مفاهیم پایه


طبق تعریف، ترموگرافی عبارتست از تکنیک ردیابی و اندازه گیری تغییرات حرارت تشعشع یافته از نقاط مختلف یک جسم و تبدیل آنها به سیگنال (یا تصاویر) قابل مشاهده.
ترموگرافی یکی از روشهای ‍پایش وضعیت و پیش بینی عیوب ماشین آلات مکانیکی و الکتریکی می‌باشد؛ زیرا عملکرد هر دستگاه همواره با انتشار گرما همراه است و معمولاً هر ایراد مکانیکی و الکتریکی در تجهیزات با افزایش و یا کاهش دما بروز می‌نماید. به عنوان مثال، افزایش دما در یک مدار الکتریکی می‌تواند ناشی از اتصالات ناصحیح با مقاومت بالا باشد. قطعی مدار نیز می‌تواند به صورت نقاط سرد ناشی از عدم جریان در مدار ظاهر شود. همچنین، توزیع دما در سطح تجهیزات مکانیکی وقتی این تجهیزات در شرایط ایده‌آل کار می‌کنند دارای امضای حرارتی خاص است که با تغییر آن می‌توان به وجود عیب در تجهیز پی برد. یک روش ساده این است که اندازه‌گیری توزیع دما در سطح ماشین آلات در حین کار انجام شده و با توزیع دمایی آن ماشین در حالت کارکرد سالم (که از مستندات و کاتالوگهای مربوط به ماشین و یا از روی تجربه بدست می‌آید) به وجود عیب پی برد. علاوه بر این، الگوی حرارتی ثبت شده در صورت تفسیر درست حتی می‌تواند نوع و علت عیب را مشخص کند.
گرمای منتشر شده از سطح بیرونی اجسام به صورت تشعشعات مادون قرمز آزاد می‌گردد که البته توسط چشم انسان قابل رویت نیستند. اما این تشعشات را می‌توان از طریق دوربین‌های ترموگرافی مشاهده نمود. از آنالیزهای حرارتی جهت شناسائی و تشخیص عیوبی مانند اتصالات الکتریکی نامناسب، شل بودن قطعات و تجهیزات، تغییرات متالورژی، بار بیش از حد، خنک کاری نامناسب، ولتاژ نامناسب، اتصال و رسانائی نامناسب، کثیف بودن تجهیزات، وجود آلودگی محیطی، اکسیده شدن اتصالات، ظرفیت نامناسب، خوردگی و فرسایش خارجی، عدم هم محوری و ارتعاشات بیش از حد و بسیاری عیوب دیگر که در نهایت باعث معیوب شدن قطعات و تجهیزات می‌گردند، استفاده می شود.

انرژی حرارتی
حرارت به زبان ساده عبارتست از انرژی در حال گذر که بدلیل اختلاف دما مابین دو نقطه جریان می یابد. سه شکل عمومی انتقال حرارت عبارتند از: هدایت، جابجایی، و تشعشع. دو نوع اول برای انتقال حرارت نیاز به محیط مادی دارند؛ در حالی که تشعشع در محیط خلاء نیز قابلیت انتقال انرژی را دارد. تشعشع حرارتی بصورت انتشار امواج الکترومغناطیسی و در طیف وسیعی از محدوده های طول موجها (بسته به دمای جسم گسیل کننده حرارت) صورت می پذیرد. با این وجود، برای اجسامی که در دماهای معمول بر روی کره زمین قرار دارند تشعشع حرارتی بطور غالب در محدوده طول موج خاصی که مادون قرمز نامیده می شود، انجام می گیرد. از اینرو، تشعشع حرارتی عموما تشعشع مادون قرمز نیز نامیده می شود.
بطور کلی، ترموگرافی مقدار انرژی حرارتی گسیل شده، عبوری، و منعکس شده از یک جسم را نمایش می دهد. این موضوع را می توان بصورت زیر بیان کرد:
توان تشعشع انعکاسی + توان تشعشع عبوری + توان تشعشع گسیل شده  =  توان تشعشع ورودی
که در آن، توان تشعشع ورودی پروفایل ثبت شده توسط دوربین ترموگرافی می باشد. توان تشعشع گسیل شده در واقع همان تشعشعی است که ترموگرافی به دنبال اندازه گیری آن می باشد. توان تشعشع عبوری مقدار تشعشع عبور کرده از جسم تحت اندازه گیری؛ و توان تشعشع انعکاسی مقدار تشعشع انعکاس یافته از سطح آن جسم می باشد. بدلیل اینکه منابع متعددی در اندازه گیری دمای یک جسم اثرگذار هستند، تعیین دقیق دمای جسم مشکل می باشد. از این رو، دوربین های ترموگرافی بایستی با استفاده از الگوریتم های خاص، بتوانند این منابع را از یکدیگر تفکیک و نتایج بدست آمده را تفسیر کنند.

تشعشع مادون قرمز (IR)
تشعشع مادون قرمز نوعی تشعشع الکترومغناطیس غیر قابل رویت با طول موج کمتر از امواج رادیویی و بیشتر از نور مرئی می باشد. امواج مادون قرمز در محدوده طول موج 0.7 میکرومتر (فرکانس 430 ترا هرتز) تا طول موج 1000 میکرومتر (300 گیگاهرتز) از طیف امواج الکترومغناطیس قرار گرفته اند. عمده تشعشع حرارتی که اجسام در دمای اتاق از خود ساطع می کنند در محدوده امواج مادون قرمز قرار دارند.

تشعشع مادون قرمز توسط ملکولها (زمانی که مدار دورانی شان را تغییر می دهند) گسیل یا جذب می شود. در حالت کلی، توان تشعشع حرارتی (P) برای جسمی که در دمای T قرار دارد از طریق رابطه زیر بدست می آید:
P=εσAT^4
که در آن، ε ضریب تشعشع جسم، σ ثابت بولتزمان (=5.6703×〖10〗^(-8)   watt/(m^2 K^4 ))، A مساحت سطح، و T دمای جسم بر حسب کلوین می باشد.

ضریب تابش (ϵ)
یکی از نکات مهمی که رعایت آن برای اندازه گیری صحیح دما در دوربین های مادون قرمز اهمیت زیادی دارد، تنظیم صحیح پارامتر ضریب تابش سطح مورد اندازه‌گیری است. ضریب تابش یک جسم عبارتست از "نسبت توان تابش حرارتی گسیل شده توسط آن جسم در دمای مورد نظر به توان تابش جسم سیاه ایده‌آل در همان دما"؛ که عموما عددی کوچکتر از یک است.
این ضریب به کیفیت جسم و پارامترهای سطح بستگی دارد. ممکن است مواد مختلف با ضریب تابش‌های مختلف در یک محیط کنارهم باشند که بازرسی ترموگرافی باید این مسئله را مدنظر قرار دهد؛ این بدان معنی است که با یک ضریب تابش نمی‌توان عدد صحیح دمای تمامی تجهیزات را به دست آورد. چنانچه در تصویری که می‌خواهیم تهیه کنیم، چند جسم با ضریب صدور متفاوت وجود داشت، برای انجام یک تصویر برداری گرمایی موفق، استفاده از یک پوشش مثل رنگ کدر یا نوار چسبهای کدر برای کلیه این اجسام می‌تواند راه حلی عملی باشد. درغیر این صورت می توان برای دستیابی به توزیع دمایی واقعی تر، ضریب تابش سطح هدف را به تجهیز معرفی نمود.

تجهیزات ترموگرافی


همانطور که قبلا اشاره شد، ترموگرافی بر مبنای اندازه گیری دما بصورت غیر تماسی استوار می باشد. بدین منظور، نیاز به استفاده از تجهیزات خاصی می باشد تا بتوان دما را بر اساس تشعشعات الکترومغناطیسی در محدوده امواج مادون قرمز ثبت کرد. بطور کلی، تجهیزاتی که بدین منظور مورد استفاده قرار میگیرند تغییرات شدت تشعشع مادون قرمز را ثبت و ضبط می کنند. اما در عین حال، خروجی آنها به صورت تصاویری که در آن تغییرات دما نمایش داده می شود، ارائه می گردد.

فرآیند تبدیل تشعشعات مادون قرمز به دما به یکی از دو روش زیر انجام می گیرد:
-    تبدیل داخلی (توسط خود تجهیزات اندازه گیری)
-    پردازش خارجی (توسط نرم افزاهای مخصوص)
در هر دو حالت، پردازش تشعشعات و تبدیل آنها به دما فرآیند پیچیده ای دارد که شامل بکارگیری معادلات فیزیکی به همراه در نظر گرفتن خصوصیات تشعشعاتی جسم تحت بررسی، محیط اطراف، و اتمسفر می باشد. حاصل عملیات پردازش و تبدیل تشعشعات بصورت تصاویری ارائه می گردند که دماها بر روی آنها قابل خواندن است؛ این تصاویر اصطلاحا ترموگرام (Thermogram) نامیده می شوند.
در حال حاضر، دوربین های ترموگرافی (Thermographic Camera) - که دوربینهای مادون قرمز یا حرارتی نیز نامیده می شوند - متداول ترین تجهیزاتی هستند که برای ثبت تشعشعات مادون قرمز مورد استفاده قرار می گیرند. همانند دوربین های معمولی که تشعشعات نور مرئی (محدوده طول موج 4/0 تا 7/0 میکرومتر) را ثبت و نمایش می دهند، دوربین های ترموگرافی تشعشعات مادون قرمز (عموما محدوده طول موج 9 تا 14 میکرومتر) را ثبت و مورد استفاده قرار می دهند.

برخی از خصوصیات دوربین های ترموگرافی که در انتخاب آنها برای یک کاربرد خاص بایستی مد نظر قرار گیرند، عبارتند از:
-    تعداد پیکسل (Number of pixels)
-    سرعت فریم (Frame rate)
-    جواب گویی (Responsivity)
-    توان معادل نویز (Noise-equivalent power)
-    اختلاف دمای معادل نویز (Noise-equivalent temperature difference)
-    باند طیفی (Spectral band)
-    نسبت فاصله به نقطه (Distance-to-Spot Ratio)
-    مینیمم فاصله فوکوس (Minimum Focus Distance)
-    عمر سنسور (Sensor lifetime)
-    مینیمم اختلاف دمای قابل حل (Minimum resolvable temperature difference)
-    میدان دید (Field of view)
-    محدوده حرکتی (Dynamic range)
-    توان ورودی (Input power)
-    وزن و حجم (Mass and volume)

از نظر مکانیسم عملکرد، دوربین های ترموگرافی به دو دسته کلی زیر تقسیم می شوند:
o    دوربین های با ردیاب بدون خنک کاری
o    دوربین های با ردیاب دارای خنک کاری

دوربین های با ردیاب بدون خنک کاری (Uncooled infrared detectors)
دوربین های بدون خنک کاری از سنسورهایی استفاده می کنند که در دمای محیط عمل می کنند. تقریبا همه انواع پیشرفته این ردیاب ها از سنسورهایی بهره می برند که حین گرم شدن در اثر تشعشع مادون قرمز مقاومت، ولتاژ، و یا جریان آنها تغییر می کند. این تغییرات اندازه گیری شده و با مقادیر مربوط به دمای کاری سنسورها مقایسه می شوند.
 برای افزایش کیفیت و کاهش نویز تصاویر این دوربین ها را می توان برای استفاده در یک دمای کاری خاص تنظیم کرد. بدلیل عدم استفاده از سیستم خنک کاری، این نوع دوربین ها از اندازه و قیمت پایین تری برخوردارند؛ اما بایستی توجه داشت که رزولوشن و کیفیت تصاویر آنها در مقایسه با دوربین های دارای خنک کاری پایین تر است.
در تولید دوربین های بدون سیستم خنک کاری غالبا از خصوصیات مواد پیرو الکتریک و فرو الکتریک و یا تکنولوژی میکروبولومتر (microbolometer) استفاده می شود. این مواد برای ایجاد پیکسل هایی با خواص دمایی (وابسته به دما) بالا که از نظر حرارتی از محیط اطراف ایزوله شده اند و بصورت الکترونیکی داده برداری می کنند، بکار گرفته می شوند.

دوربین های با ردیاب دارای خنک کاری (Cooled infrared detectors)
رئیاب این دوربین ها عموما در محفظه خلاء ای که بصورت برودتی خنک کاری می شود، قرار دارد؛ چرا که فرآیند خنک کاری برای عملکرد بهینه مواد نیمه هادی بکار رفته در ساختار آنها ضروری می باشد. بر اساس تکنولوژی بکار رفته در ردیاب این دوربین ها، دمای  خنک کاری آنها در محدوده 4 کلوین تا دماهای زیر دمای اتاق متغیر می باشد. بعنوان مثال، نمونه های مدرن این ردیاب ها در دمای حدود 60 تا 100 کلوین کار می کنند.
 علت استفاده از سیستم خنک کاری در این دوربین ها اینست که بدون خنک کاری، ردیاب های آنها توسط تشعشعات خود ردیاب اصطلاحا کور می شوند. همین موضوع باعث شده است که هم تولید و هم بکارگیری این نوع دوربین ها گران تر از سایر انواع دوربین باشد؛ چرا که خنک کاری در عین مصرف انرژی، عملیات ترموگرافی را زمان بر نیز می کند. برای مثال، خنک شدن این دوربین ها ممکن است چندین دقیقه طول بکشد تا آماده کار شوند.
با وجود اینکه سیستم خنک کاری باعث گران و حجیم تر شدن این دوربین ها می شود، اما کیفیت تصاویر آنها به مراتب بالاتر از انواع دیگر دوربین می باشد. بعلاوه، حساسیت بالاتر دوربین های دارای سیستم خنک کاری امکان استفاده از لنزهای با عدد کانونی بالاتر را فراهم می کند که این امر باعث کوچکتر و ارزان تر شدن لنزهای فاصله کانونی بالا می شود.
متداول ترین سیستم خنک کاری مورد استفاده در این دوربین ها موتور دوار استرلینگ می باشد. به عنوان آلترناتیو برای این موتور، می توان از گازهایی نظیر نیتروژن (تحت فشارهای بالا) استفاده کرد. در اینصورت، گاز فشرده از طریق یک اریفیس میکرو منبسط و از یک مبدل حرارتی مینیاتوری عبور کرده و منجر به خنک کاری تجدید پذیر می شود. در این نوع سیستم خنک کاری، برای تامین گاز فشرده در کاربردهای صنعتی بایستی تمهیدات لازم در نظر گرفته شود.
برخی از مواد مورد استفاده برای ردیابی امواج مادون قرمز در دوربین های با سیستم خنک کاری عبارتند از:
-    ایندیوم آنتیمونید (indium antimonide)
-    ایندیوم آرسنید (indium arsenide)
-    مرکوری کادمیوم تلراید (mercury cadmium telluride)
-    سولفید سرب (lead sulfide)
-    سلنید سرب (lead selenide)

کاربردهای ترموگرافی


با وجود اين كه ترموگرافي يكي از ارزان ترين و كارآمد ترين روش هاي بازرسي و پايش وضعيت می باشد، اما بايد توجه نمود كه محدوديت هاي خاصي نیز دارد؛ که این امر کاربردهای آن را در همه حوزه ها میسر نمی کند. یکی از خصوصیات ترموگرافي آن است كه اين روش صرفا انرژي تابشي حرارتي لایه ای به ضخامت تقریبی 001/0 اينچ از سطح جسم را اندازه گيري می کند. اين موضوع، قابلیت ترموگرافی را در بررسي و پایش وضعیت طیف وسیعی از تجهیزات و کاربردها تحت تاثیر قرار می دهد. برای توفیق ترموگرافی در یک کاربرد خاص، علاوه بر استعداد تشعشعی سیستم مورد بررسی، بکارگیری يك دوربين ترموگرافي با كيفيت و حضور يك اپراتور ماهر و باتجربه الزامیست.
به طور کلی، کاربردهای ترموگرافی در زمینه پایش وضعیت را می توان در 4 حوزه زیر دسته بندی کرد:
o    تجهیزات الکتریکی
o    تجهیزات مکانیکی
o    سازه های شهری
o    پزشکی

تجهیزات الکتریکی:
مهمترین علت بخش عمده ای از مشکلات سیستم های الکتریکی تولید حرارت بیش از حد در اثر مقاومت الکتریکی بالا (و یا جریان الکتریکی اضافی) در مدارها می باشد. بطور طبیعی زمانی که جریان الکتریکی در یک مدار جریان می یابد، طبق قانون اُهم بخشی از آن به انرژی حرارتی تبدیل می شود. در صورتی که مقاومت الکتریکی (یا جریان الکتریکی) بیش از حد در مدار بوجود آید، باعث تولید حرارت غیر طبیعی و بیش از حد در مدار می شود که علاوه بر هدر رفت انرژی، در ادامه می تواند منجر به صدمه دیدن تجهیزات گردد. ترموگرافی با ثبت امواج مادون قرمز ناشی از حرارت های غیر طبیعی، امکان ردیابی و شناسایی نقاط حساس و معیوب تجهیزات را فراهم می کند.
 معمولاً عیوب تجهیزات الکتریکی در تصاویر ترموگرافی به صورت نقاط داغ (یا سرد)دیده می‌شوند. این عیوب عمدتا از دو عامل اصلی نشات می گیرند: (الف) مقاومت الکتریکی بالا در اتصالات و (ب) بارگذاری بیش از حد. به عنوان مثال مقاومت الکتریکی بالا می تواند در اتصالات ناقص، اکسید و یا خورده شده بوجود آید. همچنین جریان الکتریکی بالا ممکن است ناشی از تخریب عایق ها رخ دهد که نهایتا باعث ایجاد نقاط داغ می‌شوند. برخی از عیوب شایع در تجهیزات الکتریکی که توسط ترموگرافی امکان شناسایی آنها وجود دارد عبارتند از:
-    اتصالات ناقص
-    بارگذاری بیش ار حد
-    مدارهای باز
-    بارگذاری های نا متعادل
-    و ...
تجهیزات مکانیکی:
از آنجا که ترموگرافی بر مبنای تغییرات دما و حرارت سطوح عمل می نماید، برای پایش وضعیت ماشین آلات مکانیکی بدین روش لازم است با اساس عملکرد، خصوصیات حرارتی، عیوب منجر به تولید حرارت، شرایط شروع به کار، شرایط طبیعی کار، و شرایط خاموشی ماشین آلات آشنایی کافی داشت. با توجه به اینکه هیچکس به اندازه پرسنل یک واحد صنعتی با تجهیزات آن واحد آشنا نیستند، بنابراین برای اجرای عملیات ترموگرافی موفق بایستی سوابق عملکردی تجهیزات بعلاوه اطلاعات ترموگرافی آنها در شرایط کاری نرمال در دسترس باشد.
 طیف وسیعی از تجهیزات مکانیکی مورد استفاده در واحدهای صنعتی قابلیت پایش وضعیت با روش ترموگرافی را دارا می باشند. از جمله مهمترین این تجهیزات می توان به موارد زیر اشاره کرد:
-    موتورها
-    پمپ ها
-    مبدل های حرارتی
وجود عیوب مختلف مانند عدم هم محوری، سایش بیش از حد، روانکاری ناقص و غیره می تواند باعث افزایش دمای ماشین آلات مکانیکی شود. با توجه به الگوی حرارتی تشکیل شده، در بسیاری از موارد می توان علت افزایش حرارت را مشخص کرده و با کمک سایر روش‌های پایش وضعیت (آنالیز ارتعاشات، آکوستیک امیشن، آلتراسونیک، و آنالیز روغن) به عیب یابی تجهیزات پرداخت.
برخی از مهمترین علل بوجود آمدن تغییرات دمایی در تجهیزات مکانیکی عبارتند از:
-    خنک کاری نامناسب
-    عدم هم محوری
-    عیوب یاتاقانی
-    عیوب عایقی
-    و ...

سازه های شهری:
مهمترین کاربرد ترموگرافی در حوزه پایش وضعیت سازه های شهری مربوط به ساختمان ها می باشد. از آنجا که در ساختمان ها مانند بسیاری از سازه های مهندسی انرژی حرارتی جریان دارد، بنابراین تغییرات دمایی و به تبع آن تغییرات تشعشعات مادون قرمز قابل ردیابی و اندازه گیری است. خوشبختانه اغلب مصالح مورد استفاده در ساختمان ها دارای ضرایب تشعشعی در محدوده 0.9 تا 0.96 می باشند؛ از اینرو، تشعشعات مادون قرمز آنها طی تنها یک مرحله قابل اندازه گیری است.
 عموما ترموگرافی ساختمان ها یک بار از بیرون و یک بار از درون ساختمان انجام می گیرد. در اینصورت، حالت بهینه برای پایش وضعیت وجود اختلاف دمای حدود 20 درجه ای مابین دماهای داخل و خارج ساختمان می باشد (بعضا دمای 10 درجه نیز کفایت می کند). این بدان معنی است که بهترین زمان انجام ترموگرافی ساخنمان ها فصل زمستان خواهد بود که دمای محیط نزدیک صفر درجه است. در حالت کلی، پل های داغ با ترموگرافی خارجی ساختمان قابل ردیابی می باشند؛ در حالی که، پل های سرد با ترموگرافی داخلی ساختمان مشاهده می شوند. مهمترین مواردی که با استفاده از ترموگرافی ساختمان ها قابل شناسایی می باشند عبارتند از:
-    نشت انرژی (حرارتی)
-    نشت رطوبت (آب)
-    میکرو ارگانیسم ها (بدلیل وجود رطوبت)

پزشکی:
با پیشرفت علم و تکنولوژی در حوزه پزشکی، سیر شناسایی و درمان انسان ها به سمتی سوق پیدا کرده است که بیمار کمترین زمان را در طول فرآیند شناسایی و بهبود بیماری سپری کند. یکی از مهمترین شاخص های طبیعی انواع بیماری ها در انسان تغییرات دما (وجود دمای غیرطبیعی) ناشی از جریان خون در بدن می باشد. بر این اساس، ترموگرافی مادون قرمز به عنوان روشی سریع، غیرتهاجمی، بدون تماس و بصورت منفعل قابلیت نظارت بر وضعیت بدن انسان را داراست؛ بدین صورت که نقشه (تصویر) درجه حرارت سطح بدن را از راه دور ارایه می نماید.
در طول دهه های اخیر تحقیقات وسیعی برای استفاده از دوربین های ترموگرافی و به دست آوردن ارتباط نزدیک بین فیزیولوژی حرارتی بدن و دمای پوست انجام شده است. در این راستا، ترموگرافی با موفقیت برای تشخیص بیماری های زیر مورد استفاده قرار گرفته است:
-    سرطان (پستان)
-    بیماری های مرتبط با پاتولوژی خون (آرتریو اسکلروز، عروق محیطی، ترومبوزهای وریدی، و ...)
-    بیماری های مرتبط با پاتولوژی مفاصل و استخوان‌ها
-    بیماری های مرتبط با پاتولوژی تومورال
-    بیماری های مرتبط با نوزادان