1

Mikrotalasnai termička ispitivanja

v.as.mr. Samir Lemešslemes@mf.unze.ba

Mikrotalasna ispitivanjaMikrotalasiPrednosti metodeFizički principiTehnike ispitivanjaPodručja primjene

2

Mikrotalasi

MikrotalasiMikrotalasi su vrsta elektromagnetskog zračenja frekvencije od 300 MHz do 325 GHzTo odgovara talasnim dužinama od 10 m do 1 mmPrva važnija upotreba mikrotalasa je radarMikrotalasi se ponašaju slično svjetlu: putuju pravolinijski, odbijaju se

3

MikrotalasiImaju talasne dužine 10.000 do 100.000 puta veće od svjetlosti; prodiru duboko u materijalDubina prodiranja mikrotalasa zavisi od permitivnosti, permeabilnosti i provodljivosti materijalaMikrotalasi se odbijaju od unutrašnjih granica u materijalu

MikrotalasiPrva upotreba: ispitivanje sadržaja vlage u dielektricima: molekule vode apsorbuju mikrotalaseMjerenje debljine tankih metalnih obloga pomoću stojećeg talasaMjerenje makroporoznosti, uključaka, grešaka u plastičnim i keramičkim materijalima, kompozitnim i laminarnim materijalima

4

Prednosti metodeŠirokopojasni frekventni odzivPrenos signala kroz zrak bez smetnjiNema kontaminacije ispitivanog materijalaLako se dobiju informacije o fazi i amplitudi mikrotalasaNije potreban fizički kontakt mjerila i materijala koji se ispitujeNema promjena u materijalu

Prednosti metodeMale dimenzije uređajaMikrotalasi se mogu koristiti za otkrivanje i mjerenje pukotina:

Metoda je najosjetljivija kad su pukotine otvorene (površinske)Ako je pukotina ispod površine, indikacija njenog položaja su visoki naponi na površini iznad pukotineViše frekvencije potrebne za otkrivanje malih pukotina

5

Ograničenja metodeNe mogu prodirati duboko u metalGreška čija je efektivna dimenzija znatno manja od talasne dužine se ne može kompletno identifikovatiNe može se koristiti za greške manje od 0,1 mmPukotine ispod površine se mogu otkriti mjerenjem površinskog napona, koji treba biti puno veći neposredno iznad pukotine

Fizički principiU slobodnom prostoru, elektromagnetni talas je transverzalniBrzina kojom talas putuje duž z-ose je data relacijom: v = f λ

6

Fizički principiOsobine homogenog materijala od kojih zavisi propagacija mikrotalasa su magnetna permeabilnost, dielektrični koeficijent i električna provodljivostElektrična provodljivost može biti od 10-16

Ωmm za dobre izolatore do oko 107 Ωmm za dobre provodnike kao što je bakar

Fizički principiRefleksija i refrakcija mikrotalasa na prelazu između dva medija različitih elektromagnetskih osobina su praktično iste kao kod vidljive svjetlostiVaži Snellov zakon: n2sinθ = n1sinϕgdje su n1 i n2 indeksi prelamanja

7

Fizički principiApsorpcija i disperzija mikrotalasa: javljaju se usljed interakcije električnog polja sa dielektričnim (molekularnim) osobinama nemetalnog materijalaPolarizacija i provođenje (kondukcija) materijala utječu na upijanje i rasipanje energije električnog poljaPri tome se energija mikrotalasa pretvara u toplotnu energiju

Fizički principiStojeći talasi nastaju usljed interferencije: Dva talasa iste frekvencije prodiru u suprotnim smjerovimaTaj fenomen se koristi za mjerenje debljine materijala, zahvaljujući vezi između frekvencije i amplitude stojećeg talasa za dati medij

8

Fizički principiRasipanje (scattering) se javlja kad se mikrotalasi odbijaju od nehomogenih područjaU tom slučaju odbijeni talas nije jedan talas, nego se sastoji od niza talasa različitih amplituda, faza i smjerovaNa slici je prikazano rasipanje kod metalnih sfera različitog prečnika

Tehnike ispitivanjaTransmisija kontinuiranog talasa fiksne frekvencijeTransmisija kontinuiranog talasa opadajuće frekvencijeTransmisija impulsne modulacije

Refleksija kontinuiranog talasa fiksne frekvencijeRefleksija kontinuiranog talasa fiksne frekvencijeRefleksija impulsne modulacije

9

Tehnike ispitivanjaStojeći talasi fiksne frekvencijeReflektivno rasipanje fiksne frekvencijeMikrotalasna holografijaMikrotalasna impedanca površineMikrotalasna detekcija korozije nastale usljed naprezanja

Tehnike ispitivanjaSvaka od pomenutih tehnika koristi jedan ili više procesa kojima materijali djeluju na mikrotalaseNa osnovu tih tehnika, instrumenti se dijele na 4 grupe:

TransmisijaRefleksijaStojeći talasRasipanje

10

Tehnike ispitivanjaTehnika transmisije:Na površini se talas dijeli na reflektovani i na prelomljeni talasAmplituda i faza signala kojeg primi antena se porede s referentnim signalom

Tehnike ispitivanjaTehnika transmisije može imati tri varijacije:

Kontinuirani talas fiksne frekvencijeKontinuirani talas promjenjive frekvencijeImpulsno modulirani talas

11

Tehnike ispitivanjaTehnika refleksije može biti:

sa jednom antenomsa dvije antene

Tehnike ispitivanjaI tehnika refleksije može imati tri varijacije:

Kontinuirani talas fiksne frekvencijeKontinuirani talas promjenjive frekvencijeImpulsno modulirani talas

Kako impulsi moraju biti uski kod ispitivanja plitkih defekata, koristi se i frekventna modulacija

12

Tehnike ispitivanjaMikrotalasna holografija se zasniva na interferenciji dva talasaKad su mikrotalasi u rasponu od ultraljubičastih do infracrvenih frekvencija, može se dobiti hologram na fotografskom filmu Hologram je slika mreže dobijene interferencijom

Tehnike ispitivanjaIsta tehnika se koristi kod mikrotalasnih frekvencija (300 MHz do 300 GHz), a umjesto filma se koristi mikrotalasni prijemnik

13

Područja primjeneMjerenje debljine materijalaMogu se mjeriti i metalni i nemetalni materijali

Područja primjeneOtkrivanje diskontinuitetaZa razliku od poroznosti i odstupanja od nominalnog hemijskog sastava, diskontinuiteti kao što su uključci, greške, pukotine, dovode do refleksije, prelamanja ili rasipanja elektromagnetnih talasa

14

Područja primjeneMikrotalasno otkrivanje površinskih pukotina u metalima

Područja primjeneHemijski sastav dielektričnih materijalaPromjene hemijskog sastava utječu na brzinu prostiranja mikrotalasaPromjene brzine mijenjaju količinu i ugao reflektovane i emitovane energijeMogu se mjeriti: polimerizacija, oksidacija, esterifikacija, vulkanizacija

15

Područja primjeneMjerenje vlažnosti Molekule vode snažno upijaju i rasipaju mikrotalase Ova tehnika se koristi i u kontinuiranom (procesnom) mjerenju i u laboratorijskim uslovima, posebno za plastične i keramičke materijaleNe može se koristiti kod gasovaJak je utjecaj temperature

Područja primjeneMjerenje anizotropije Osobine materijala koje zavise od smjera mogu se mjeriti pomoću linearno polariziranih mikrotalasaMjerenje se zasniva na rotiranju glave senzora u odnosu na materijal i praćenjem ugla rotacije

16

Područja primjeneMjerenje korozije uzrokovane naprezanjem Aluminij, magnezij i titan su skloni pojavi korozije ako su izloženi naprezanjuMjeri se impedanca površine, koja zavisi od korozije

Termička ispitivanjaOpis metodePrincip radaOprema za ispitivanjeMetode ispitivanjaPrimjena

17

Termička ispitivanjaOve metode obuhvataju sve metode kod kojih se uređaji koji su osjetljivi na promjenu temperature koriste da registruju promjene temperature komponenti, struktura, sistema ili fizičkih procesaKoriste se za otkrivanje grešaka (neposredno) ispod površine, kod složenih objekata i sklopova

Princip radaOsnovni princip se zasniva na mjerenju temperature površine kad toplota teče na ili sa objekta koji se ispitujeRazlike temperature se koriste za otkrivanje grešaka ili za određivanje karakteristika prenosa toploteŠto je veća greška i što je bliža površini, to će veća biti razlika temperature

18

Princip radaVidljivi spektar:svjetlost talasne dužine 400 do 700 nmS promjenom temperature, mijenja se talasna dužina zračenja

Princip radaMehanizmi prenosa toplote (konvekcija, kondukcija i radijacija) zavise od karakteristika materijalaTermičko ispitivanje zavisi od lokalnih varijacija tih karakteristika

Specifična toplota – količina toplote koju će materijal apsorbovati za vremenski intervalGustoća – masa po jedinici zapremineTemperatura – mjera toplotne energije

19

Princip radaTermička provodljivost – količina toplote koja teče u datom pravcu kad postoji temperaturna razlika u tom pravcuTermička difuzija – brzina kojom toplota izlazi iz područja s većom temperaturom u okolinuKoeficijent prenosa toplote – mjera efikasnosti razmjene toplote između površine i gasa ili tečnosi koji preko nje teku

Oprema za ispitivanjeTemperaturni senzori koji se koriste kod termičkog ispitivanja se dijele na dvije kategorije: kontaktni i beskontaktni senzoriPored senzora, koriste se instrumenti za snimanje i uređaji za kalibracijuBeskontaktni senzori zavise od zračenja, koje je u infracrvenom području, u slučaju kad se ispitivanje vrši na sobnoj temperaturi

20

Oprema za ispitivanjeInfracrvena oprema je osjetljiva na dio spektra u blizini infracrvenog područja (1 μm – 1 mm)Senzori su obično silikonski (t>425°C) ili od olovnog sulfida (t>200°C)

Oprema za ispitivanjeRučni skeneri mogu registrovati spektar talasnih dužina od 8 do 12 m.Imaju loše karakteristike i ne mogu se koristiti za precizna mjerenja lokalnih temperaturnih razlikaKoriste se za otkrivanje vrućih tačaka (pregrijane komponente, nevidljivi plamen i sl.)

21

Oprema za ispitivanjeInfracrveni sistemi visoke rezolucije koriste piroelektrične vidicon kamere sa kolima za obradu slike ili mehaničke skenere sa kriogenskim hlađenjem Rezolucija: 150 piksela po linijiTemperaturna osjetljivost: do 0,1°CVrijeme odziva: <0,1 sSiva ili kolor temperaturna skala

Oprema za ispitivanjeInterferometrijski sistemi kombinuju moduliranu lasersku pobudu sa brzom detekcijom faze i amplitudePrimjer: ispitivanje obloga nanešenih plazmomMjeri se interakcijatermičkih talasa lasera i varijacija debljine obloge

22

Oprema za ispitivanjeRadiometri i pirometri mjere temperature zračenja, tačke ili linijeRadiometri imaju spor odziv, tako da se koriste za praćenje temperatura koje se sporo mijenjajuPirometri su beskontaktni termometri za temperature od 0 do 3000°CKoriste se u industrijskom okruženju

Oprema za ispitivanjeTečni kristali se nanose na objekte koji se ispituju Tečni kristali reaguju na temperature od -20 do 250°CVrijeme odziva je 30 do 100 msRezolucija može biti do 0,02 mm

23

Oprema za ispitivanjeTermički kaljeni fosfor je organski materijal koji emituje vidljivu svjetlost kad se osvijetli ultraljubičastom lampomObjekat koji se ispituje se premazuje fosforom do debljine 0,12 mm

Oprema za ispitivanjeKoriste se i druge vrste premaza osjetljivih na temperaturuKoriste se i drugi uređaji za mjerenje temperature: termistori, termoelementi, termoparovi

24

Metode ispitivanjaStatičke metode se koriste kad su temperaturne promjene tokom vremena malePrimjer: parovod se može ispitivati na defekte traženjem vrućih tačakaTakvi defekti su obično visoke temperature

Metode ispitivanjaDinamičke metode se koriste za otkrivanje anomalija kod kojih se temperatura mijenja tokom mjerenjaPromjene se mogu javljati zbog aktivnih ili zbog pasivnih uzrokaPrimjer: Područje koje sadrži hladnu vodu će se hladiti sporije i formiraće privremenu vruću tačku, dok će na mjestu stanjenja stjenke ili na mjestu korozije hlađenje biti brže

25

Metode ispitivanjaPrimjer dinamičke obrade slike:Slika defekta 3 s nakon zagrijavanjaSlika defekta 5 s nakon zagrijavanjaRazlika te dvije slike otkriva defekat

Metode ispitivanjaKvantitativne metode se baziraju na referentnim standardimaPrimjer: varijacije u fazi promjene temperature u zavisnosti od debljine obloge i modulacijetermičke pobude (0,5 i 5 Hz)

26

PrimjenaVruća i hladna opremaKontrola procesaProdiranje tečnostiGreškeElektronski uređajiIstraživanje

Primjeri primjeneTermalno ispitivanje spoja aluminijskih limova

27

Primjeri primjeneTermalno ispitivanje naprezanja

Primjeri primjene

28

Primjeri primjene

Primjeri primjene