volně upraveno podle [3]
Rozdělení metod aktivní termografie.
Použitá literatura
- IBARRA-CASTANEDO, C., Ralph B. DINWIDDIE, Morteza SAFAI, N. P. AVDELIDIS, M. GRENIER, X. MALDAGUE a A. BENDADA. Active thermography signal processing techniques for defect detection and characterization on composite materials. Thermosense. 2010, XXXII(7661), 76610O-. DOI: 10.1117/12.850733. Dostupné také z: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?doi=10.1117/12.850733
- IBARRA-CASTANEDO, Clemente a Xavier MALDAGUE. Pulsed phase thermography reviewed. Quantitative InfraRed Thermography Journal. 2004, 1(1), 47-70. DOI: 10.3166/qirt.1.47-70. ISSN 1768-6733. Dostupné také z: http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.3166/qirt.1.47-70
- Aktivní termografie a IRNDT. Plzeň, 2016. Dostupné také z: https://ttp.zcu.cz/cz/laboratore/irndt/aktivni-termografie
