دوربین ترموویژن یک دماسنج غیرتماسی است و  با نام‌های مختلفی از جمله دوربین حرارتی مادون قرمز، آنالیز ترموگراف دار، ترموویژن، گرمانگار و  تصویربردار حرارتی نیز شناخته می شود. تصویر ترموگرافی یک تصویـر مـادون قرمـز از ثبت اثر امواج مادون قرمز منتشـر شـده از جسـم کـه بـا عبـور از میـدان دیـد دوربیـن و لنـز مخصـوص آن بـر روی سنسـور یـا فیلـم مـادون قرمـز منتقـل میشـود، بـه وجـود میآیـد.

اصول کار دوربین ترموگرافی چیست ؟

در دوربین ترموگرافی ازهزاران سنسور استفاده شده است که هر یک از سنسورها دمای بخش کوچکی از میدان دید دوربین را اندازه‌گیری میکند. سنسور یک تصویر سیاه و سفید از سوژه تهیه میکند. سپس دوربین بعد از قرائت دما با استفاده از تکنیک‌های کامپیوتری به هر دما رنگی را اختصاص میدهد. بدین ترتیب به هر یک از خانه‌های جدول دمای، رنگی تخصیص میابد. در نهایت جدول رنگها را به صفحه نمایش ارسال شده و آنچه ما در دوربین می‌بینیم در واقع یک جدول دمایی است که هر یک از خانه‌های آن بجای دمای اندازه‌گیری شده توسط سنسور مربوطه رنگ اختصاص داده شده و آن را منعکس میکند.

در اغلب دوربینهای امروزی چیزی حدود 10 نوع جعبه یا ترکیب رنگ برای ایجاد تصاویر رنگی وجود دارد که مطابق با کاربرد و سلیقه استفاده میگردند. همه ماشین‌آلات و یا دستگاه‌های مکانیکی، در نتیجه اصطکاک، حتی در شرایط کار عادی گرما تولید می‌کنند. در این حالت مقطع حرارتی برای کارشناس ترموگرافی باتجربه قابل تشخیص است. بنابراین، تغییرات در علائم گرمایی یک ماشین یا اجزاء آن، برای کارشناس ترموگرافی امکان شناسایی مشکل را فراهم می‌کند.

آنچه از سطح جسم به دوربین ترموگرافی وارد میشود برابر است: با مجموع انرژی تابش شده از سطح جسم+ انرژی تابش شده از پس زمینه برابر است. به عبارت دیگر، کل تابـش کـه از لنز دوربیـن مـادون قرمـز عبـور میکنـد متشـکل از تابشهای ساطع شـده از خـود جسـم و تابـش منعکس شـده از محیـط اطـراف اسـت. سنسور موجود در دوربین، این انرژی تابشی را به جریانهای الکتریکی تبدیل میکند. این جریانهای الکتریکی پس از عبور از مدارات تقویت کننده و سایر مدارات تنظیم و نمایش دهنده، تصویر ایجاد شده را بر روی نمایشگر ظاهر میسازد.

با توجه به اینکه امواج مادون قرمز از شیشه بخوبی عبور نمیکنند، لنز دوربین مادون قرمز از جنس ژرمانیوم، سیلیکون، سیلوناید روی و یا سایر عناصر خاص که خاصیت عبوری خوبی دارند ساخته میشود. لنزهای واید و تله جهت گسترده‌تر یا جمع‌تر کردن میدان دید دوربین در تصویر برداری استفاده میشوند.

بسياری از دوربين های ترموگرافی تنظيم قابلیت اتوماتیک را دارند. به این قابلیت AGC گفته میشود. با استفاده از اين امکان میتوانید به يك فوکوس و تنظيم خوب براي کانتراست و سطح دست یابید. اما وضعیت اتوماتیک، تصاویر استاندارد و بهينه ای را در بسياری از مواقع ايجاد نمی کند. این وضعیت بخصوص در ترموگرافی بیرون ازساختمان مرسوم تر است.

1- انرژی تابش شده از سطح جسم

طبق رابطه استفان-بولتزمن، میزان انرژی تابش شده از سطح جسم سیاه رنگ (جسم سیاه یعنی که ضریب تابش (emissivity)  برابر 1 داشته باشد) در حالت ایده‌آل با معادله زیر برحسب دما بیان میشود:

ضریب تابش با حرف یونانی ε نشان داده میشود و مقداری بین ۰ و ۱ دارد. ضریب تابش خاصیتی از ماده می‌باشد که بیان کننده نسبت انرژی تابش شده توسط ماده مورد نظر به انرژی تابش شده توسط یک جسم سیاه در همان درجه حرارت است. یک جسم سیاه رنگ ایده‌آل دارای ضریب تابش ε = 1 است. هر جسم دیگر بجز جسم سیاه مطلق دارای ضریب تابش کمتر از یک خواهد بود. در نتیجه، رابطه فوق به شکل زیر در خواهد آمد:

به کمک این فرمول، دوربین ترموگرافی انرژی تابشی مادون قرمز برای هر جسمی را به دما تبدیل میکند. در این حالت اگر ضریب تابش( ε ) تجهیز بالا باشد(مثلا 0.95) دمایی که دوربين ترموگرافی محاسبه میکند، بسيار به دمای حقیقی تجهیز نزديك است. اما اگر ضریب تابش سطح تجهیز مورد اندازه گیری عدد کوچکی باشد(مثلا 0.15) مقداری که دوربين ترموگرافی برای دمای تجهیز محاسبه میکند، بسيار به دمای پس‌زمينه تجهیز یعنی منابع منتشر کننده انرژی در محیط پيرامون نزديک است. بنابراین تعیین تکلیف ضریب تابش دستگاه يکی از بزرگترین مشكلات محاسبه دما با دوربین ترموگرافی محسوب می‌شود.

پس با این که به علت همین ارتباط توانی (چون تغییرات جزئی در دما برحسب کلوین میتواند منجر به تغییرات بزرگی در انرژی تابشی شود) میتوان با دوربین ترموگرافی به مقادیر بسیار دقیق از دما دست یافت، عدم توجه به قوانین و تفاوت‌های بین تابش جسم سیاه با یک جسم عادی میتواند منجر به نتایج نادرست شود. به عنوان مثال اگر شما یک کتری استیل را در نظر بگیرید که از آب جوش پر است با این که میدانیم دست زدن به آن منجر به سوختگی شدید با دمای ۱۰۰ درجه سلسیوس میشود؛ اما در دوربین ترموگرافی با ضریب انتشار ۱ شما دمایی نزدیک به دمای محیط را اندازه گیری خواهید کرد. این مسئله به این علت است که ۹۵ آنچه از تصویر این کتری وارد دوربین ترموگرافی میشود انعکاس انرژی پس زمینه است که دمایی به مراتب کمتر از دمای آب درون آن دارد.

ضریب تابش (ضریب صدور)

تنوع در ضریب تابش سطح میتواند منجر به تغییرات بزرگ ظاهری در یک تصویر مادون قرمز شود. بنابراین یک تصویر بردار حرارتی باید ضریب تابش موضوعات مختلف در تصویر برای تشخیص تفاوت دمای حقیقی از تفاوت ناشی شده به علت ضریب تابش را به خوبی بشناسد. همانطور که در بالا توضیح داده شد، ضریب تابش بیان کننده توانایی سطح مورد نظر برای تابش امواج مادون قرمز بوده و یک مقدار بدون واحد بین صفر و یک است. مقدار صفر کاملاً بازتابنده امواج است و عدد یک نشان دهنده این است که آنچه از سوی جسم به دوربین مادون قرمز ما وارد میشود تماماً تابش خود جسم بوده و هیچ بازتابشی در آن نیست. تا زمانی که سطح جسم در مقابل باند طول موج اندازه گیری به عنوان جسم کدر عمل می کند بازتابش و تابش مکمل هم بوده و جمع آنها برابر با عدد یک است.

تغییر ضریب تابش سطح برای مقاصد تصویربرداری حرارتی موجب تغییر در شرایط انتقال حرارت خواهد شد. این مسئله میتواند منجر به تغییرات معنی داری در دمای سطوح واقعی یک موضوع تحت تست که رنگ شده است، بخصوص وقتی انتقال حرارت از طریق تابش نسبت به روش‌های هدایت و همرفت اهمیت بیشتری دارد ایجاد کند. یک تصویربردار حرارتی باید دقت کند تا هر گونه تغییری که به قصد تصویربرداری ایجاد کرده گزارش کند، زیرا نتایج میتواند تحت تأثیر قرار گیرد. برخی اندازه گیری‌ها باید در شرایط حضور رنگ و قبل از رنگ آمیزی تکرار شوند تا بتوان ضریب تابش سطح را مشخص کرد.

باید توجه میکند کرد که برخی از منابع منتشر شده برای مقادیر ضریب تابش ممکن است برای ترموگرافی مادون قرمز مناسب نباشد. به عنوان مثال تخمین و یا حدس ضریب تابش از جداولی مانند جدول زیر ممكن است به نتایج نادرستی منجر شود.

به علاوه باید توجه داشت که فلزات نیز با تغییر دما دارای رفتار متفاوتی در ضریب تابش خود هستند و لذا باید دمای دقیق سطوح فلزی در هنگام ترموگرافی مد نظر قرار گیرد.

اغلب مواد ضریب تابشی حدود ۰/۹ دارند که این به آن معنی است که ۰/1 از تشعشع مادون قرمز، ناشی از محیط پیرامونی است که توسط سطح جسم مورد نظر بازتابیده شده است و ۰/۹ باقیمانده تابش جسم سیاه تئوری خواهد بود. این سطوح برای تصویربرداری مادون قرمز عالی هستند.

برای سطوحی با ضریب تابش پایین تر بخصوص کمتر از ۰/۵ باید یک سری اقدامات احتیاطی پیشبینی شود. یک سطح با ضریب تابش بسیار پایین مانند سطح براق یک فلز بیشتر از مقدار امواج مادون قرمز تابش شده توسط سطح خود امواج مادون قرمز بازتابش میکنند و دوربین ترموگرافی مجموعه ای از بازتابشهای سطوح پیرامونی را میبیند که بیشتر از اطلاعات مرتبط با نمونه اصلی است. این پدیده ممکن است زمانی که تصویر بردار حرارتی قصد تحلیل صحنه حرارتی پس زمینه دارد به عنوان یک مزیت به کار برده شود و به عنوان یک میانگین با استفاده از یک مارکر بازتابنده قوی در محل مستندسازی شود. در هر صورت وقتی که قصد اصلی، جمع آوری داده‌های دمایی از یک سوژه با ضریب تابش پایین است، نیاز است تا با یک لایه بسیار نازک از موادی با ضریب تابش بالا سطح را پوشش داد. یک نوار چسب کدر یا رنگ برای افزایش ضریب تابش میتواند مورد استفاده قرار گیرد. یک روش سریع برای بررسی و چک کردن خواص سطح دستکاری کردن صحنه حرارتی پس زمینه است. به عنوان مثال، یک تصویر بردار حرارتی ممکن است یک سوژه پس زمینه با دمایی به اندازه کافی بالاتر از دمای محیط را به کار گیرد (یک قطعه یخ یا دست تصویربردار و یا یک شعله) حرکت دادن موضوع پس زمینه به صورت جانبی نزدیک نمونه و مشاهده هر گونه حرکت یا تغییر در تصویر حرارت میتواند نشان دهنده قدرت بازتابش بالای سطح باشد.

تشخیص اینکه بازتابش یک نمونه میتواند هم به صورت آینه‌ای و یکدست و یا به صورت پراکنده باشد بسیار مهم است. بازتابش‌های پراکنده وابسته به زاویه نبوده و تصویر مبهم و غیر یکنواخت از صحنه حرارتی پس زمینه ایجاد میکنند. ارزیابی تابش ناشی از یک سطح آینه ای با بازرسی چشمی بسیار مشکل است. برای مثال، شیشه پنجره یک وضعیت اینه‌ای داشته و با وجود اینکه ضریب تابش بالایی نزدیک به ۰/۸۶ دارد میتواند تصاویر واضح از بازتابش به دلیل حساسیت بالای دوربین‌های ترموگرافی در خود نشان دهد. اگر یک سطح آینه ای دارای ضریب تابش پایینی نیز باشد، بازتابش در تصویر به عنوان یک عامل متحرک نسبت به سطوح با ضریب تابش بالا بیشتر خودنمایی می‌کند.

نقش چسب برق در ترموگرافی و تعیین ضریب تابش

یک حلقه چسب برق (ضریب تابش نزدیک به ۰/۹ دارد) یک ابزار ارزشمند برای مواجه شدن تصویر بردار حرارتی با مشخصات سطحی نامشخص نمونه است. یک بررسی سریع برای مشکلات مربوط به پایین بودن ضریب تابش و یا عبور امواج از سوژه میتواند با چسباندن برچسب به نمونه و سپس تصویربرداری از آن انجام شود. اگر قطعه چسبانده شده به شکل متفاوتی در تصویر ظاهر شود، تصویر بردار حرارتی متوجه خواهد شد سطح نمونه ضریب تابشی متفاوت از ۰/۹ دارد. چسب یا تکه نمونه شاهد باید به خوبی به سطح مورد نظر بچسبد و نباید دمای واقعی را به طور محسوس تغییر دهد. برای مثال اگر صحنه حرارتی پس زمینه دارای یک منبع مؤثر دمایی سردتر از نمونه باشد و ناحیه ای که چسب در آن قرار گرفته گرمتر دیده شود احتمال زیادی وجود دارد که سطح دارای ضریب تابش بسیار پایینی است و نیاز است تا با رنگ آمیزی یا پوشش بیشتر با نوار چسب اصلاح شود.

نقش نوارهای کوچک آلومینیومی در ترموگرافی و تعیین ضریب تابش

علامت گذاری‌های ناحیه‌ای به عنوان کاربردهای جانبی تشخیص وضعیت هندسی و فضایی میتواند بر روی نمونه اجرا شود. نوارهای کوچک آلومینیومی قابل چسبیدن مثالهایی از سطوح با ضریب تابش که پایین هستند می توانند به عنوان علامت گذاری‌های مکانی در تصاویر مادون قرمز استفاده شوند. این نمونه‌ها اگر دمای پس زمینه با دمای نمونه متفاوت باشند به خوبی در تصویر دیده میشوند.

اگر تغییرات ضریب تابش امکان پذیر نیست و برای سطوح مختلف نیاز به داده‌های با کیفیت بالا است (مانند یک سمی کنداکتور) در صورتی که سوژه در یک مکان ثابت است امکان استفاده از فرآیندهای اضافی جهت تعیین نقشه ضریب تابش پیکسل به پیکسل برای تصحیح تصویر با دو دمای کنترل شده و یکنواخت متفاوت از پس زمینه امکان پذیر است.

نقش رنگ آمیزی سطوح در ترموگرافی و تعیین ضریب تابش

رنگ آمیزی سطوح با ضریب تابش پایین (البته در صورت امکان پذیر بودن) یک ایده خوب است. به عبارتی وقتی دنبال تهیه یک عکس شفاف بی عیب و دقیق و یک اندازه گیری دقیق دما هستید باید گفت که پوشش کدر رنگ اغلب بهترین راه حل برای تصویربرداری از سطوح با ضریب تابش کم، ضریب تابش متفاوت و سطوح آینه گون و یا سطوحی که امواج را از خود عبور دهند است. رنگ‌های معمول پایه آب که به صورت اسپری در دسترس هستند با ضریب ۰/۹ برای این کار بسیار خوب بوده و پاک کردن آنها نیز ساده است. دقت کنید یک پوشش بسیار نازک نمیتواند ضریب تابش را بالا ببرد همچنین رنگ های نسوز معمولا ضریب تابش پایینی دارند.

مراحل تعیین ضریب تابش به کمک رنگ آمیزی سطح

فرض کنید میخواهید به کمک دوربین ترموگرافی دمای یک صفحه فلزی به ابعاد یک متر در یک متر را اندازه گیری کنید.

1- ابتدا قسمتی از صفحه فلزی را با اسپری رنگ مشکی یا رنگ دمای بالا آغشته نمایید. با این کار میدانید که قسمت سیاه رنگ صفحه فلزی، ضریب صدور مشخص و برابرعدد یک را دارد.

2- اکنون با استفاده از دوربین ترموگرافی دمای قسمت سیاه رنگ صفحه فلزی که ضریب صدور آن یک است، اندازه گیری کنید. این دما دمای واقعی صفحه فلزی می باشد.

3- حال به کمک دوربین ترموگرافی دما ناحیه ای از صفحه فلزی که رنگ نشده است و ضریب صدور نامشخصی دارد را تعیین کنید.

در اغلب موارد دمای نشان داده شده توسط دوربین در قسمت (3) با دمای واقعی اندازه شده در قسمت (2) متفاوت است.

4- حال ضریب صدور دوربین خود را چنان تغییر دهید که دمای صفحه فلزی با دمای اندازه گیری شده از قسمت رنگ شده یکسان شود. با این تکنیک ما توانستید ضریب صدور صفحه فلزی را به دست آورید.

لازم به ذکر است به کمک روش های ذکر شده در جدول زیر میتواند ضریب صدور جسم را افزایش دهید.

2- انرژی تابش شده از پس زمینه و محیط اطراف (Back ground)

به دلیل اینکه هیچ جسم حقیقی دارای ضریب تابش برابر 1 نیست، تشعشعات ناشی از دمای پس زمینه با برخورد به سطح سوژه مورد نظر و انعکاس از آن به عنوان بخشی از امواج ساتع شده از سوژه ظاهر میشود. صحنه حرارتی کامل پس زمینه ترکیب از هندسه و جهت های سطوح (شامل آسمان) است که در میدان تصویر جسم قرار گرفته و دماهای آنها تأثیر گذار است. آسمان تأثیر دمای بسیار سردی را از خود به جای میگذارد که تعیین آن بسیار سخت است و به شدت وابسته به محتوای رطوبت هوا و ابری بودن آسمان است به همین دلیل است که در صورت امکان باید اندازه گیری‌های ترموگرافی در محیط بسته انجام شود و یا در آسمان به شدت ابری باشد.

یک تصویر بردار حرارتی نباید تنها به ضریب تابش و دمای سوژه که در میدان دید دوربین او است توجه کند و باید حتماً مواظب دمای صحنه پس زمینه خود نیز باشد. چه تابش مادون قرمزی که از سطوح به ما رسیده است تولید تصویر کرده است؟ آیا یک نقطه داغ دیده شده واقعی است و یا بازتابشی در نزدیک سوژه مورد نظر ما است؟ امواج مادون قرمز ایجاد شده توسط تابش چندین بار بازتابیده شده و ممکن است به طور اتفاقی از تمامی جهات با شدت متفاوت که بسته به دما شکل هندسی متفاوت است از دیوارها ،کف چراغ ها پنجره ها آسمان باز درختها و هر چیز دیگری که در اطراف سوژه شما است ناشی شود. از این منظر، سطوحی که ضریب تابش پایین دارند مشکل ساز هستند زیرا بازتابش تشعشع پس زمینه میتواند بخش عمده ای از آشکار شده را به خود تخصیص دهد  که حتی ممکن است بیشتر از تشعشعات خود جسم مورد نظر باشد.

تعیین دمای پس زمینه

ابتدا باید ناحیه پس زمینه که بازتابش ناشی از آن است را تعیین کنید. برای این کار تصور کنید که دوربین شما یک ابزار پرتاب توپ است و شما یک توپ را از لنز دوربین خود به سمت سوژه مورد علاقه خود که قرار است دمای آن را اندازه گیری کنید، پرتاب میکنید. حال ببینید آن توپ پس از برخورد به سوژه مورد علاقه شما به کدام  نقطه پشت سر شما برخورد خواهد کرد. این نقطه همان پس زمینه می باشد. کاملا مشخص است که پس زمینه مورد نظر کاملا به زاویه تصویربرداری شما بستگی خواهد داشت.

تشعشعات مادون قرمز اشیای پس زمینه و محیط پیرامون تأثیر زیادی در تغییر میزان صدور وارد شده به دوربین ترموگرافی دارد. این مسئله به خصوص زمانی که سطح جسم مورد نظر ضریب صدور بسیار پایینی دارد، اهمیت بیشتری پیدا میکند. به همین دلیل سطوح فلزی مشکلات بیشتری را در اندازه گیری دما و یا ترموگرافی ایجاد می کنند. زیرا سطوح فلزی براق دارای ضرایب صدور بسیار پایینی هستند و در نتیجه کوچکترین تغییر در مقدار ضریب صدور می تواند به خطاهای بزرگی در دمای اندازه گیری شده منجر شود. اما سطوح زبر و یا اکسید شده برعکس موارد فوق رفتار می کنند. به همین خاطر در بازرسی های الکتریکی ترموگراف بیشتر دنبال سطوح خورده شده یا زنگ زده فلزی است.

بنابرین اگر برایتان مقدور است تا جایی که میتوانید با استفاده از صفحات مقوایی بزرگ از رسیدن تابش‌های ناشی از منابع تولید گرمای پس زمینه به جسم مورد نظرتان جلوگیری کنید.اما بدیهی است که حذف تمامی منابع اختلال حرارتی در اطراف سوژه مورد نظر امکان پذیر نیست.

روش های تعیین دمای پس زمینه در ترموگرافی چیست؟

برای اندازه‌گیری دمای سطح سوژه مورد نظر تصویر بردار حرارتی باید از دمای منابع حرارتی که تشعشعات مادون قرمز را به سطح سوژه ارسال میکنند، تخمین خوبی داشته باشد. بدین منظور میتوان از روشهای زیر استفاده کنید.

1- استفاده از دمای محیط

اگر دمای تجهیزات و دستگاه‌های اطراف سوژه‌ای که قرار است ترموگرافی کنید، با دمای محیط یکسان باشند میتوان با تقریب خوبی دمای پس زمینه را برابر با دمای محیط قرار دهید. ولی اگر دمای تجهیزات اطراف از دمای محیط بیشتر باشد. (مثلا در اطراف سوژه شما لوله های انتقال بخار عبور کرده باشد) استفاده از دمای محیط به عنوان دمای پس زمینه نتایج نادرستی را در بر خواهد داشت.

محاسبه دمای محیط به کمک دوربین ترموگرافی: یک ورق آلومینیومی را مچاله کرده و سپس باز نمایید تا سطح صاف آن از بین برود. حال ضریب تابش را برابر 1 قرار داده و به کمک دوربین ترموگرافی و از فاصله یک متری، دمای سطح ورق را اندازه گیری نمایید. این دما تا حد قابل قبلولی دمای محیط می باشد.

2- استفاده از رادیاتور لامبرت

رادیاتور لامبرت یک عنصر است که با انتشار بهینه، امواج مادون قرمز را بازتاب میکند. به بیان دیگر رادیاتور لامبرت در تمامی جهات دارای قدرت بازتابندگی یکسان است. شما میتوانید تاثیر دمای ناشی از بازتاب را بر روی یک رادیاتور لامبرت با استفاده از دوربین ترموگرافی اندازه‌گیری کنید. برای اندازه‌گیری بازتابش‌های ناشی از محیط، رادیاتور لامبرت را در نزدیکی جسمی که میخواهید اندازه‌گیری کنید قراردهید (در حالت ایده‌آل روی جسم). سپس دمای رادیاتور لامبرت را با درنظر گرفتن ضریب صدور برابر عدد یک اندازه‌گیری کنید. حال دمای مشاهده شده در دوربین برابر با مقدار دمای منبع تشعشعات پس زمینه است. در نهایت و با وارد کردن این عدد در دوربین خود میتوانید با در نظر گرفتن ضریب صدور مناسب نسبت به اندازه‌گیری دمای سطح جسم اقدام کنید.

3- تکنیک دمای دروغین

ضریب صدور سیستم خود را بر روی عدد 1 تنظیم کنید. در حقیقت ما نمیخواهیم دمای واقعی را اندازه‌گیری کنیم و هدف ما تعیین مقدار انرژی منتشر شده از پس‌زمینه است. لذا با اعمال ضریب 1 تمامی تابش ها را متعلق به جسم مذکور میدانیم و به این صورت دمای دروغین را به دست می آوریم. بدیهی است با این دما هیچ وقت دمای صحیح سطح نمی باشد زیرا ضریب صدور1 تنها به جسم سیاه تعلق دارد. این دمای دروغین تنها برای تعیین مقدار انرژی تابشی پس‌زمینه کاربرد دارد. با دوربین خود، از ناحیه که بازتابش از آن می‌آید تصویر برداری کرده و دمای دروغین را اندازه گیری کنید. این دمای دروغین و ساختگی را به عنوان بازتابش محیط به سیستم خود وارد کنید. در برخی دوربینهای ترموگرافی این بخش تحت عنوان دمای محیط، دمای بازتابشی پیرامونی و یا دمای پس‌زمینه نام گذاری شده است.

4-استفاده از آینه مادون قرمز 

صحنه حرارتی پس زمینه باید قبل از انجام یک عملیات ترموگرافی کاملاً بازرسـی شود. برای این کار یک آینه مادون قرمز یک ماده با سطحی که قادر است امواج مادون قرمز را بازتابش کند الزامی می باشد. آینه های شیشه ای معمول برای این کار مناسب نیستند زیرا اغلب دارای یک شیشه در سطح جلویی و یک فلز منعکس کنند در پشت آن هستتند. یک دوربین مادون قرمز با طول موج بلند دمای سطح شیشه را بیشتر از بازتابش پس زمینه نشان خواهد دارد زیرا شیشه دارای ضریب تابش نسبتاً بالایی است.

بنابراین یک قطعه از فیلم پلی استر با روکش فلزی (معمولا آلومینیوم) یک انتخاب خوب برای استفاده به عنوان آینه پس زمینه است. میتوان آن را برروی محل نصب یا جلوی نمونه مورد اندازه گیری قرار داد و اجازه داد تا تابش‌های پس زمینه که ممکن است از روی نمونه بازتابیده شوند تصویر شود. ایجاد یک پس زمینه حرارتی که تا حد ممکن یکنواخت باشد بسیار مطلوب است. عدم یکنواختی در پس زمینه میتواند به صورت عدم یکنواختی در نمونه مورد اندازه گیری خودنمایی کند. بنابراین با استفاده از یک پرده مانند یک فوم یا پارچه سنگین می‌توان یـک پس زمینه یکنواخت را ایجاد کرد. آینه های مادون قرمز معمولاً مانند آینه های طبی

تحیلیل و آنالیـز تصاویر ترموگرافـی مـادون قرمـز

آنالیـز ترموگرافـی مـادون قرمـز بـه دو روش کمـی و کیفـی طبقه‌بنـدی میشود.

آنالیـز ترموگرافـی مـادون قرمـز بـه روش کیفـی

آنالیـز کیفـی جسـتجوی ایـن نکتـه اسـت کـه آیـا توزیـع حرارتـی غیرطبیعـی بـر روی هـدف توسـط نقـاط نامتقارن یـا هر نقطـه داغتر/ سـردتر بـر اسـاس رابطـه توزیـع تابـش روی یـک منطقـه هدف و پارامترهـای فیزیکـی و عملیاتـی وجـود دارد یـا خیـر، و بـر روی تهیـه یک تصویـر باکیفیت (فوکـوس، سـطح، کنتراسـت و محـدودهی دمایی) متمرکز میشـود تـا بتواند با بررسـی دقیـق الگـوی حرارتـی تحلیل خـود را ارائـه کنـد.

آنالیـز ترموگرافـی مـادون قرمـز بـه روش کمی

آنالیز کمـی فعالیتی حسـاس اسـت کـه نیـاز بـه اسـتفاده از داده‌هـای عـددی ماننـد ضریـب صدور، مقـدار درجـه حـرارت و یـا دلتـای T دارد تـا تصمیـم بگیریـم کـه تا چـه اندازه ایـن عیـب میتوانـد جدی باشـد.

تحلیل نتایج ترموگرافی

با فرض دقت‌های لازم در انتخاب دوربین مناسب، لنز، دمای پس زمینه، زاویه دید، ضریب تابش و…،‌ برای بدست آوردن نتایج درست و قابل ارجاع، جهت تحلیل نتایج و تصاویر ترموگرافی از دو روش مقایسه دمای نسبی نقاط مشابه و بررسی دمای مطلق تجهیز و اختلاف آن با دمای مورد انتظار استفاده میگردد.

1- روش مقایسه نسبی دما (معیار دلتا T)

در روش مقایسـه نسبی اختلاف دمـای یـک نقطـه با نقطـه مرجع کـه میتواند دمـای محیـط، نقطـه مشـابه آن که در شـرایط یکسان و یا ماکزیمم دمای مجاز آن نقطـه باشـد، سـنجیده میشـود. در‌ جـداول زیـر معیارهـای Delta T (تفاضـل دمـا) بـرای ارزیابی شـدت دمای یک ایراد اسـتفاده میگـردد. معیارهـای Delta T با افزایـش دمـای ایراد بالای دمای تعریف شـده، مرجع گزارش می‌باشـند. تجهیزات مشـابه تحـت همان شـرایط یـا حداکثر دمای مجاز بـرای ارزیابی ومشـخص کردن شـدت ایرادات اسـتفاده میگـردد.

برای تجهیزات الکتریکی

استانداردهای مبتنی بر تجربه برای سیستمهای مکانیکی و الکتریکی

برای هسته موتور (روی میز تست و نه در حالت کارکرد)

2- روش بررسی دمای مطلق تجهیز و اختالف آن با دمای مورد انتظار (معیار دمای مطلق)

در این روش دمای مورد انتظار تجهیز بر اساس جنس آن و میزان بار آن محاسبه میگردد، سپس اختلاف دمای اندازه‌گیری شده با دمای محاسبه شده، سنجیده شده و با استفاده از جداول تعیین وضعیت می‌گردد. در این روش باید بار فعلی تجهیز، بار نامی آن، دمای محیط و افزایش دمای نامی تجهیز را دانست تا دمای مورد انتظار از تجهیز سالم را محاسبه کنیم و با دمای اندازه‌گیری شده مقایسه کنیم.

برای محاسبه دمای مورد انتظار از فرمول زیر استفاده میکنیم.

مقدار T rated rise از جداول استاندارد زیر بدست میآید.
کارشناسان ترموگرافی میتوانند از معیارهای دمای مطلق جداول زیر بر اساس استانداردهای منتشر شده برای ارزیابی و مشخص کردن شدت ایرادات سیستم مکانیکیو الکتریکی استفاده کنند.

مشخصات جداول بالا دمایی بر اساس عملکرد تجهیزات در 100 %بار و سرعت میباشد. همه دماها به سیلیسیوس است.

نکات مهم:
1 -دماهای درپوش با خنک شونده روغن، نزدیک قسمت فوقانی مایع داخل مخزن اصلی اندازه‌گیری می‌شود.
2 -اکثر ترانسفورمرهای افزایشی 55 درجه سانتی گراد قبل از سال 1963 میلادی ساخته شده‌اند.
3 -برای ترانسفورمرهای خاص (غیر از توزیع و قدرت) یا سایر تجهیزات با خنک شوندگی یا مایعات، همانطور که روی پالک مشخصات، مشخص شده است.

دمای حداکثر مجاز ارائه شده در جداول فوق برای بار نامی و دمای محیط ارائه شده است. در واقع این دما، دمای مورد انتظار از تجهیز سالم در بار نامی و دمای محیط ذکر شده، می‌باشد. اما از آنجا که اغلب اوقات مقدار دمای محیط و میزان بار مقادیری متفاوت دارند نیاز است با استفاده از فرمول بالا مقدار دمای مورد انتظار محاسبه گردد.

مقایسه دو روش معیار دلتا T و معیار دمای مطلق

دو روش فـوق الذکـر روشهایی هستند کـه اغلب جهت تعییـن وضعیت تجهیزات الکتریکی بـه کار گرفتـه میشـوند.

روش معیار دلتا T روشـی سـاده اسـت، اما بدلیل در نظـر نگرفتـن میـزان بـار، و نیـز نقـاط مرجع نامطمئن (وقتی با نقاط مشـابه مقایسـه میگـردد) دارای نتایجی با قابلیـت اطمینان پایین اسـت؛ چـرا کـه در مـواردی کـه حتـی عیب جـدی وجـود دارد کم بـودن میزان بـار میتوانـد منجـر بـه کاهـش میـزان اختلاف دمـا بـا نقطـه رفرنـس نسـبت بـه شـرایط بـار زیـاد گـردد و ایـن خطـا میتوانـد براحتـی وضعیـت خطرنـاک تجهیـز رابـرای مـا بـه صـورت یک وضعیت مجـاز مرزی و یاهشـدار نشـان دهد و یـا مقایسـه یـک نقطـه بـا نقطـه مرجـع مشـابهی کـه خود نیـز معیوب اسـت میتوانـد مـا را در بـراورد وضعیـت تجهیـز دچـار اشـتباه کند

اشتباهات رایج  در استفاده از دوربین ترموگرافی

اشتباه اول: ضریب تابش در دماهای مختلف ثابت است

یکی از اشتباهات مرسوم در ترموگرافی در نظر گرفتن ضریب تابش ثابت برای یک سطح در گستره دمایی وسیع است. باید توجه کرد که ضریب تابش واقعی اجسام تابعی از دمای آنها است و در گستره‌های محدودی میتواند با ضریب خطای اندک ثابت در نظر گرفته شود. ضریب تابش بخصوص در وضعیتهای تغییر حالت ماده حالت ماده به شدت میتواند تغییر کند.
راه حل: دقت به جداول موجود که همراه دوربین به شما ارائه شده است و اینکه در چه دمایی دارای اعتبار است معمولاً در صورتی که از رنجهای مشخص شده انحراف ایجاد شده و دوربین شما توانایی اندازهگیری را دارد و شما اطلاعات مربوطه به ضریب تابش آن دما را ندارید بهتر است با روشهای تجربی این مقادیر را محاسبه کنید

اشتباه دوم: ضریب تابش در طول موجهای مختلف ثابت است

دوربین ترموگرافی به طور عمده در دو نوع موج بلند (8μm تا 14μm) و موج کوتاه (3μm تا 6μm) تولید میشوند. از طرفی ضریب تابش تابعی از طول موج یا فرکانس است. این مسئله باعث میشود که نتوان از جداول ارائه شده برای ضریب تابش برای یک دوربین طول موج کوتاه در رابطه با یک دوربین با طول موج بلند استفاده کرد و بالعکس. این مسئله حتی در مورد دوربین‌های یک محدوده یکسان اما با ساختارهای مختلف متفاوت است. به عنوان یک قانون عمومی به طور معمول با افزایش طول موج اندازه گیری در مورد فلزات ضریب تابش کاهش و در غیر فلزات افزایش مییابد.

لازم به ذکر است، اکثر دوربین ترموگرافی طول موج بلند هستند  و به همین علت به خنک کاری داخلی نیاز ندارند. و نسبت به دوربین های موج کوتاه راندمان بهتری در کاربردهای عمومی دارند.  لازم به ذکر است، دوربین های ترموگرافی طول موج کوتاه در اندازه گیری دمای مذاب کاربرد دارد.

راه حل: از جدول مخصوص دوربین خود استفاده کنید و به هیچ وجه از جداول دوربین‌های دیگر یا جداول عمومی موجود در فضای اینترنت استفاده ننمایید. بهترین راه ایجاد جدول شخصی دوربین خاص خودتان به روشهای تجربی است.

اشتباه سوم: زاویه اندازه گیری و تصویربرداری تأثیری در نتیجه ندارد

ضریب تابش به شدت با زاویه دید متغیر است و عدم توجه به آن میتواند نتایج نامطلوبی حتی در تصویر برداری الگوی حرارتی داشته باشد و موضوع تنها مقادیر کمی را تحت تأثیر قرار نمیدهد. به طور معمول برای اجزای غیرفلزی زاویه بین صفر تا  ۶۰ درجه نسبت به خط عمود بر سطح اندازه گیری تغییرات محسوسی مشاهده نمیشود. اما بعد از زاویه ۶۰ تا ۷۰ درجه، ضریب تابش به شدت افت می‌کند. در مورد فلزات موضوع متفاوت و زاویه از صفر تا ۴۰ درجه تأثیر اندکی بر ضریب تابش دارد البته بالاخره تأثیر وجود دارد اما بعد از این زاویه ضریب تابش ناگهان افزایش و سپس به شدت کاهش مییابد و رفتار تقریباً غیر قابل پیش بینی است.
است
راه حل: همواره سعی شود در اندازه در یک زاویه ثابت نسبت به محل اندازه گیری روی سوژه اقدام شود و این زاویه نیز کمتر از ۴۰ درجه نسبت به خط عمود بر سطح باشد.

اشتباه چهارم: ترموگرافی با هر ضریب تابش سطحی قابل انجام است

اصولاً سطوح فلزی براق معضل بزرگی برای ترموگرافی هستند زیرا ضریب تابش بسیار پایینی دارند لذا کوچکترین تغییر در ضریب تابش میتواند خطای بزرگی در اندازه گیری دما ایجاد کند. هر چه ضریب تابش کوچکتر شود دقت تعیین آن و کار با آن سخت تر و حساس تر می‌شود. لازم به ذکر است، سطوح اکسید شده و زبر برعکس رفتار میکنند.
راه حل: دنبال سطوح زبر و رنگ شده یا زنگ زده باشید و یا از تکنیک افزایش ضریب تابش استفاده کنید. اصولاً ترموگرافی سطوحی که ضریب تابشی کمتر از ۰/4 دارند توصیه نمیشود.

اشتباه پنجم: استفاده بلادرنگ از دوربین بعد از روشن شدن

باید توجه کرد با روشن شدن دوربین دمای داخل آن و در نتیجه بالانس حرارتی بین سیستم میترینگ و اجزای دوربین به هم خورده و نتایج اندازهگیری با مشکل مواجه میشود باید تا تعادل گرمایی دوربین صبر کرد خطای اندازه گیری سریع دوربین در این حالت برای دوربینهای طول موج بلند تا ۳ درجه کلوین بیشتر از دمای واقعی است برای دوربینهای موج متوسط این خطا بین 0.5  تا یک درجه کلوین است.

راه حل: قدری صبر مشکل شما را حل میکند بهتر است بعد از چند دقیقه تا نیم) ساعت اگر ممکن است روشن باشد و بعد به کار گرفته شود.

اشتباه ششم: استفاده از دوربین بعد از تغییرات سریع دمای دوربین

بخصوص در مناطق گرمسیر وقتی دوربین از داخل اتاق که دارای دمای پایین است به بیرون که دمای بالاست وارد میشود مجددا باید صبر کرد تا تعادل دمایی دوربین برقرار شود.

راه حل: اگرچه زمان لازم برای پایداری کامل بیش از یک ساعت و نیم است اما 10 دقیقه توقف می تواند خطا را به میزان قابل ملاحظه ای درمحدوده خطای دوربین کاهش دهد.

اشتباه هفتم: اعمال شوک حرارتی به دوربین

معمولاً در طول اندازه گیری بخصوص در فضای باز و بسته دوربین در مراحل مختلف کار از فضاهای گرم به سرد و بالعکس جابجا میشود این تغییرات ناگهانی حرارت که به شوک حرارتی مرسوم است می تواند به علت عدم تعادل دمای دوربین خطای اندازه گیری ایجاد کند. به عنوان مثال افزاش دمای یک دوربین موج بلند به میزان ۱۰ درجه کلوین میتواند حتی عدم دقتی حدود ۴ درجه کلوین در ابتدای اندازه گیری ایجاد کند.

راه حل: همان طور که اشاره شد تعادل گرمایی تا چند ساعت طول میکشد اما یک توقف ۲۰ تا ۳۰ دقیقه ای میتواند خطا را در محدوده دقت دوربین یعنی ۲ درجه کلوین نگاه دارد.

اشتباه هشتم: با دوربینهای مرسوم میتوان دما را با دقت کامل اندازه گیری کرد

باید توقع خود را از دوربین ترموگرافی صنعتی خود پایین بیاورید بهترین دوربینهای ترموگرافی مرسوم 2 درجه سلسیوس است.

اشتباه نهم: اندازه‌گیری با دوربین ترموگرافی از بعد مسافت محدودیت ندارد

باید دقت کرد که دوربین ترموگرافی در هر صورت یک سیستم اپتیکی است و لذا یکی از عوامل مهم خطا در آن رزولوشن تصویر است با کاهش رزولوشن و نیز افزایش فاصله از سوژه با توجه به IFOV دوربین میتوان به نتایج نامطلوبی دست یافت.

راه حل: فاصله مجاز اندازه گیری باید با توجه به مشخصات اپتیکی دوربین محاسبه شود و خارج از رنجهای مجاز اندازه گیری انجام نشود

اشتباه دهم: در هر شرایط آب و هوایی باید ترموگرافی کرد

تغییرات رطوبت، سرعت باد، نوع گازهایی که بین سوژه و دوربین قرار دارد یخ آب و … همه عواملی است که میتواند در نتایج ترموگرافی تأثیر نامطلوب بگذارید. به عنوان مثال شبنم تشکیل شده روی سطوح و همچنین سطوح خیس ضریب بازتابش را کاهش میدهند. همچنین در مواقعی که دمای سوژه با دمای هوای جوی و تمسفری (Atmospheric Temperature) اختلاف زیادی داشته باشد اثر گذاری بیشتری دارد.

راه حل: شناخت تمامی شرایط محیطی و در نظر گرفتن آنها در هنگام اندازه گیری در صورتی که شرایط محیطی شناخته شده نیست و یا قابل کنترل نمیباشد و یا از حدود مجاز خارج است ترموگرافی توصیه نمیشود. در نهایت پیشنهاد میشود به منظور کاهش خطا و به کمک بادسنج سرعت باد را در تنظیمات دوربین مادون قرمز اعمال نمایید. همچنین بعضی از دوربین ها مجهز به متر لیزری بوده و فاصله از سوزه توسط دوربین به صورت خودکار در محاسبات لحاظ میشود.در خصوص دمای هوای جوی و تمسفری (Atmospheric Temperature) میتوان از دماسنج جیوه ای کمک گرفت.

اشتباه یازدهم: دمای پس زمینه اهمیتی در اندازه گیری سوژه ندارد

تأثیر دمای پس زمینه با کاهش ضریب تابش به شدت افزایش مییابد. باید دقت کرد که در مواردی دمای پس زمینه میتواند با توجه ضریب تابش به شدت نتایج را تحت تأثیر قرار دهد اگر به دقت محاسبه و در نظر گرفته نشود به عنوان مثال نتیجه دمای اندازه گیری شده سطح یک کتری استیل پر از آب جوش بدون لحاظ کردن ضریب تابش مناسب و دمای پس زمینه همواره دمایی کمتر از ۴۰ درجه خواهد بود که میتواند مخاطره آمیز باشد.
راه حل ضریب تابش و دمای پس زمینه باید دقت محاسبه و در هنگام ترموگرافی دوربین به درستی ثبت شود.

اشتباه دوازدهم: ترموگرافی تجهیزات الکتریکی همواره کارساز است

توصیه های موجود در تجارب ترموگرافی نشان میدهد که در شرایطی که بار تجهیز کمتر از ۴۰ درصد بار نامی آن است ترموگرافی نمیتواند نتیجه مطلوبی داشته باشد. در شرایطی که بار بین ۴۰ تا ۱۰۰ درصد نیز هست باید نتایج با فرمولهای تجربی موجود اصلاح شود.

این مطلب به راهنمایی و با استفاده از تالیفات و مقالات جناب آقای مهندس فاضل بخششی گرداوری شده است. آقای مهندس فاضل بخششی بیش از 28 سال سابقه کار در مهندسی برق، ترموگرافی، نصب تجهیزات برقی، تعمیرات و نگهداری تجهیزات الکتریکی و پایش وضعیت داشته و در حال حاضر مدیریت نیروگاه سیکل ترکیبی زواره را به عهده دارد. از ایشان کتاب‌های متعددی در حوزه ترموگرافی به چاپ رسیده است و کتاب «گرمانگاری مادون قرمز» جدیدترین کتاب منتشر شده ایشان است. برای تهیه این کتاب میتوانید با روابط  عمومی شرکت آلیاژی ایران تماس بگیرید.

منبع: بابک فاضل بخشی،”ترموگرافی چیست”، دهمین کنفرانس تخصصی پایش وضعیت و عیب ­یابی ماشین آلات، تهران، دانشگاه صنعتی شریف، اسفند 1394