Termografická metóda diagnostiky kompozitných materiálov

Infračervená termografia sa používa pre NDT testovanie leteckých komponentov už niekoľko rokov. Hlavnou výhodou termografie ako NDT techniky spočíva v možnosti kontroly veľkých plôch rýchlo a bezpečne bez nutnosti prístupu k obom stranám skúšaného objektu. Avšak termografia má nevýhodu v detekcii relatívne plytkých defektov [1, 2].

História a nedávne pokroky

Napriek dlhej histórií tepelnej kontrolnej metódy NDT, potenciál termografie ako metódy pre širokú oblasť NDT sa začal využívať len nedávno. Pred rozvojom infračervených kamier bola táto metóda používaná ako sekundárna metóda na podporu röntgenovej a ultrazvukovej metódy. Avšak, v dôsledku významných pokrokov vo vývoji infračervených kamier a softwaru pre spracovanie signálu sa termografia stala samostatne používanou NDT metódou. Napríklad po havárii raketoplánu Columbia v roku 2003, NASA začal

Obrázok 1: Termografická kontrola nábežnej hrany krídla raketoplánu (Zdroj:[5])

V 60tych rokoch bola termografická kontrola oveľa prácnejšia, pretože neboli k dispozícii výkonné infračervené kamery pre snímanie teploty povrchu testovaných materiálov ako je tomu dnes. Testovanie bez týchto kamier vyžadovalo testovaný objekt natrieť špeciálnym tepelno-citlivým náterom. Tento náter bol potrebný k tomu aby mohol byť testovaný objekt odfotografovaný s konvenčným fotoaparátom, pre získanie trvalého záznamu pre analýzu. Prístroj zvaný evaporograf, ktorý slúžil na zobrazenie žiarenia testovacieho objektu bol taktiež nevyhnutný pre testovanie. Tento spôsob testovania bol veľmi zdĺhavý a mal obmedzenú tepelnú citlivosť. Okrem toho musel byť testovaný objekt pre dosiahnutie maximálneho rozsahu tepelného spektra zahriaty na extrémne teploty. Toto boli hlavné dôvody obmedzeného použitia termografickej metódy.

Od konca 70tych rokov sa infračervené kamery (obr.2) začali používať ako primárne senzory pre všetky termografické NDT systémy. Základný princíp modernej termografie je tepelne rozrušiť vzorku zohriatím alebo ochladením, a potom sledovať zmeny povrchovej teploty pomocou infračervenej kamery. Tento postup sa príliš nelíši od predchádzajúcej praxe, ale kvalita termografického zobrazenia sa výrazne zlepšila. Spolu zo zlepšením infračervených kamier sa zaviedla termografická rekonštrukcia signálu (TSR) ako primárny spôsob spracovania a interpretácie termografických dát, čo viedlo k zlepšeniu rozlíšenia a spoľahlivosti zachytenia rôznych defektov. TSR (obr.3) je technika spracovania signálu založená na princípe termálnej difúzie. Každý pixel zachytený infračervenou kamerou je považovaný za individuálny časový úsek chladnutia určitej časti testovanej vzorky. Každý pixel môže byť prevedený do vzorca, ktorý je následne použitý k nájdeniu špecifických vlastností skúmaného materiálu [3, 4, 5].

Obrázok 2: Infraćervená kamera (Zdroj:[3])

Obrázok 3: Termografické hodnotenie vzorky pomocou TSR (Zdroj:[4])

Princíp testovania

Infračervená termografia je založená na poruchách zdieľania tepla testovaného objektu sálaním. Termokamera sníma infračervené žiarenie z povrchu sledovaného objektu a transformuje reliéf tepelného poľa na viditeľný obraz. Do objektívu kamery prichádza žiarenie z troch zdrojov, a to žiarenie z povrchu objektu snímaného, žiarenie okolia odrazené snímaným povrchom a žiarenie prostredia medzi snímaným povrchom a kamerou. Prenos tepla radiáciou sa nachádza v rozmedzí vlnových dĺžok 0,75 μm do 1000 μm. Pre obmedzenie chýb, vzniknutých absorpciou radiačnej energie vzduchom, pracujú termokamery na obmedzenom pásme vlnových dĺžok, najčastejšie 8 – 12 μm.

Z hľadiska fyziky radiácie ja väčšina bežných povrchov šedých, emisivitou menšou ako 1. Emisivita je miera vyžarovania tepla z povrchu telesa. Materiály s čiernym povrchom majú vysokú emisivitu, materiály s lesklým povrchom naopak nízku, preto je testovanie lesklých povrchov touto metódou nevhodné.

Ďalšou dôležitou tepelnou vlastnosťou materiálov, ktorú treba zvážiť pri aplikácii termografickej metódy je tepelná vodivosť. Tepelná vodivosť je definovaná ako čas, za ktorý teplo prejde objektom. Preto pre materiály ktoré majú vysokú vodivosť je nutné použiť rýchlostné infračervené kamery pre zachytenie tepelného obrazu.

Infračervenú termogriafiu môžeme rozdeliť z hľadiska prístupu na dve skupiny, a to pasívnu a aktívnu. Pasívna sa používa vtedy ak má skúšaný objekt prirodzene rozdielnu teplotu od okolia a aktívna keď musíme použiť vonkajší podnet k navodeniu potrebného tepelného kontrastu.

Obrázok 4: Infaćervené elektromagnetické spektrum (Zdroj:[1])

V moderných aktívnych termografických systémoch sa testovaný objekt zahrieva presne meranými svetelnými impulzmi z výbojky. Infračervená kamera sa používa pre pozorovanie dát povrchovej teploty ako nepretržitého toku obrázkov. Tieto obrázky sú potom spracované s použitím špeciálneho algoritmu, ktorý umožňuje detekciu a meranie vlastností, ktoré nie si zistiteľné priamym zobrazením videa z kamery [3,4].

Obrázok 5: Termografcký snímok listu turbíny s hrúbkou stien (Zdroj:[3])

Výhody termografickej metódy

• Rýchle pokrytie veľkých plôch
• Bezkontaktná metóda
• Možno použiť aj na zlé prístupné časti
• Výsledky testu môžu byť archivované
• Cena zariadenia na testovanie
• Slabá rozlišovacia schopnosť tenkých materiálov
• Slabá detekcia povrchových defektov

Nevýhody termografickej metódy

Termografická NDT metóda sa vďaka technologickému pokroku stala spoľahlivou a bežne používanou metódou. Dnešná termografia už nevyžaduje subjektívnu interpretáciu výsledkov alebo kvalitatívne rozhodnutia inšpektora, aby priniesla výsledky. Počas niekoľkých posledných rokov vývoja, termografická rekonštrukcia obrazu a aplikácia automatizovaných strojov do termografického NDT procesu viedla k ďalšiemu zlepšeniu. Budúcnosť termogrfickej kontroly vyzerá sľubne a naďalej rastie jej využívanie v rôznych priemyselných odvetviach [1].

Zdroje:

[1] Forsyth, D., H. Yolken, G. Matzkanin, “TechSolutions 1: A Brief Introduction to Nondestructive Testing,” AMMTIAC Quarterly, Vol. 1, No. 2, 2006, pp. 7-10.

[2] Lane, R., “Material EASE: Sensors and Sensing Technologies for Integrated Vehicle Health Monitoring Systems,” AMPTIAC Quarterly, Vol. 8, No. 3, 2004, pp. 11-15.

[3] Shepard, S., “Understanding Flash Thermography,” Materials Evaluation, May 2006, pp. 460-464.

[4] Shepard, S., “Thermography of Composites,” Materials Evaluation, July 2007, pp. 690-696.

[5] “Case Study: NASA Return to Flight Program,” Thermal Wave Imaging, Inc., 2006.

Článok bol recenzovaný redakčnou odbornou radou.

DISKUSIA