Thermography trong kỹ thuật là gì?

Phép ghi nhiệt, bao gồm phép ghi nhiệt hồng ngoại (IRT), ảnh nhiệt và video nhiệt, là một ngành khoa học ảnh nhiệt được sử dụng cho nhiều ứng dụng. Kỹ thuật này sử dụng máy ảnh nhiệt để phát hiện bức xạ trong dải hồng ngoại dài của phổ điện từ (khoảng 9.000–14.000 nanomet hoặc 9–14 µm) và tạo ra hình ảnh của bức xạ nhiệt này, được gọi là biểu đồ nhiệt.

Định luật bức xạ vật đen phát biểu rằng tất cả các vật thể có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối đều phát ra bức xạ hồng ngoại, nghĩa là có thể ‘nhìn thấy’ bằng phương pháp đo nhiệt độ mà không cần chiếu sáng bằng cách đọc các biến thể nhiệt độ. Khi nhiệt độ của một vật thể tăng lên, thì lượng bức xạ mà nó phát ra cũng tăng theo, điều đó có nghĩa là phép đo nhiệt độ có thể đọc được các biến thể trong phạm vi nhiệt độ.

Khi sử dụng máy ảnh chụp ảnh nhiệt, các vật thể ấm sẽ hiển thị trên nền mát hơn bất kể thời gian nào trong ngày, làm cho phép đo nhiệt trở nên hữu ích cho quân đội và camera giám sát. Phép đo nhiệt độ cũng có nhiều ứng dụng trong ngành y tế, bao gồm các mặt hàng như nhiệt kế hồng ngoại.

Thermography có thể được chia thành hai loại riêng biệt, thụ động và chủ động. Phương pháp ghi nhiệt thụ động sử dụng nhiệt độ tự nhiên của một bộ phận để tạo và chụp ảnh, trong khi phương pháp ghi nhiệt chủ động liên quan đến việc làm nóng bề mặt của vật thể và sau đó quan sát sự phân rã nhiệt khi nó nguội đi. Phương pháp ghi nhiệt tích cực cho thấy các sai sót trong vật liệu bằng các thay đổi về tốc độ phân rã nhiệt độ. Các quy trình thử nghiệm khác nhau trong kỹ thuật ghi nhiệt tích cực được triển khai để mang lại năng lượng cho mẫu vật được kiểm tra: ghi nhiệt xung, gia nhiệt từng bước, ghi nhiệt khóa và ghi vi anh.

Trong kỹ thuật, kỹ thuật ghi nhiệt được sử dụng như một phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) trong hàng không vũ trụ, quốc phòng và nhiều ngành công nghiệp khác để phát hiện các sai sót trong cấu trúc. Có thể kiểm tra các khu vực rộng lớn, kỹ thuật NDT này không yêu cầu tiếp xúc với đối tượng được kiểm tra và có thể làm nổi bật các khuyết tật bao gồm ăn mòn; rạn nứt; tách lớp; trái phiếu; độ lan tỏa; ảnh hưởng tiêu cực; độ ẩm xâm nhập; độ xốp; mỏng tường hệ thống và khoảng trống. Nó cũng có thể được sử dụng để kiểm tra các thiết bị điện và cơ khí dựa trên thực tế là hầu hết các bộ phận bị trục trặc sẽ cho thấy nhiệt độ tăng lên mà camera có thể đọc được.

Làm thế nào nó hoạt động?

Chụp ảnh nhiệt liên quan đến việc sử dụng các thiết bị tạo ảnh nhiệt, là những thiết bị tinh vi đo sự phát xạ tự nhiên của bức xạ hồng ngoại từ một vật được nung nóng để tạo ra ảnh hoặc video nhiệt. Camera hồng ngoại hiện đại có thể di động và dễ vận hành, có nghĩa là chúng có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Các vật thể phát ra năng lượng điện từ khi được nung nóng, với nhiều năng lượng được giải phóng khi nhiệt độ tăng. Năng lượng này được phát ra dưới dạng sóng truyền đi với tốc độ ánh sáng.

Mắt người phản ứng với ánh sáng khả kiến ​​trong khoảng 0,4 đến 0,75 micron, nhưng phần lớn các phép đo nhiệt độ hồng ngoại nằm trong khoảng từ 0,2 đến 20 micron. Thiết bị chụp ảnh nhiệt có thể tập trung năng lượng này vào máy dò giống như máy ảnh thông thường, ngoại trừ nó phản ứng với bức xạ hồng ngoại thay vì ánh sáng khả kiến. Hình ảnh này được thể hiện bằng các màu khác nhau để truyền tải thông tin về nhiệt độ.

Do năng lượng hồng ngoại được phát ra, truyền và phản xạ bởi một vật thể nên camera hồng ngoại sử dụng thuật toán để diễn giải dữ liệu nhằm tạo ra diễn giải chính xác về nhiệt độ hoạt động.

Điều này được giải thích trong công thức:

Công suất bức xạ sự cố = Công suất bức xạ phát ra + Công suất bức xạ truyền qua + Công suất bức xạ phản xạ

Công suất bức xạ tới là cấu hình khi được quan sát qua camera chụp ảnh nhiệt, công suất bức xạ phát ra là năng lượng cần đo, công suất bức xạ truyền qua là năng lượng đi qua vật thể từ một nguồn nhiệt ở xa và công suất bức xạ phản xạ là năng lượng được phản xạ từ vật thể từ một nguồn nhiệt ở xa. Điều này được gọi là trao đổi nhiệt bức xạ.

Khả năng phát xạ của một vật được gọi là khả năng phát xạ và khả năng hấp thụ bức xạ được gọi là khả năng hấp thụ. Các bề mặt gương, chẳng hạn như bề mặt kim loại, phản xạ bức xạ hồng ngoại. Điều này có nghĩa là máy ảnh nhiệt cũng sẽ thu năng lượng từ môi trường xung quanh và được phản xạ bởi bề mặt gương. Máy ảnh cũng sẽ cần tính đến năng lượng đi qua và được truyền bởi các vật thể trong suốt. Các điều khiển phát xạ tính đến các phản xạ và truyền này để tạo ra một biểu đồ nhiệt độ chính xác.

Máy chụp ảnh nhiệt cũng sẽ tính đến các yếu tố môi trường như làm mát từ gió để xây dựng biểu đồ nhiệt thường được hiển thị dưới dạng JPEG.

Thuận lợi

Có một số lợi thế cho nhiệt kế:

1. Giám sát các khu vực rộng lớn

Bởi vì phép đo nhiệt độ sử dụng hình ảnh trực quan nên nó có thể chụp và so sánh nhiệt độ trên một khu vực rộng lớn.

2. Giám sát đối tượng chuyển động

Kỹ thuật này cũng có thể được sử dụng để bắt các thẻ chuyển động trong thời gian thực.

3. Phát hiện lỗi trước khi hỏng hóc

Công nghệ ghi nhiệt có thể phát hiện sự xuống cấp của một bộ phận trước khi nó bị hỏng bằng cách chọn các khu vực có nhiệt độ cao hơn cho thấy có vấn đề.

4. Có thể tiến hành trong quá trình vận hành

Vì phép đo nhiệt độ không yêu cầu tiếp xúc vật lý với hệ thống, nên việc kiểm tra có thể được tiến hành trong điều kiện hoạt động đầy đủ, dẫn đến không có thời gian ngừng hoạt động và tổn thất sản xuất.

5. Lý tưởng cho các khu vực khó tiếp cận, nguy hiểm và ánh sáng yếu

Phương pháp không phá hủy này cũng có thể được sử dụng để quan sát và đo lường các khu vực nguy hiểm hoặc không thể tiếp cận, cũng như có thể phát hiện các vật thể trong khu vực tối.

6. Nhiều ứng dụng đa dạng

Phép đo nhiệt độ có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng, từ giám sát đường ống, trục và các bộ phận kim loại và nhựa khác, cho đến ứng dụng quân sự và y tế, chẳng hạn như trong vật lý trị liệu.

Hạn chế

Mặc dù có nhiều ưu điểm được cung cấp bởi nhiệt kế, nhưng vẫn có một số nhược điểm tiềm ẩn:

1. Thiết bị có thể đắt tiền

Mặc dù có sẵn các tùy chọn giá cả phải chăng, nhưng máy ảnh chất lượng cao nhất có thể đắt tiền. Điều này là do chi phí của các mảng pixel lớn hơn (1280 x 1024 so với giữa 40 x 40 và 160 x 120). Ít pixel hơn có nghĩa là chất lượng hình ảnh giảm, điều này có thể gây khó khăn cho việc phân biệt giữa các mục tiêu trong cùng một trường xem. Máy ảnh rẻ tiền hơn cũng có thể có tốc độ làm mới thấp hơn nhiều (5-15 Hz so với 180 Hz trở lên). Cuối cùng, có thể có sự khác biệt rõ rệt trong các phép đo bức xạ, với các máy ảnh rẻ hơn không thể tính đến độ phát xạ, khoảng cách, nhiệt độ môi trường và độ ẩm tương đối một cách hiệu quả, dẫn đến biểu đồ nhiệt kém chính xác hơn.

2. Khó Diễn Giải

Các mục có nhiệt độ thất thường có thể khó diễn giải, mặc dù hạn chế này được giảm bớt bằng hình ảnh nhiệt chủ động.

3. Ít chính xác hơn Phương thức liên hệ

Phép đo nhiệt độ không chính xác bằng các phương pháp tiếp xúc do hầu hết các máy ảnh có độ chính xác ±2% hoặc kém hơn trong phép đo nhiệt độ.

4. Khả năng phát hiện hạn chế

Các phương pháp và dụng cụ đo nhiệt độ được giới hạn trong việc phát hiện trực tiếp nhiệt độ bề mặt.

Các ứng dụng

Kiểm tra nhiệt kế có một loạt các ứng dụng trong toàn ngành, bao gồm các ứng dụng kỹ thuật như giám sát tình trạng nhà máy, bảo trì phòng ngừa hoặc dự đoán và giám sát quy trình. Ghi nhiệt độ là một phương pháp tốt để bảo trì các hệ thống điện và cơ khí, chẳng hạn như với vị trí rò rỉ nhiệt hoặc nhiệt độ cao hơn ở những vùng quá nóng. Nó cũng có thể được sử dụng để kiểm tra các cấu trúc lót vật liệu chịu nhiệt và xác định vị trí các mối nối quá nóng và các đoạn của đường dây điện, đây là dấu hiệu của sự cố sắp xảy ra.

Các ứng dụng kỹ thuật phổ biến bao gồm:

Kiểm tra xây dựng

Phương pháp ghi nhiệt có thể được sử dụng để tìm lỗi cách nhiệt bằng cách xác định vị trí rò rỉ nhiệt nhằm cải thiện hiệu quả của các thiết bị sưởi ấm và điều hòa không khí. Việc kiểm tra lớp vỏ tòa nhà cũng có thể tìm thấy các lỗ rò rỉ không khí ở khung cửa sổ và cửa ra vào. Phép đo nhiệt độ cũng có thể được sử dụng để tìm các phần bị thấm nước của mái nhà nơi màng đã tiếp nhận nước mưa sau đó bị giữ lại giữa các lớp của mái nhà.

Bảo dưỡng nhà máy

Phương pháp ghi nhiệt có thể được sử dụng cho các quy trình bảo trì nhà máy, thu thập hình ảnh nhiệt của các bộ phận máy liên quan để phát hiện các lỗi tiềm ẩn để sửa chữa.

Bảo trì hệ thống dây điện

Hệ thống dây điện sử dụng kết nối vật lý giữa cáp, đầu nối và đinh tán. Kết nối điện chất lượng cao liên quan đến điện trở thấp giữa các bộ phận khác nhau. Khi chất lượng của kết nối xuống cấp, lượng điện năng tiêu hao tăng lên, trong một quá trình gọi là gia nhiệt điện trở, có thể được thiết bị chụp ảnh nhiệt thu được dưới dạng nhiệt tăng lên.

Xác định tổn thất năng lượng

Năng lượng bị mất có thể là một sự tiêu hao năng lượng đối với bất kỳ cơ sở nào và hình ảnh nhiệt có thể giúp loại bỏ điều này. Ví dụ, tiêu thụ quá nhiều hơi nước và bẫy hơi bị lỗi làm nóng đường ống hồi lưu nước ngưng ở hạ lưu có thể dễ dàng được xác định bằng thiết bị chụp ảnh hồng ngoại. Phép đo nhiệt độ cũng có thể tìm thấy các tổn thất năng lượng lãng phí khác, chẳng hạn như các khuyết tật trong các khối vật liệu chịu lửa trong lò nung, nồi hơi hoặc lò nung.

Kiểm tra bề mặt cầu và lát đá

Phương pháp ghi nhiệt cũng có thể được sử dụng để kiểm tra các cây cầu bê tông và các bề mặt lát đá khác, xác định vị trí các khoảng trống và sự phân tách giữa các lớp vật liệu. Bất kỳ không khí hoặc nước nào trong các không gian xen kẽ này đều ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt và do đó có thể được tìm thấy bằng thiết bị chụp ảnh nhiệt. Điều này thậm chí có thể mở rộng để tìm các vết rỉ sét, vết nứt, phồng rộp và các khuyết tật khác ẩn giấu giữa các lớp sơn.

Bản tóm tắt

Công nghệ ghi nhiệt có nhiều ứng dụng trong toàn ngành – từ thử nghiệm không phá hủy đến các ứng dụng chiến đấu trong đêm của quân đội. Cũng như nhiều kỹ thuật khác, có một số nhược điểm, nhưng những nhược điểm này được đánh giá cao bởi tính linh hoạt và nhiều ưu điểm của phương pháp NDT này.