2. Термография. Теоретические основы тепловизионной диагностики аудиовизуальной техники
2.1 Термография. Физические основы и элементная база теплового неразрушающего контроля
В тепловых методах неразрушающего контроля (далее ТНК) используется тепловая энергия, распространяющаяся в объекте контроля. Температурное поле поверхности объекта является источником информации об особенностях процесса теплопередачи, которые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних или наружных дефектов, а также от окружающих условий в которых проводится термография. Под дефектом при этом понимается наличие пар трения с повышенной температурой, неоднородность материала, скрытых раковин, коррозии, полостей, трещин, непроваров, инородных включений, плохих контактов электрических цепей, дефекты ограждающих конструкций и т.д., всевозможных отклонений физических свойств объекта контроля от нормы, наличия мест локального перегрева (охлаждения) и т.п. Иногда места перегрева и охлаждения называют «температурными пятнами». Все эти понятия преподаются на учебном курсе компании BALTECH (ТОР-104 «Основы термографии», расписание на нашем сайте).
Основной характеристикой температурного поля, являющейся индикатором дефектности, служит величина локального температурного перепада. Координаты места перепада температур, его рельеф или, иными словами, топология температурного поля и его величина в градусах являются функцией большого количества факторов. Эти факторы при термографии можно разделить на внутренние и внешние. Внутренние факторы определяются теплофизическими свойствами контролируемого объекта и дефекта, а также их геометрическими параметрами. Эти же факторы определяют временные параметры процесса теплопередачи, в основном, процесса развития температурного перепада. Внешними факторами являются характеристики процесса теплообмена на поверхности объекта контроля (чаще всего величина коэффициента конвективной теплоотдачи), мощность источника нагрева и скорость его перемещения вдоль объекта контроля.
Основным информационным параметром при термографии и ТНК является локальная разность температур между дефектной Та и бездефектной Тв областями объекта. Знак перепада зависит от соотношения теплофизических свойств дефекта и изделия и исследуемой поверхности. При нагреве изделий, содержащих дефекты, плохо проводящие тепло (типа газовых включений), перепад положителен для поверхности, подвергнутой нагреву (т.е. место дефекта характеризуется локальным повышением температуры), и отрицателен для противоположной стороны. В случае дефекта, проводящего тепло лучше основного изделия (металлические вкрапления), знак перепада изменяется на обратный.
Временной ход перепада характеризуется кривой с максимумом. Это заставляет в каждом конкретном случае оптимальным образом выбирать момент регистрации температурного перепада. Величина t зависит от тепло- и температуропроводности изделия и дефекта и глубины залегания дефекта.
Момент наступления максимального перепада и глубина залегания дефекта обычно связаны линейной зависимостью, причем угол наклона соответствующей прямой зависит от теплофизических свойств изделия и дефекта. Чем более теплопроводно изделие, тем меньше величина t. В зависимости от типа материала и глубины залегания дефекта величина t металлов колеблется от долей секунд до десятков секунд, для неметаллов она может составлять десятки минут.
Увеличение мощности нагревателя и уменьшение интенсивности теплообмена приводит к росту уровня нагрева изделия и лучшему выявлению дефектов при термографии, но мы рекомендуем для испытаний взять термограф BALTECH TR-0140 c увеличенной матрицей регистрации теплового поля.
В основе аналитического решения задач активного теплового контроля (термографии) лежит уравнение теплопроводности. Пусть, например, в объекте контроля существует поле температур Т (t, х, у, z), зависящее от времени и координат (х, у, z). Компоненты системы могут двигаться со скоростью, составляющие которой по координатам равны Wx, Wy, Wz. Параметры сред постоянны. В пространстве расположены источники тепла, задающие плотность теплового потока q.
Процесс переноса тепла в среде за счет теплопроводности и конвекции характеризуется известным дифференциальным уравнением.
В результате можно определить распределение температур на объекте контроля в зависимости от его формы, размеров, наличия дефектов. Обычно при термографии и ТНК скорость объекта контроля мала и конвекцией можно пренебречь.
Решение упрощается, если принять некоторые допущения. Например, в стационарном режиме. В случае быстрых изменений температуры, когда объект контроля не успевает полностью прогреваться, анализ уравнения выполняют с учетом производной по времени.
Существуют следующие способы активной термографии и теплового контроля изделий:
1. Кратковременный локальный нагрев изделия с последующей регистрацией температуры той же (при одностороннем контроле) или противоположной области (при двустороннем контроле). По истечении некоторого времени (чтобы изделие успело остыть) переходят к следующей точке и т.д. Так будет пройдена вся поверхность изделия, причем измеренная температура дефектных областей будет существенно отличаться от температуры бездефектных участков при термографии.
2. Термография с использованием сканирующей системы, состоящей из жестко закрепленных друг относительно друга источника нагрева и регистрирующего прибора (например, радиометра BALTECH), перемещающихся с постоянной скоростью вдоль поверхности образца.
3. Одновременный нагрев поверхности образца вдоль некоторой линии с последующей регистрацией температуры вдоль той же линии (при одновременном контроле) или вдоль аналогичной линии с противоположной поверхности образца (при двустороннем контроле). Этот метод называют продольной термографии.
4. Одновременный нагрев всей поверхности образца и последующая одновременная регистрация температурного распределения на этой же или на противоположной поверхности. Подобный способ термографии может быть осуществлен при помощи любой модели тепловизора: BALTECH TR-0110-ZERO, BALTECH TR-0110 или BALTECH TR-0150.
Эффективность выявления дефектов каждым из описанных способов теплового контроля (термографии) уменьшается от первого к четвертому, а производительность – возрастает. Для тепловизионной диагностики аудиовизуальной техники в силу объективных причин (простота эксперимента, информативность теплограмм) в данной работе в экспериментальной части применяются пассивные методы термографии и ТНК.