لایه محافظ هواپیما

کاربرد

کاربردهایی که در پائین بحث می شود مثالهایی در مورد چگونگی استفاده از روشهای گرمایی را بیان می کنند بمنظور سهولت تشریح مطالب، کاربردها را به طبقه بندی های زیر تقسیم می کنند.

·       دستگاه های سرد وگرم،کنترل فرآیند،نفوذمنابع،ناپیوستگی تورق وهفرات،

·       دستگاه های الکترونیکی، تحقیق

دستگاه های سرد و گرم: انواع متعددی از دستگا ه ها وجود دارند که برای هدایت یا تولید گرما حین عملیات بکار رفته و کاندیداهای خوبی برای روش ترموگرامی هستند.کانالهای گرمایشی، خطوط بخار، رادیاتورها، تبادلگر حرارت، سیستم های خروجی/ لوله اگزوز و سیستم های سردساز، دستگاه های انتقال حرارتی هستند که از تکنیک های بازرسی حرارتی هم می توان حین بازرسی های دوره ای برای تشخیص نشتی، مجاری مسدود شده و عایقکاری ناقص یا مفقود بکار برد. کوره ها، اجاقها (آونها)،حمام های نمک، اتوکلاو ها، محل واکنش و دستگاه ساخته شده داغ( مانند دستگاه های پرس و آسیابهای غلتکی) نیز مانند بازرسی دوره ای بمنظور اتلاف حرارتی غیرضروری هستند. از تکنیکهای توموگرافی نیز برای بازرسی  مخازن تبرید

( برودتی) استفاده می شود. دستگاه های دیگر مانند یاطاقانها، طوقه لغزنده، ترمزها، آنتنهای انتقال و دستگاه های الکتریکی، حین عملکردشان حرارت تولید می کنند نواحی داغ متمرکز معمولاً نشانه نقص فنی مکانیکی یا الکتریکی بوده و شناسایی زود هنگام مهلتی را برای تعویض قطعات معیوب حین نگهداری برنامه ریزی شده منظم فراهم آورده تا اینکه خسارتی جدید بوقوع پیوندد.

کنترل فرآیند:

راههای بازرسی حرارتی مناسبی در مورد فرایند های خاصی که محصولات بالای دمای اتاق (به عنوان خروجی فرآیند) تولید می کنند راوجوددارد. مثالها عبارتند از پلاستیک های heat shaped heat – set بر قطعات فلزی چکش کاری شده داغ فرآیندهای اندودکردن داغ، و قطعات جوشکاری قطعات برای توان هنگام خروج ا زفرآیند بررسی کرد. دماهای غیرعادی فرآیندهای خارج از کنترل را نشان می دهد و تصحیحاتی بمنظور جلوگیری از تولید تعداد زیادی از قسمت های معیوب باید اتخاذ شود مثالی از روش کنترل فرآیند گرمایشی فعال تکنیکی برای وارسی ضخامت پوشش صفحات با استفاده از خواص جذبی   مادون قرمز است.

 نفوذ مایع

نفوذ آب یا سیال در ساختارهای لانه زنبوری مشکل مهمی در نگهداری هواپیما است. بررسی را باید فوراً بعد از پرواز بمنظور تشخیص چنین مایعاتی وقتی ساختار تا دمای اتاق گرم می شود انجام داد. نفوذ آب در سقف ها را می توان هنگام غروب وقتی که دمای محیط پائین می آید تشخیص داد. این روش برای شناسایی موفقیت آمینه نشست و رطوبت باقی مانده در عایق کاری گزارش شده است. سطح سیالات در مخزن مهرشده( محکم شده) را می توان از طریق ترموگرافی تعیین کرد. به این ترتیب که با گرم کردن یا سردکردن مخزن و سپس یادداشت محل تفاوت  معین درد دمای مخزن می توان این کار را انجام داد.

 ناپیوستگی / تورق و voids

تکنیک های تولید مدرن  به شدت به کاربرد اتصال در ساختار ها و پوششهای محافظ تکیه دارند. تکنیک های حرارتی نامزدهای مناسبی برای تشخیص شکستگی، تورق و جای خالی در لایه های نازک صفحات وجهی نازک لانه زنبوری و پوششهای محافظ می باشد، همچنانکه ضخامت نمونه افزایش می یابد بازرسی حرارتی کمتر مؤثر بوده که این امر به علت بزرگتر شدن عمق محتمل عیب و نقص می باشد. بازرسی حرارتی هنگامی که با ساختارای فلزی متصل سروکار داریم مانند آلومینیوم با چسب  متصل شده مشکل است.

 گرمایش تابشی آلومینیوم تا حدودی ناکارآمد است. زیرا جذب سطحی کم بوده و سیگنال حراری- نشری بعلت قابلیت نشر پائین کم است.

 به همین دلایل و همچنین برای دوری از نویز انعکاسی، قطعات آلومینیومی  معمولاً قبل از بازرسی حرارتی به رنگ سیاه در می آورند، بعلاوه نفوذ حرارتی بالا بالای آلومینیوم مستلزم تزریق حرارتی با توان بالا است( قبل از اینکه همسان شدگی حرارتی داخل ساختار برقرار گردد) که بتواند الگوی حرارتی مرئی تولید کند. با این وجود، محاسبه ساختارهای حرارتی آلومینیوم چسبیده در اقدام سریع بوسیله بازرسی حرارتی بویژه برای کاربردهای درون خطی جذاب است.

دو مثال زیر بازرسی حرارتی آلومینیوم چسبیده را بعد از رنگکاری سیاه بیان می کند. مثال 1: بازرسی حرارتی ورقه های آلومینیوم چسبیده شکل 7 شناسایی به وسیله پیکربندی عبوری راازورقه های    را که دارای نقص فقدان چسب در اتصالی که رویهم افتاده است با تقریب  ضخامت پوستر را نشان میدهد.

 قسمت های داغتر در چپ و راست تصویر حرارتی مشابه ماده تک لایه ای بوده که با سرعتی بالاتر از اتصال چسب گرم شده است. سرعت گرم کردن می بایست به قدر کافی سریع باشد تا جلوی نشر حرارتی عمده از تک ورقه داغ به نقطه چسب را بگیرد. ماسکهای سایه ای درست شکل داده شده در کناره لامپ را می توان بمنظور جلوگیی از بیش از حد گرم شدن تک لایه هنگامی که هندسی تکرر پذیر است بکار برد. گرمایش خطی و جابجایی پیکربندی نمونه نوع ذکرشده در مرجع 21 برای آزمایش پاسخ سریع اتصالات طولی بکار برده شده است. مثال 2: تکنیک موج حرارتی سرد برای بازرسی حرارتی ساختار آلومینیومی چسبیده کاربرد روشهای حرارتی برگشتی سریع هنگامی که با آنالیز ساختارهای پیچیده نشان داده شد در شکل 8 سروکار داریم مشکل است. در این حالت از روش موج حرارتی سرد استفاده شده که قبلاً تمام ساختار تماماً بصورت یکنواخت تا حدود   بالای محیط گرم می شود و جت هوایی برای سردکردن سریع سطح مورد بررسی بکار رفته است. تصویر حرارتی نشاندهنده ناحیه مرکزی نسبتاً گرمتری نسبت به باریکه چسبیده مشابه است( به صورت عمود در ترموگراف قرار گرفته است) ناحیه سردتر و باریکتر متناظر ناحیه متصل نشده بدون چسب است.

 وسایل الکترونیکی

نوعاً توسط فرآیند های بیش از حد گرم شدن موضعی، خوردگی یا اتصالات لحیمی ضعیف کار نمی کنند.

 میکروسکوپهای مادون قرمز بمنظور بازرسی میکروالکترونیکها برای بیش از حدگرم شدن و  اتصالات لحیمی مدار روی بورد بکار می روند. روشهای بازرسی حرارتی مطلوبتر حین سردشدن بعد از تولید یا عملکرد مداری بکار برده شده اند.نقایص سلولهای خورشیدی را به وسیله تکنیک های حرارتی مورد بررسی قرار می دهند.

 تحقیق چندین محقق از  گرمای تولیدشده به وسیله تغییر شکل دائم را برای مسیر یابی آغاز نقص در کشش بیش از حد و انتشار ترک در آزمایشات خستگی استفاده کرده اند. نمونه های قطعات تا حد شکست بارگذاری شده و تحت مطالعه حرارتی قرار گرفته و کوچکترین منشاء و انتشار تغییر شکل بررسی می شود.

 مقدمه ای بر تست گرمایی:

روش بازرسی به روش حرارتی شامل اندازه گیری و یا ترسیم دمای سطح در سیلان گرما از بین یک ماده است. در ساده ترین حالت اینکار را با استفاده از یک ترموکوبل انجام می دهیم. این نوع اندازه گیری در نقاط داغ مفید بوده و مانند یک بلبرینگ که در اثر سایش و اصطکاک شروع به داغ شدن می کند. در شکل های پیشرفته استفاده از سیستم گرمایی به ما اجازه می دهد که اطلاعات گرمایی بسرعت در یک محدوده وسیع جمع آوری شود( در حالت عدم تماس) این سیستم بعنوان یک وسیله اندازه گیری که سبب تولید تصاویر سیلان گرما به صورت روشن می شود این روش علاو بر سریع بودن مقرون به صرفه می باشد بعنوان مثال تصویر بالا یک نقشه حرارتی از پشت یک شاتل فضایی می باشد.

 روش گرمایی استفاده گسترده ای دارد که از آنجمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

 1- پلیس و ارتش برای دیده بانی در شب و کشتیرانی

2- نیروی امداد( آتشفشان برای جستجو و نجات)

3- استفاده در داروسازی برای وسایل خطایاب

4- صنعت، برای محاسبه انرژی

فرض اولیه، در این روش شارش گرما از سطح جامد که تحت تأثیر سیلان داخلی ناپیوستگی ها حفرات و یا آخال ها قرار می گیرد. استفاده از روش تصویرگرایی در صنعت برای کاربرد NDT مورد توجه مواد قرار گرفته است.

 تاریخچه

امروزه بازرسی انرژی گرمایی دیگر  مسئله بزرگی برای بشر نمی باشد. بعضی از منابع پاسخ خوبی در محدوده دمایی باندازه  میدهند که شخص همیشه قادر به بازرسی بوده است.  در ادامه پیشرفت های اندازه گیری که از اهمیت بیشتری برخوردار هستند توضیح داده می شود.

 ترمومتر:

 یونانیان باستان تصور داشتند که گرما توسط هوای آزاد جذب می شود. این اطلاعات برای توسعه ترموسکوپ ها استفاده می شد. مثلاً هوای محبوس در لامپ ها با تغییر سایز لامپ تغییر کرده و عکس العمل هوا افزایش و یا کاهش دما می باشد( جذب و دفع کردن) تصویر مقابل نشان دهنده اولین ترموسکوپ می باشد. در مرحله بعد ساختن ترمومتر در یک درجه از توسعه اندازه گیری و گزارش گرما بکار برده می شوند. در بعضی ازمنابع اختراع گالیله که شامل ترمومتر آبی در سال 1593 بود را بعنوان اولین ترومتر معرفی کرده اند که پایداری کمی دارد به همین دلیل اولین ترومتر به سال 1612 و توسط سانتوری اختراع شد در حالی که اولین ترومتر جیوه ای در سال 1714 طراحی شد.

  انرژی مادون قرمز:

 کاشف انرژی مادون قرمز در سال 1800 یک منجم به نام ویلیام هرسچل بود.

 همانگونه که می دانیم نور خورشید طیف تمامی رنگها را دارا می باشد. ویلیام می خواست رابطه بین رنگ و گرما را کشف کند. به همین منظور او این ابزار تجربی منظور گونه که سبب پخش طیف رنگها می شد استفاده کرد و بدین طریق با یک ترومتر لامپ گونه سیاه رنگ و به کمک تفاوت رنگها، دما را اندازه گیری کرد سپس دریافت که با تغییر رنگ از بنفش به قرمز دما افزایش می یابد و اصطلاح تشعشع گرمایی در رنج قرمز را اشعه مرئی نامید که امروزه به انرژی مادون قرمز شناخته می شود.

 ترموکوپل ها:

در سال 1821 توماس سیبک فهمید که جریانی از دو فلز غیرمشابه که در ماس با دماهای متفاوت هستند باعث انحراف قطب نما می شود و به  همین دلیل او معتقد بود که خاصیت مغناطیسی در اثر تقارن دمایی می باشد ولی خیلی زد فهمید که مسبب این پدیده جریان الکتریکی است . تفاوت دمایی باعث تولید ولتاژ که جریان الکتریکی را در مدار بسته کنترل می کند می شود که امروزه به نام اثرسیبک شناخته می شود اختلاف ولتاژ تولید ترمینال ها در مدار باز در دو فلز مختلف میکند( در دودمای متفاوت هستند). در تناسب مستقیم تفاوت دمایی بین دو قطعه سرد و گرم به صورت  نشان داده می شود که پایه فیزیکی ترموکوپلها براساس عدم وابستگی ولتاژ به

  است.

 آشکارساز گرمایی بدون تماس:

ترموپیل ها با تماس یک جفت ترموکوپل که به صورت سری بهم متصل هستند تولید می شود.  جذب تشعشع گرما بوسیله وصل شدن ترموکوپل که به نام اتصال اکتیو شناخته می شود سبب بالارفتن دما می شود.

 اختلاف دما بین اتصال اکتیو و اتصال مرجع تولید یک نیروی محرکه الکتریکی مستقیم می کند. این اثربه نام نیروی ترموالکتریکی شناخته می شود.

  ملوفی قادر به  کشف انرژی گرمایی خود به کمک یک ترموپیل حتی در فاصله 10 متری( 30 پایی) از خودش بود. آشکارساز ترموکوپل برای طیف سنجی، بازرسی شعله ای، نمایش دمایی و شماری از وسایل اندازه گیری دما( بدون تماس) بکار می رود.

 یک وسیله مشابه قادر به تغیییر تغییرات مقاومت الکتریکی توسط تغییر ولتاژ می باشد. این وسیله بنام بولومتر نامیده می شود که قادر به یافتن یک گاو به فاصله 305 متری( 1000 پایی می شود )

 اولین آزمایش با این آشکارساز در طول جنگ جهانی اول بود. آشکارساز سولفاید تالیم با تولید سیگنال هایی که در نتیجه عکس العمل مستقیم فتونهای مادون قرمز با سرعت و حساسیت بیشتری نسبت به سایر روشهای گرمایی کار می کرد. در طول جنگ جهانی دوم آشکارساز کوانتومی( فوتوکانداکتور) از این نتایج برای کاربردهای نظامی در زمینه های تعیین هدف، ردیابی، وسایل و ....ا ستفاده کردند.

 سیستم تصویری:

وسعت کاربرد این سیستم به جاسوسی  و تجاوز در طول جنگ ویتنام برمی گردد.

 مدت کمی بعد از آن کاربرد در فضا برای منابع طبیعی و نمایش عیوب و  همچنین در نجوم توسعه یافت. کاربردهای داخلی در آزمایشگاه تحت عنوان R & D level  جلوگیری از تعمیر استفاده می شود.

 اولین سیستم مناسب قابل حمل و نقل( سبک) برای کاربردهای NDT در سال 1970 تولید شد. این سیستم مجهز به یک آشکارساز خنک کننده و یک دستگاه کنترل کیفیت برای مطابقت با استانداردها است. اگرچه سیستم تصویری مادون قرمز و بسیاری از کاربردهای دارویی و صنعتی خیلی زود به طور وسیع مورد استفاده قرار گرفت. در اواخر سال 1980  نیروی نظامی آمریکا تکنولوژی هواپیمای focal (FPA ) را برای فروش عرضه کرد. این هواپیما به یک آرایش وسیع مجهز بود( در آشکارسازهای Semiconductors با حساسیت IR استفاده می شود) و استفاده آن مشابه دوربین CCD( وسیله شارژ کوپل است) این نتیجه سبب افزایش کیفیت تصاویر شد. با پیشرفت کامپیوتر برنامه های پردازش تصویر ها سبب جمع آوری و تفسیر داده ها می شود.

 حالت جریان پایدار:

انرژی حرارتی

 اولین قانون در ترمودینامیک از بین نرفتن انرژی و یا تغییر از یک حالت به حالت دیگر است. در اثر تفاوت دمایی بین دو منطقه و یا دو جسم انتقال گرما اتفاق می افتد. انتقال گرما از جسم گرم به جسم سرد تا موقعی که دمای تعادلی پایدار شود ادامه می یابد که این امر به قانون دوم ترمودینامیک مشهور است.

 مکانیزم های انتقال گرما:

 مکانیزم های انتقال گرما به سه طریق هدایت، همرفت(جابجایی) و تشعشع است. هدایت در جامدات و در دماهای پائین در سیلان رخ می دهد. در این حالت انرژی مولکول ها به مولکول های مجاور سردتر انتقال می یابد. همرفت در مایعات و گازها رخ داده و شامل حرکت جمعی مولکول ها و شامل اختلاط و حرکت و جنبش و جوش زیاد اتمها است. سومین راه انتقال گرما تشعشع الکترومغناطیسی انرژی می باشد. تشعشع بعلت عدم نیاز به سیلان در خلاء هم رخ می دهد. تشعشع الکترومغناطیسی در  حالتی اتفاق می افتد که الکترون با از دست دادن انرژی به مدار با انرژی پائین تر( پایدارتر) سقوط میکند. طول موج و شدت تشعشع مستقیماً به دمای سطح مولکولها و  یا اتم ها وابسته است. طول موج تشعشع گرمایی از 1/0 تا چند صدمیکرون می باشد. در تصویر زیر قسمت های فوق روشن به معنی عدم تشعشع گرمایی از مواد( در محدوده دید انسان) می باشد(  با مشاهده حرارت دهی تدریجی یک فولاد) با استفاده  از منبع گرمایی تشعشع گرمایی در قسمتی از نمد تغییر رنگ ملاحظه می شود.

 اگر شدت گرما باندازه کافی زیاد باشد بتدریج رنگ به قرمز تغییر می کند. قبل از تغییر رنگ در تشعشع یک طیف با فرکانس مادون قرمز از تشعشع الکترومغناطیسی که به صورت کاذب است برروی نمد آشکار می شود.

 IR ( تشعشع مادون قرمز) دارای طول موجی به بزرگی  ( بزرگتر از نور مرئی است) با کوچکترین طول موج به نقطه ای می رسیم که انسان قادر به تشخیص آن می باشد. یک دوربین مادون قرمز قادر به نمایان کردن انرژی مادون قرمز است. تصویری که در زیر نشان داده شده است نحوة ذوب شدن یک یخ مکعبی شکل را نمایان می  کند. با زیاشدن دما که در کنار تصویر نشان داده شده رنگ از ارغوانی برای نواحی سرد به قرمز برای نواحی گرم تغییر می نماید که این پدیده دریخ با جذب گرما از اطراف خود مشاهده می شود اصول اساسی برای تصویر مادون قرمز این است که هر ماده ای در بالای از خود انرژی مادون قرمز ساطع می کند.

هر ماده با جذب انرژی گرمایی گرم شده،  و از  خود انرژی مادون قرمز منتشر کرده که توسط   سنسورهای آشکارساز نمایان می شود مقدار انرژی ساطع شده مشخص کننده دمای ماده و راندمان نوسان نسبی تشعشع گرمایی است که به نام قابلیت نشر شناخته می شود.

قابلیت نشر:

یک جنبه بسیار مهم در تشعشع گرما موضوع قابلیت نشر بوده که قابل محاسبه است . این خاصیت به صورت اندازه گیری راندمان سطح در انتقال انرژی مادون قرمز است. یعنی نسبت انرژی گرمای منتشره بوسیله سطح به انرژی ساطع شده بوسیله جسم کاملاً سیاه در دمای مشابه. تابشگر سیاه فقط به صورت تئوری وجود داشته و به صورت جسمی درنظر گرفته می شود که کل انرژی را جذب نماید. پوست انسان( صرفنظر از رنگ پوست) بعنوان یک تابشگر سیاه که قابلیت نشر 98/0 دارد شناخته می شود.

 در یک ماده با قابلیت نشر کم اندازه گیری IR نشان می دهد که دما از دمای واقعی سطح کمتر است. به همین دلیل بیشتر سیستم ها و وسائل اندازه گیری قادر به انجام دادن و تعدیل نشر قبل از شروع اندازه گیری هستند. در بعضی مواقع اسپری رنگ، پودر و یا نقاط نشر برای پیشرفت قابلیت نشر استفاده می شود.