Αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας υλικών με την χρήση της θερμογραφίας

Από RemoteSensing Wiki

Εικόνα 1: Θερμικές εικόνες για μελέτη.

Αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας υλικών με την χρήση της θερμογραφίας

Πρωτότυπος Τίτλος: Structural integrity assessment of materials by thermography

Συγγραφείς: N.P. Avdelidis, D.P. Almond, Ibarra-Castanedo A. Bendada, S. Kenny, X. Maldague

Πηγή: Researchgate [1]

Λέξεις Κλειδιά: δομική ακεραιότητα, ακεραιότητα υλικών, θερμογραφία, χρήση θερμογραφίας

Εισαγωγή Οι θερμογραφικές προσεγγίσεις, παθητικές και ενεργές, χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω των εξαιρετικών πλεονεκτημάτων που προσφέρουν σε διάφορες εφαρμογές, όπως στην αξιολόγηση της δομής των υλικών που θα εξετάσουμε και παρακάτω. Ωστόσο, υπάρχουν κάποιοι περιορισμοί όσον αφορά το είδος της θερμογραφικής προσέγγισης που χρησιμοποιείται, αλλά και περιορισμοί που προκύπτουν από τις ιδιότητες των υλικών (της θερμότητας, της υφής, της δομής τους). Σε αυτήν την εργασία, παρουσιάζονται διάφορες εφαρμογές της θερμογραφίας, με δοκιμές της σε διάφορα υλικά, για να καταλήξουμε σε μια αξιόλογηση της δομής των υλικών αυτών.Η υπέρυθρη θερμογραφία στοχεύει στην ανίχνευση χαρακτηριστικών που διαφοροποιούνται στην επιφάνεια των υλικών (δηλ. πιο τραχείς επιφάνειες, ασυνέχεις, καμπυλώσεις κ.λπ.), και το καταφέρνει χάρη στις διαφορές θερμοκρασίας (ΔT), που παρατηρούνται στην επιφάνεια που διερευνάται κατά την παρακολούθηση τους, μέσω υπερύθρων και καταλήγει σε κάποια συμπεράσματα μετά την αξιολόγηση αυτών των αποτελεσμάτων. Το κύριο πρόβλημα όσον αφορά τις μετρήσεις με τη βοήθεια υπρύθρων είναι η εκπομπή των υλικών. Μια υπέρυθρη κάμερα ανιχνεύει και καταγράφει την ακτινοβολία που εκπέμπεται από το υλικό, που μελετάμε κάθε φορά και μετατρέπει αυτήν την ενέργεια σε θερμική εικόνα. Η εκπομπή του υλικού περιγράφει αυτή τη σχέση μεταξύ της ακτινοβολίας που εκπέμπει και της θερμοκής του εικόνας. Μια επιφάνεια με χαμηλή τιμή εκπομπής (π.χ. αλουμίνιο, χάλυβα κ.λπ.) λειτουργεί ως καθρέφτης (υψηλή ανακλαστικότητα), που ίσως προκαλέι προβήματα στις μετρήσεις, όμως με τη χρήση επίπεδων χρωμάτων υψηλής εκπομπής έχουμε πιο σωστά αποτελέσματα από τη διαδικασία της θερμογραφίας των υλικών.

"Προσεγγίσεις Θερμογραφίας" Η υπέρυθρη θερμογραφία λειτουργεί με δύο προσεγγίσεις την παθητική και ενεργή. Η παθητική προσέγγιση, χρησιμοποιείται για τη διερεύνηση υλικών που έχουν διαφορετική θερμοκρασία από το περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται (συχνά υψηλότερη), ενώ στην περίπτωση της ενεργής προσέγγισης υπάρχει μια εξωτερική πηγή που επηρεάζει την θερμότητα του υλικού (π.χ. οπτικοί λαμπτήρες φλας, λαμπτήρες θερμότητας, πιστόλια θερμού ή κρύου αέρα κ.λπ.). Ο δεύτερος αυτός τρόπος χρησιμοποιείται χρησιμοποιείται για την πρόκληση θερμικών αντιθέσεων μεταξύ υλικού και περιβάλλοντος.Οι πιο συνηθισμένες εφαρμογές της παθητικής προσέγγισης (NDT & E) είναι σε κτίρια και υποδομές, στη συντήρηση υλικών κ.ά. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η παθητική θερμογραφία χρησιμοποιείται για την ποιοτική αξιολόγηση των υλικών. Η ενεργή προσέγγιση έχει επίσης αρκετές εφαρμογές. Οι διαφορές θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της παροδικής φάσης που ενεργούν εξωτερικοί παράγοντες στο υλικό, εμφανίζονται στην επιφάνεια του αλλαγές και αντιθέσεις, έτσι είναι δυνατή η ανίχνευση ελαττωμάτων στην επιφάνεια, καμπυλώσεων, ασυνεχειών κ.ά.

Πλεονεκτήματα – Περιορισμοί της θερμογραφίας Το κύριο πλεονέκτημα της υπέρυθρης θερμογραφίας είναι ότι μεγάλες περιοχές μπορούν να σαρωθούν γρήγορα και χωρίς να χρειάζεται να καταστραφούν κατά τη διάρκεια της δοκιμής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα σημαντική εξοικονόμηση χρόνου, ατόμων, εργασίας και τεχνολογιών. Επιπλέον, η υπέρυθρη θερμογραφία είναι μια τεχνική διερεύνησης περιοχών - πολυγώνων, ενώ οι περισσότερες από τις άλλες μεθόδους είναι είτε μέθοδοι δοκιμής σημείου, είτε γραμμής. Η θερμογραφία, λόγω του γεγονότος ότι χρησιμοποιεί μια τεχνολογία υπερύθρων, δεν είναι δυνατόν να διεισδύσει σε μεγάλα βάθη (φτάνει μόνο μερικά mm). Αυτό φυσικά είναι ένας από τους κύριους περιορισμούς αυτής της τεχνικής. Ένας ακόμα περιορισμός είναι οι περιβαλλοντικές συνθήκες παίζουν σημαντικό ρόλο στις εξωτερικές θερμογραφικές έρευνες με υπέρυθρες, όταν χρησιμοποιούμε την παθητική προσέγγιση.

Εφαρμογές Η χρήση της υπέρυθρης θερμογραφίας φαίνεται να είναι συχνή κυρίως για ερευνητικούς σκοπούς. Ένα παράδειγμα είναι η χρήση σε κελύφη αεροσκαφών όπου, ο στόχος είναι να μελετηθεί η ικανότητα παλμικής θερμογραφίας για τον εντοπισμό σημείων αγκύρωσης κάτω από την εξωτερική επιφάνεια της δομής των αεροσκαφών, για τη διευκόλυνση της αυτόματης γεώτρησης και στερέωσης. Αργότερα διευρύνθηκε η ικανότητα παλμικής θερμογραφίας να ανιχνεύει την στερέωση κάτω από την επιφάνεια και πλέον προσφέρει και πληροφορίες σχετικά με τη θέση της. Άλλη χρήση της είναι για την αξιολόγηση ελαττωμάτων κάτω από σύνθετα επιθέματα σε επιφάνειες, για να συμβεί αυτό λαμβάνονται υπόψην χαρακτηριστικά και θερμικές ιδιότητες των υλικών που ερευνούνται. Επιπλέον, εξετάστηκε η επίδραση της θερμικής αντίστασης σε επαφή αλλά και πως επηρεάζεται από το διάκενο αέρα μεταξύ των επιφανειών. Για το λόγο αυτό, τα μοντέλα εκτελέστηκαν χρησιμοποιώντας διαφορετικές τιμές διακένου αέρα όπως 1, 10, 50 και 100 μm, καθώς και με την τέλεια επαφή μεταξύ των δύο επιφανειών (μηδενικό διάκενο αέρα). Για τα μοντέλα χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές παράμετροι χρόνου θέρμανσης. Επομένως, από τα ληφθέντα αποτελέσματα φάνκε ότι είτε πειραματικά ή με τη χρήση θερμικής μοντελοποίησης είναι δυνατόν να εκτιμηθεί (ποιοτικά και ποσοτικά) με μεγάλη ακρίβια η επιφανειακή αποκόλληση σε σύνθετα υλικά. Συνολικά τρία δείγματα δημιουργήθηκαν και εξετάστηκαν χρησιμοποιώντας το κιτ θερμογραφίας. Σε ορισμένες περιπτώσεις λόγω της πολυπλοκότητας των εξεταζόμενων δειγμάτων, χρησιμοποιήθηκαν επίσης εξωτερικές πηγές θερμικής διέγερσης. Επίσης παρατηρήθηκε, ότι ενώ τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα σχετικά με το μέγεθος του ελαττώματος που ανιχνεύθηκε, επιτεύχθηκαν σε ιδιαίτερα σύντομους μεταβατικούς χρόνους, οι υψηλότερες αντιθέσεις στις εικόνες ήταν αποτέλεσμα των μεγαλύτερων χρονικών διαστημάτων. Πιο συγκεκριμένα στις εφαρμογές, δεδομένου ότι η θερμική αγωγιμότητα στα παραδείγματα τριών δειγμάτων που αναλύθηκαν ήταν σχετικά χαμηλή, τα δείγματα ελέγχθηκαν χρησιμοποιώντας έναν σχετικά χαμηλό μέγιστο ρυθμό καρέ (15 Hz) με εξαίρεση τον έναν σωλήνα που παρουσίαζε ζημιά πρόσκρουσης, όπου απαιτείται υψηλότερος ρυθμός καρέ (60 Hz). Επιπλέον, για να αποφευχθεί η υψηλή ανακλαστικότητα των σωλήνων κατά τη διάρκεια της έρευνας και έτσι να καταγραφούν θερμικές εικόνες, τα δείγματα είτε βαμμένα με μαύρο χρώμα με βάση το νερό ή ακόμη και γυαλίστηκαν με εφαρμογή μιας ασημένιας στιλβωτικής ουσίας (δηλ. Silvo).

Συμπεράσματα Η χρήση της θερμογραφίας έχει εμφανιστεί τα τελευταία χρόνια ως μέσο για την αξιολόγηση υλικών. Τα πλεονεκτήματά της είναι ότι είναι μια ταχεία τεχνική απεικόνισης, που μπορεί να φέρει αποτελέσματα για μεγάλες περιοχές, χωρίς επαφή, που παράγει εικόνες που έχουν χαρακτηριστικών για τις διαφορές που παρουσιάζονται σε μια επιφάνεια, δηλαδή υποεπιφάνειες (ασυνέχεις, ελαττώματα), που καθυστούν πιο απλή και με μεγαλύτερια ακρίβεια την ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Σε αυτήν την εργασία, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές θερμογραφίας σε διαφορετικά υλικά - εφαρμογές. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η τεχνική παρείχε άμεσα αποτελέσματα. Παρ 'όλα αυτά, η θερμογραφία είναι μια τεχνική ανάλυσης επιφάνειας, της οποίας όμως η αποτελεσματικότητα μειώνεται όσο μεγαλώνει το πάχος του υλικού της δοκιμής. Εξαρτάται επίσης από τις θερμικές ιδιότητες του υλικού (διαφορετική συμπεριφορά μεταξύ υψηλών θερμικών αγώγιμων υλικών, όπως μέταλλα και χαμηλότερων θερμικών αγώγιμων υλικών όπως σύνθετα υλικά). Το μέλλον λοιπόν, και οι πολλές δοκιμές θα δείξουν ακριβώς τα πεδία που η θερμογραφία είναι πλεονεκτεί σαν εφαρμογή στην ανάλυση πολυεπίπεδων υλικών.