تصوير اينفرارد (‌مادون قرمز) يك كهكشان كه توسط تلسكوپ فضايي هابل گرفته شده است.

امتیاز کاربران

ستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعال
 

ترموگرافي پيشرفته

دراين سري از مقالات سعي داريم تا مرور اجمالی وخلاصه بر برخی روش های پیشرفته استفاده شده در تصویر برداری حرارتی را به زبان ساده مرور كنيم. درمقایسه با روشهای پایه ضبط و به کار بردن تصویر های مادون قرمز که به طور مثال با تنظیم پارامترهای اندازه گیری  درگیر است این روشها شامل خصیصه های اضافی برای جمع اوری و پردازش داده است .مثالها شامل استفاده از اجزای اضافی مانند فیلتر های طیفی با پهنای باند باریک ، کاربردهای منابع حرارت برای تحریک حرارتی سوژه های تحت بررسی و یا سایرابزار پردازش تصویر است. اما در ادامه صرفا به معرفي اصول و مباني ترموگرافي يا تصوير برداري حرارتي فعال مي پردازيم.

تصویر برداری حرارتی فعال

در بسیاری از کاربرد های تصویر برداری IR  ارزیابی به صورت غیر فعال انجام می شود ، این بدان معنی است که دوربين صحنه را مشاهده کرده و تشعشعات گرمایی ساتع شده از اجسام را اشکار می کند . به دلیل اینکه تشعشعات از محیط منتشر مي شود ،ديده شدن اختلاف تابش در یک تصویر تنها زمانی ميسر است که دماي سوژه با دمای محیط اختلاف داشته باشد. این روش ترموگرافی با توجه به اینکه توزیع دمای موجود از میدان دید سوژه بدون دخالت جریان حرارت اضافی به آن تحلیل می شود غیر فعال یا PASSIVE نامیده می شود. این بدان معنی است که الگوی دمایی مشاهده شده صرفا ناشی از اختلاف دمای طبيعي ووضعيت موجود جسم است . این وضعیت اغلب در نزدیک شرایط تعادل دینامیک اتفاق می افتد که دران دماهای سطح به صورت تابعی از زمان تغییر نمی کند ( حداقل نه خیلی زیاد) . مثال معمول براي اين حالت انجام بازرسی ساختمان است كه دران تفاوت ها ناشی از گرمایش داخلی است درحالی که دیوارهای بیرونی توسط هوای محیط خنک شده است . این قبیل تصاویر ثبت شده غیر فعال ممکن است جزئیات ساختاری داخل یک ساختمان را نشان دهد . یک مثال معمول خانه های نیمه چوبی است .تفاوت های دمای سطح با تصویر حرارتی اندازه گیری شده ناشی از تغییرات فضایی جریان گرما ناشی از خصوصیات حرارتی متفاوت مواد یا ساختار ها است .

متاسفانه ، در اغلب موارد تفاوت دمای طبیعی وجود ندارد یا اگر وجود دارد ممکن است به اندازه ی کافی قوی نبوده یا تصوير بردار حرارتي درگیر سوژه هایی شود که ممکن است قطورتز از آن باشند تا بتوان اجزای ساختاری زیر سطحی آن ها را شناسایی کرد. اگر کسی هنوز بخواهد که نيم نگاهي زیر سطحی داشته باشد ، یعنی بخواهد جزئیات ساختاری زیر سطح را شناسایی کند نیاز به روش ترموگرافي فعال دارد.

این روش ها بر پایه گرم کردن ( و در موارد خاص سرد کردن) سطح برای تحقیق است . این فرآیند ها یک گرادیان غیر ثابت دما در داخل ساختار تحت آزمایش تدارک می بیند که بر توزیع دمایی سطح قابل مشاهده تاثیر می گذارد. بنابراین ترموگرافی فعال مي تواند به عنوان یک روش ترموگرافی دینامیک ، نامتعادل و در حالت غیر پایدار شناخته شود. دماهای سطح نمونه به صورت تابعی از زمان پایش می شود و جریان حرارت گذرا تولید شده عبوری ، در سطح نمونه به صورت نابهنجاری های گذرا در توزیع دمای سطح ديده مي شود .شکل زير نمای کلی از تکنیک های تصویر برداری فعال ارایه کرده است .

روش هاي گرمايش سطح مختلف است . برخي بوسیله جذب تابش ( همانطور که نشان داده شده ) ، بوسیله گرمایش الکتریکی( عبور جریان الکتریکی از نمونه ) ، جریان های گردابی ، و یا برای مثال استفاده از التراسوند سوژه را تحريك مي كنند . انرژی انتقال یافته به نمونه می تواند متداوم بوده ، در یک فرم دائمی مدوله شده باشد ( به عنوان مثال هارمونیک ) ، ویا از طریق پالس ها ( پالس های مربعی یا به اشکال دیگر) به آن منتقل شود. تشخیص انتقال حرارت در داخل نمونه – که ناشی از مشکلات و تغييرات ساختار داخلی تغییر کرده است – از طریق اندازه گیری دماهای سطح با بازتابش و یا در عبور از ماده به صورت تابعی از دما انجام می شود. در اصل با دید اغماض به موارد ناچیز از گرمایش متداوم یا گرمایش پله ای ، مهمترین روشهای تصویر برداری حرارتی فعال ترموگرافی پالس و ترموگرافی Lock-in است . این روش ها به صورت گسترده ای در حوزه های مختلف مانند بازرسی هواپیما، پانل های خورشیدی و یا سوژه های ساخته شده از مواد کامپوزیتی با کربن و یا فیبر شیشه و یا موارد دیگر کاربرد دارد.

ایده استفاده از روش غیر مخرب رفتار حرارتی گذرا تاریخچه طولانی داشته و قبل از اختراع اولین دوربین های ترموگرافی کاربرد داشته است . در دهه 1960 کارهای آزمایشگاهی زیادی در رابطه با شناسایی و تشخیص دمای گذرای سطح اشیا انجام شد. رنگ های حساس به حرارت ، سنسورهای اندازه گیری نقطه ای و دیگر تجهیزات ابزار دقیق برای این کار استفاده شدند. تمامی این روش ها به شدت به حساسیت دمایی و زمان پاسخ کند محدود بودند. اواخر 1970 نقطه شروع پیشرفت های موفقیت آمیز روشهای ترموگرافی Lock-in و ترموگرافی پالس بود. با افزایش استفاده از سیستم های تصویر برداری حرارتی و روشهای جدید گرمایش و همچنین پیشرفت های الکترونیک و فن آوری رایانه در طول ده های اخیر این دو روش به عنوان روش هايي شناخته شده در تست های غیر مخرب شناخته شده اند.

این حوزه بسیار گسترده است و ما در اين سلسله از مقالات تنها سعي داريم با استفاده از منابع مختلف معتبر و كتب ترموگرافي مورد وثوق  تنها مرور بسیار اجمالی بر اصول انتقال حرارت گذرا و روشهای ترموگرافی فعال داشته باشيم. برای اطلاعات جزئی تر در رابطه با این متد ها باید به مقالات و نوشته های تخصصی مراجعه کرد. تعداد زیادی مقاله در رابطه با کاربردهای ترموگرافی فعال در NDT در بانک های اطلاعاتی NDT در دسترس است.

روش های ترموگرافی فعال بر پایه انتقال حرارت گذرا در جامدات قراردارند. هدف تمامی متدها تشخیص، تعیین محل و مشخص کردن ناپیوستگی های داخلی جامدات است. توصیف عددی صحیح انتقال حرارت گذرا سه بعدي در برخی از سیستم ها مشکل بسیار پیچیده ای است . شبیه سازی انتقال حرارت گذرا در ترموگرافی فعال نیاز به محاسبه و پیش بینی توزیع دما با استفاده از معادله تفاوت انتقال حرارت برای رفتار ناهمسان حرارت مواد دارد.( به عنوان مثال کامپوزیت ها). یک روش ساده سازی انتقال حرارت استفاده از مدل های تک بعدی و دو بعدی است که تنها یک تخمین کلی به دست داده یا اطلاعات کیفی توزیع دما را ایجاد می کند و تفسیر نتایج اندازه گیری را مشکل خواهد ساخت. امروزه اگر شرایط عملی به درستی در نظر گرفته شوند ، روش های المان محدود ( FEM) قابل اطمینان ترین ابزار برای مدل سازی انتقال حرارت سه بعدی است. توصیف این روشها فراتر از حیطه این بخش است. در مقاله بعدي  ابتدا به بیان پارامترهای مرتبط مواد که به درک اینکه آیا ناپیوستگی مواد ممکن است با تکنیک های فعال قابل کشف باشد کمک میکند، خواهيم پرداخت.سپس ساده ترین روش ، ترموگرافی پالس، به طور اجمالی توصیف خواهد شد و اصول ترموگرافی Lock-In با برخی کاربردهای در بازرسی هواپیما ارایه می شود. در انتها ترموگرافی فاز پالس که در اجرا ساده بوده اما تحلیل داده های آن پیچیده است به طور خلاصه بیان می شود.