RAKK 2019: RONCSOLÁSMENTES ANYAGVIZSGÁLAT AKTÍV TERMOGRAFIÁVAL

Eric Rahne, okl. villamosmérnök, igazságügyi szakértő, 3-as szintű akkreditált termográfiai szakértő (Termograph Level3) (PIM Kft.)

ÖSSZEFOGLALÁS A termográfia az egyik leguniverzálisabb, legel­terjedtebb vizsgálati eljárás. Ezen belül növek­vő gyakorisággal találkozunk az aktív termo­gráfiával, mely pl. roncsolásmentes anyagvizs­gálatot is lehetővé teszi. Az aktív termográfia esetében a mérési eredményének eléréséért cél­zottan közlünk energiát a tárgyal. Lehetőségei pedig a mérések matematikai értékelésében rejlenek a megnövelt termikus felbontás és az emisszió-tényezőtől való függetlenség révén. 1. BEVEZETŐ A termográfia mára az egyik legsokoldalúbb, legelterjedtebb vizsgálati eljárás - nemcsak az iparban, hanem a kutatás-fejlesztésben is. Az alkalmazások zöme a passzív termográfiához sorolható. Egyre növekvőbb gyakorisággal találkozunk aktív termográfiával is, ami roncsolásmentes anyagvizsgálatra is lehetőséget ad. Azokat a termográfiai méréseket/eljárásokat soroljuk az aktív termográfiához, melyek esetén a mérési eredményének elérése érdekében célzottan közlünk energiát a mérendő tárggyal. E közben teljesen mintegy, hogy ezt milyen energiaátadás formájában,  elektromágneses hullámokkal (fény illetve hősugárzással) vagy konvekció révén, esetleg mechanikus módon (például ultrahanggal)  tesszük. Az aktív termográfia lehetőségei pedig a mérési eredmények  matematikai feldolgozásában rejlenek. A matematika alkalmazásával egyrészt akár egy nagyságrenddel kisebb  hőmérséklet-különbségek is kimutathatók, mint amire az alkalmazott hőkamera képessége (NETD értéke) lehetőséget adna. Másrészt minden (az előadásban bemutatásra kerülő) matematikai  kiértékelő eljárás eredménye független a tárgyfelület emissziós  tényezőjétől. Ez főleg különböző emissziós tényezőjű   tárgyfelületek egyidejű jelenléte esetében jelent felbecsülhetetlen  előnyt. 2. AKTÍV TERMOGRÁFIA ELJÁRÁSOK2.1. Átvilágítási módszer (transzmissziós hő) Vékony, jó hővezető anyagok esetében jó eredményekre számíthatunk e módszer alkal­mazásával. Mivel a tárgy hátoldaláról történik az energiabevitel, majd az elülső, a megfi­gyelési oldal felületén regisztráljuk az energia­bevitel hatására bekövetkező hőmérsékleteket illetve hőmérséklet-változásokat, az anyagon belüli inhomogenitások okozta hővezetési ké­pesség-eltérések a megfigyelési oldalon eltérő hőmérsékletekhez vezetnek. Nem csak a hőmér­séklet csúcsértékekben várható különbség, ha­nem a hőmérsékletválasz megjelenésének idő­pontja szerint is.

2.2. Rávilágításos eljárás (hőelvezetés) Ezeknél az eljárásoknál az energiabevitel a megfigyelési oldalról történik. Alkalmazása tehát akkor javasolt, ha felület-közeli hibákat akarunk felfedezni gyengén hővezető vagy éppen kifejezetten vastag anyagokban. Az eljárástól függően vagy az energiabevitel hatására bekövetkező felületi hőmérsékleteket illetve hőmérséklet-változásokat érzékeljük az emittált sugárzás alapján, vagy a felületen reflektált sugárzás érzékelésére fektetjük a hangsúlyt.

2.3. „Belső gerjesztésű” hőhatás mérése Mivel az energiát a tárgy belsejébe juttatjuk, a mérési elrendezés a szükséges hőhatást kiváltó energiaforrás kialakításától függően leginkább az átvilágításos eljárás mérési elrendezéshez hasonlítható. A gerjesztés lehet bármilyen elek­tromos vagy mechanikai folyamat, mely a tárgy belsejében hőt képes gerjeszteni. A hibahely fizikai sajátságától függően a hozzá közeli felületen mérhető hőmérséklet akár alacso­nyabb, akár magasabb is lehet.

3. ENERGIABEVITELI LEHETŐSÉGEK Ahhoz, hogy az aktív termográfiához szükséges hőmérséklet-változásokat előidézzük, megfelelő időpontban kellő mértékű, de nem túl nagy energiát kell közölnünk a bevizsgálandó tárgy­gyal. A mérendő tárgy tulajdonságaira és a szükséges energiamennyiségre való tekintettel ehhez különféle eszközöket szokás alkalmazni. Az energiaközlés külső vagy belső gerjesztést jelent. A külső gerjesztés besugárzás (hő ill. fény) vagy konvekció, a belső pedig közvetlen villamos, indukciós, vagy mechanikai lehet. A leginkább megfelelő energiaforrás kiválasz­tásának elsődleges szempontja, hogy minél kisebb, de célzott energiabevitellel lehessen elérni azt az energiaszintet, mely az aktív ter­mográfiai megfigyeléshez szükséges hőmér­séklet-változásokat idézi elő.

4. AZ AKTÍV TERMOGRÁFIA ELMÉLETE Kezdjük azzal a kérdéssel, hogy mitől más az aktív termográfia, mint a passzív termográfia? A passzív termográfia sok esetben állandósult, statikus vagy kvázi-állandósult termikus álla­potokból indul ki, mint ahogy például az épületek hőszigetelésének felmérése esetében látjuk. A méréseknél kihasználjuk a tárgy saját hőmérsékletét, hőtermelését vagy hőkapaci­tását. A folyamatokat figyelése közben viszont könnyen észrevehetjük, hogy nagyon sok ter­mikus folyamat inkább dinamikusnak mond­ható. Mechanikus vagy elektromos jelenségek­hez képest legfeljebb nagyon hosszú az idő­állandója. Hogy milyen hosszú? Egy jó boros­pincének például olyan vastag a földrétege, hogy a nyári meleg éppen a hideg tél idején jut le a boltozatig. Mivel a teljes elméleti háttér tárgyalása egy húszperces előadás során lehetetlen, csak a két leggyakoribb gerjesztési móddal és annak matematikai kiértékelésével foglalkozunk a következőkben. 4.1. Gerjesztés hőmérséklet-szinuszhullámmal A tárgyra ható szinuszos hőmérséklet-változásos gerjesztés esetében a hővezetési egyenlet egy extrém erősen csillapított - távol­ság mentén terjedő, időben változó - hőmér­séklet-hullám választ ad. A hőmérséklet-hullám terjedési egyenlete szinuszos gerjesztés esetében: képlet (1) Jelmagyarázat: ϑ ... hőmérséklet (idő- és helyhez kötött) [°C] c ... fajhő [J/kg ·K] ρ ... fajsúly [kg/m3] λ ... hővezetési tényező [W/m ·K] s ... hőmérséklet-hullám mélysége [m] ω ... az energiabevitel körfrekvenciája

A szinuszos gerjesztés feltételezése mellett a termikus behatolási mélység (µ) egyenlete pedig: képlet (2) Mivel az (1)-es egyenletben szereplő csillapítás (második szorzó) messze nagyobb, mint maga a hullámformára utaló tényező, a hőmérséklet-hullám térben és időben elkenődik / eltűnik. Matematikai szakmai elnevezéssel élve: a jelen­ség aperiodikus. Az előzőek alapján pedig értelmezhető a hőmérséklet-gerjesztés révén még számot­tevően befolyásolható maximális mélység. Egy egységnyi µ (behatolási mélység) értékű anyagmélységben (s) már csupán a gerjesztési hőmérséklet egyharmada (pontosan: 37%-a) keletkezik. Ha a felületi hőmérséklet 10%-os értékét vesszük küszöbértéknek, akkor kapjuk az ehhez tartozó, termikus behatolási mélység gyakorlati „határértékét” (µ10%): képlet (3) 4.2. Gerjesztés hőmérséklet-impulzussal Ha a szinuszos hőmérséklet-ingadozás helyett egy hőmérséklet-impulzus jelformájú gerjesz­tést választunk, akkor a hőmérséklet-hullám szinusz-gerjesztésre kifejtett matematikai mo­dellje a következőképpen módosul:

képlet (4) Jelmagyarázat: ϑ ... hőmérséklet (idő- és helyhez kötött) [°C] Θ ... bevitt energiamennyiség [J] b ... hőabszorpciós anyagjellemző [W√s/(m2 ·K)] α ... hőmérséklet-terjedési tényező [m2/s] s ... hőmérséklet-hullám mélysége [m] t ... impulzus óta eltelt idő [s] Mivel jelen esetben is a csillapítás messze túlhaladja a hőmérséklethullám értékét, a szinuszos gerjesztéshez hasonlóan most is becsülhető a maximális behatolási mélység. A korábbi gerjesztéshez hasonlóan feltételezett 10%-os felületi hőmérséklet-küszöbbel kapjuk most a következő becslést: képlet (5) A következő ábra magyarázattal szolgál a behatolással kapcsolatosan.

Az előző ábrákból felismerhető, hogy a hőmérséklet-csúcsértéke egy-egy adott mély­ségben csak egy (anyagtulajdonságoktól függő) idő után keletkezik. Az időpont a következő egyenlettel számolható ki: képlet (6) Jelmagyarázat: α ... hőmérséklet-terjedési tényező [m2/s] s ... hőmérséklet-hullám mélysége [m] t ... impulzus óta eltelt idő [s]

5. MATEMATIKAI KIÉRTÉKELÉS Az aktív termográfia mérési eredmények mate­matikai feldolgozása és értékelése többféle­képpen történhet. A legegyszerűbb módszer az abszolút hőmérsékletértékek értékelése minden­féle matematikai elemzés nélkül. Ez azonban se nem hatékony, se nem használja ki az aktív termográfiában rejlő lehetőségeket. Helyette a következő három módszert szokás alkalmazni: 5.1. Hányadosképzés alapú eljárás Ez a módszer a matematikailag legegyszerűbb. Csupán két hőképet kell rögzítenünk: egyet a melegítési folyamat elején, egyet pedig a végén. Annak érdekében, hogy a környezeti hőmér­sékletek, valamint a kiinduló állapot egyen­letlen hőmérséklet-eloszlása minél kevésbé befolyásolja a mérési eredményünket, a két értéket a folyamat teljes idejének első 1/10-e után, majd 9/10-e időpontjában célszerű rög­zítenünk. A két adatot pedig csupán osztani kell egymással. Mivel mindkét adat esetében a tárgyfelület emissziós értéke azonos, emissziós-érték független eredményt kapunk!

A számítás módja pedig hihetetlen egyszerű: képlet (7) 5.2. Impulzusgerjesztéses termográfia A tárgyunk egyetlen egy hőimpulzussal való gerjesztésre adott hőhatás-válaszát diszkrét Fourier-transzformációval vizsgálhatjuk meg a különböző frekvenciájú amplitúdókra és fázisokra. Ehhez N darab hőképet kell rögzítenünk, mely az n-edik (max. N/2 [Hz]) frekvenciára megvizsgálható a következő mate­matikai lépések szerint. Diszkrét Fourier-transzformáció az n-edik frekvenciára (pixelenként!): képlet (8) Jelmagyarázat: Fn ... n-edik frekvencia [Hz] N ... rögzített időjelminták száma ∆t ... mintavételezési időköz T .... hőmérséklet Ren ... valós számérték n-edik frekvencián Imn ... képzetes számérték n-edik frekvencián Az n-edik frekvenciájú amplitúdó-hőkép pixelei: képlet (9) Az n-edik frekvenciájú fáziskép pixelei: képlet (10) Fentiek alapján kiszámolt pixelenkénti adatok ismételten ábrázolhatóak a termográfiában szo­kásos színskálákkal. Gyakran a fáziskép jobban jeleníti meg az anyagok inhomogenitásait. 5.3. Szinuszgerjesztéses (Lock-In) termográfia A szinuszos gerjesztés esetén kézenfekvő, hogy az erre a periodikus gerjesztésre adott hőmér­sékletválaszt a Fourier-transzformációval az amplitúdó- és fáziskomponenseire elemezzük.

Amennyiben a referenciajel egy harmonikus jel (pl. szinusz), akkor kétcsatornás korrelációról beszélhetünk. Ilyenkor az amplitúdó és a fázis­szög korrelációja is kiszámolható. Az egyenlet: képlet (11) Jelmagyarázat: ϑmert ... mért hőmérséklet amplitúdója [°C] fref ... gerjesztés frekvenciája [Hz] φ ... fázisszög A hőkamerák diszkrét mintavételezésű adat­rögzítése miatt lép a fenti egyenlet helyébe a diszkrét Fourier-transformáció, ami alapján ki­fejezhető a következő korreláció-összefüggés: képlet (12) Jelmagyarázat: ϑkorr ... keresztkorrelációs hőmérsékletérték [°C] ϑmert(k) ... k-adik mintájú mért hőmérséklet [°C] ϑref(k) ... k-adik mintájú gerjesztés-hőmérséklet [°C] n ... rögzített minták száma Ha k → ∞ érvényesül, és a jelsorozat minta­vételezése pont a referenciajel frekvenciájára és fázisszögére kerül szinkronizálásra, akkor meg­felelő mintaszámmal nemcsak a gerjesztéssel való egyezőséget állapítható meg, hanem még egy igen zajos jelből is kiszűrhető a hasznos jel. A zajszűrés egyenlete: képlet (13) ahol: np = {1/a vagy a, a = pozitív egész szám} p = pozitív egész szám Jelmagyarázat: np ... periódusonként rögzített minták száma p ... periódusok száma

6. ALKALMAZÁSI PÉLDÁK6.1. Réteges szerkezetű műanyagok vizsgálata A réteges vagy szálerősítésű műanyagok minő­ségének, törésmentességének, homogenitásának roncsolásmentes ellenőrzése egyre fontosabb a repülő- és autóiparban. A hagyományos ultra­hang-, vagy röntgenvizsgálatok nem mindenre tudnak kellőképpen pontos választ adni, illetve alkalmazhatóságuk korlátozott. Az aktív termo­gráfia új lehetőségeket nyújt.

balra: „szokásos” hőkép impulzusos fázis-hőkép jobbra: hányadosképzés szinuszos fázis-hőkép 6.2. Repülőgép fékszárnyai bevizsgálása Az aktív termográfia egyik, mérőeszköz követelmény és matematikai kiértékelés szem­pontjából legegyszerűbb, alkalmazása a nagy utasszállító gépek fékszárnyainak ellenőrzése.

6.3. Hegesztések bevizsgálása, minősítése Akár hagyományos ponthegesztés vagy lézeres hegesztésről van szó, az ellenőrzés céljából a hegesztés helyére bejuttatott rövid energia­bevitel nyomán az ellenkező oldalon megjelenő növekvő hőmérséklet gyakorlatilag lerajzolja a hegesztés helyét és az összeolvasztott fémfelület alakját.

6.4. Szegecselések bevizsgálása, minősítése A következő példa az ultrahang-gerjesztésű aktív termográfia egy repülőgép-karbantartási alkalmazását mutatja be.

6.5. Gyors periodikus folyamatok mérése Amennyiben olyan termikus folyamatot kell rögzíteni, mely periodikus jellegű, viszont frekvenciája meghaladja a termográfiai rendszer képfrissítéséből adódó lehetőségeket, akkor is segítségre lehet az aktív termográfia. Ehhez csupán ki kell használni a Lock-In termográfia keresztkorrelációs értékeléséből adódó szűrő­hatást! A módszer életképességének bizonyí­tékát a következő képek szolgálják.

IRODALOM [1] Dr. Guido Mahler: Wärmefluss-Thermo­graphie mit Strahlungsanregung im VIS/IR-Bereich, InfraTec GmbH, Dresden, 2010 [2] Active Thermography - How to boost thermal accuracy… InfraTec GmbH, Dresden, 2014 [3] G. Busse: Lock-in Thermografie: Prinzip und technische Anwendungen, Uni Stuttgart (IKT-ZfP), VDI Expertenforum, 2010.04.13. [4] Rahne Eric: Termográfia - elmélet és gya­korlati méréstechnika, Invest-Marketing Bt., Budapest, 2018, ISBN 978-963-87401-6-8 Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.