Aktivní termografie a IRNDT

Jedním z významných zaměření odboru Termomechanika/Laserové technologie jsou metody aktivní termografie, jejíž součástí je i infračervené nedestruktivní testování materiálů (IRNDT). Jedná se o velmi moderní metodu pro inspekci povrchových vrstev a tenkých dílů z nejrůznějších materiálů.

Termovizní nedestruktivní testování komponent lze provádět na široké škále různých materiálů. Na termografickou inspekci materiálu je možné pohlížet jako na metodu infračervené defektoskopie, která je schopná odhalit vnitřní vady materiálu, např. trhliny, defekty, dutiny a další nehomogenity. Tyto termografické zkoušky lze provádět na jednotlivých dílech v laboratoři nebo přímo na technologických celcích v provozu.

Moderní experimentální systém, který je na našem pracovišti k dispozici, přitom rozšiřuje možnosti použití této techniky a díky své modularitě umožňuje její využití nejen pro vědecko-výzkumné aplikace, ale i pro moderní průmyslovou výrobu. Naše výzkumné centrum přitom může být partnerem pro analýzy, ověření možností, nalezení vhodných parametrů i implementaci měřicího systému v průmyslových firmách. Nabízíme možnost inspekce prototypových dílů a praktického ověření, že určitá konfigurace měřicího systému je vhodná pro danou aplikaci. Následně můžeme být partnerem při návrhu technického řešení a zajištění odladění technologického postupu měření.

Přehledové údaje o termovizním testování

Základní informace o infračerveném nedestruktivním testování. Jedná se pouze o informativní popis. Berte prosím v úvahu, že rozsah použití a hodnot parametrů se může lišit podle testovaného materiálu, metod excitace a vyhodnocení, konfigurace měření, požadavků aplikace apod.

  • Aktivní infračervená termografie je metoda založená na tepelné excitaci materiálu a sledování jeho odezvy infračervenou kamerou.
  • Metoda je používána pro zjišťování defektů a nehomogenit v materiálu, například trhlin, pórů nebo cizích těles.
  • Defekty a materiálové nehomogenity v testovaném objektu mohou být detekovány, pokud se jejich tepelné vlastnosti liší od vlastností základního materiálu.
  • Metoda může být obecně využívána pro off-line i on-line inspekci.
  • Zvýšení teploty testovaného objektu bývá obvykle v desetinách nebo jednotkách stupně Celsia (záleží na materiálových vlastnostech, velikosti objektu a metodě excitace).
  • Doba inspekce materiálu je obecně v rozmezí od několika sekund až po minuty (v závislosti na použité metodě). Nicméně ve speciálních aplikacích může měření trvat i desítky minut až několik hodin.
  • Je možné provádět inspekci materiálů s širokým rozmezím jejich tepelných vlastností.
  • Standardní maximální hloubka detekce je několik milimetrů. Detekce povrchových a podpovrchových vad je též možná.
  • Maximální prostorové rozlišení začíná obvykle na jednom milimetru. Prostorové rozlišení však závisí na použitém přístrojovém vybavení a dané aplikaci (může být lepší se speciálním zařízením, nebo horší při inspekci větších ploch).
  • Vyhodnocení je prováděné převážně vizuálně (osobou provádějící inspekci). Nicméně pro určité speciální aplikace mohou být vyvinuty algoritmy a metody pro automatické vyhodnocování.

Aktivní termografie

Schéma principu aktivní termografie.

Aktivní termografie využívá externí zdroj pro vybuzení měřeného objektu, tedy vnesení energie do tohoto objektu. Pro aktivní termografii a nedestruktivní testování lze použít různé budicí zdroje: např. laserový ohřev, flash lampy, halogenové lampy, elektrický ohřev, ultrazvukové buzení, vířivé proudy, mikrovlny a další. Pomocí externího zdroje lze měřený objet ohřát přímo, např. pomocí halogenových lamp nebo horkého vzduchu. Materiálové nehomogenity nebo defekty pak způsobí narušení tepelného pole. Toto narušení je pak detekováno jako teplotní rozdíly na povrchu materiálu. Jinou možností je využití tepelně-fyzikálních procesů v materiálu, kdy se mechanická nebo elektrická energie vlivem defektů a nehomogenit mění na tepelnou energii (např. ultrazvukové buzení). Vznikají tak lokální tepelné zdroje, které způsobují teplotní rozdíly detekované na povrchu materiálu pomocí termovizní techniky.

IRNDT

Schéma principu IRNDT.

Bylo vyvinuto množství způsobů vyhodnocení záznamu termovizní kamery při využití aktivní termografie pro nedestruktivní testování. Způsob vyhodnocení se liší podle druhu použitého budícího zdroje a podle typu buzení (pulzní, periodické, kontinuální). V nejjednodušším případě je odezva viditelná přímo na termogramu, ve většině případů je ale nutné využít vyspělejší analyzační techniky. K nejpoužívanějším metodám, které jsou k dispozici také na pracovišti ZČU-NTC patří Lock-In, pulzní a transient termografie. V některých případech lze využít i kontinuální buzení.

Pro IRNDT aplikace se standardně využívá vysokorychlostní chlazená termovize s vysokou citlivostí. Nicméně pokud to povaha aplikace dovoluje, lze na našem pracovišti otestovat a prověřit měřicí konfiguraci využívající nechlazené bolometrické termokamery. To může pro danou specifickou aplikaci významným způsobem snížit náklady na pořízení systému.

Systém pro IR nedestruktivní testování, který je k dispozici na pracovišti ZČU-NTC, je modulární. To znamená, že různé budicí zdroje mohou být kombinované s různými termovizními kamerami a různými metodami vyhodnocení, v závislosti na požadavcích aplikace, testovaném materiálu, požadavcích na čas měření, velikosti testované plochy apod. To umožňuje univerzální využití systému pro nejrůznější průmyslové i vědecko-výzkumné aplikace.

Lock-In termografie (metoda periodického buzení)

Pro buzení je použit modulovaný periodický zdroj. Vyhodnocují se fáze a amplituda měřeného signálu, které jsou analyzovány různými technikami. Vhodným budícím zdrojem jsou např. halogenové lampy, LED lampy, ultrazvuk nebo elektrický proud. Výhodou je možnost použití na velké plochy a nízké tepelné zatížení zkoumané součásti. Nevýhodou je delší čas měření a závislost možnosti detekce na geometrické orientaci defektů. Metoda Lock-In se více hodí na testování komponent s nízkou tepelnou difuzivitou a pro různé účely má mnoho modifikací (např. Lock-In Ref, Lock-In Online apod.)

Pulzní termografie (metoda pulzu)

Pro vybuzení objektu je využit velmi krátký pulz, většinou v řádech jednotek milisekund, a je analyzován proces chladnutí objektu. Typické je využití např. flash lampy. Výhodou této metody je rychlost analýz a možnost odhadu hloubky defektu. Nevýhodou je omezená hloubka analýzy, omezení zkoumané plochy s ohledem na reálné výkony budicích zdrojů a závislost možnosti detekce na geometrické orientaci defektů.

Transient termografie (metoda tepelné vlny)

Buzení a vyhodnocení je principiálně stejné jako v případě pulzní termografie, délka pulzu je ale řádově delší. Oproti pulzní termografii není potřeba takových výkonů budicího zdroje, je možné analyzovat větší plochy a měření je kratší, než v případě Lock-In termografie. Citlivost metody je obdobně jako v případě pulzní termografie omezena geometrickou orientací defektů. Vhodný budicí zdroj pro tuto analýzu jsou např. halogenové lampy.

Kontinuální buzení

Nejjednodušší případ využitelný pouze v určitých aplikacích.