ترموگرافی مادون قرمز یا Infrared Thermography (IRT) یکی از فناوری های غیرتهاجمی و بدون تماس است که به سرعت در صنایع مختلف جایگاه ویژه‌ای یافته است. این تکنیک مبتنی بر اندازه‌گیری انرژی حرارتی منتشرشده از اجسام و تبدیل آن به تصویر حرارتی است. با پیشرفت چشمگیر دوربین‌های حرارتی و کاهش هزینه‌ی آن‌ها، کاربرد IRT از بازرسی‌های ساده فراتر رفته و وارد حوزه‌های پیچیده‌تری همچون تحلیل عیوب در موتورهای الکتریکی، تجهیزات مکانیکی، سیستم‌های خورشیدی و حتی صنایع غذایی شده است.
مزایا و محدودیت‌های ترموگرافی مادون قرمز (IRT)
ترموگرافی مادون قرمز یکی از ابزارهای نوین در حوزه نگهداری و پایش وضعیت تجهیزات صنعتی به شمار می‌رود که با اتکا به اصول تشعشع حرارتی، امکان مشاهده توزیع دما در سطح تجهیزات را به‌صورت تصویری و غیرتماسی فراهم می‌سازد. این فناوری در سال‌های اخیر به دلیل توسعه دوربین‌های حرارتی دقیق، سبک و قابل‌حمل و همچنین کاهش قیمت آن‌ها، مورد استقبال گسترده‌ای در صنایع مختلف قرار گرفته است. در این بخش به بررسی دقیق‌تر مزایا و محدودیت‌های این تکنولوژی می‌پردازیم.
مزایای برجسته ترموگرافی مادون قرمز
ترموگرافی مادون قرمز با ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود توانسته است در حوزه‌های مختلف صنعتی به عنوان ابزاری ارزشمند شناخته شود. در ادامه، به بررسی مهم‌ترین مزایای این روش می‌پردازیم:
۱. عدم نیاز به تماس فیزیکی با تجهیزات
یکی از بزرگ‌ترین نقاط قوت IRT این است که برای بررسی وضعیت حرارتی یک تجهیز نیازی به تماس فیزیکی با آن وجود ندارد. در شرایطی که تجهیزات دارای ولتاژ بالا، دمای بالا یا در حال چرخش باشند، این ویژگی نقش حیاتی در حفظ ایمنی اپراتورها دارد. همچنین، این قابلیت باعث می‌شود که بتوان از فاصله‌ای امن، تجهیزات را مورد پایش قرار داد.
۲. سرعت بالا در اسکن سطوح گسترده
IRT قادر است در مدت‌زمانی بسیار کوتاه، سطوح بزرگ و تجهیزات متعدد را اسکن و داده‌برداری کند. این ویژگی آن را به ابزاری مناسب برای بازرسی‌های سریع دوره‌ای تبدیل کرده است. برای مثال، در یک پست برق یا کارخانه تولیدی می‌توان ده‌ها تجهیز را ظرف چند دقیقه ارزیابی و نقاط داغ (Hot Spots) را شناسایی کرد.
۳. ارائه داده‌ها به‌صورت تصویری و قابلیت ذخیره‌سازی
دوربین‌های ترموگرافی علاوه بر نمایش هم‌زمان تصویر حرارتی، امکان ذخیره‌سازی تصاویر و داده‌های دمایی را برای تحلیل‌های بعدی فراهم می‌کنند. این قابلیت به تیم‌های تعمیرات و مهندسی اجازه می‌دهد تا الگوهای حرارتی را در بازه‌های زمانی بررسی کرده و روند پیشرفت یا تغییر رفتار حرارتی تجهیزات را تحلیل کنند.
۴. عدم نیاز به توقف خط تولید یا خاموشی تجهیزات
در بسیاری از روش‌های سنتی پایش، لازم است تجهیز موردنظر از مدار خارج شده یا خاموش شود. اما IRT این امکان را فراهم می‌کند که تجهیزات در حین عملکرد عادی و تحت بار کاری واقعی بررسی شوند. این ویژگی به‌خصوص در صنایع فرآیندی، نیروگاه‌ها و خطوط تولید پیوسته، اهمیت بسیاری دارد.
۵. نیاز کم به مهارت برای پایش اولیه
استفاده اولیه از دوربین‌های حرارتی نسبتاً ساده است و اپراتور با آموزش‌های پایه می‌تواند تصاویر حرارتی را تهیه کند. البته باید توجه داشت که تحلیل دقیق و حرفه‌ای این تصاویر نیازمند دانش تخصصی در زمینه رفتار حرارتی، الکترونیک، مکانیک و تجربه میدانی است. به همین دلیل، تیم‌های نگهداری معمولاً تصاویر را ثبت کرده و برای تحلیل به کارشناسان ارجاع می‌دهند.
چالش‌ها و محدودیت‌های ترموگرافی مادون قرمز
با وجود مزایای گسترده، ترموگرافی مادون قرمز بدون چالش نیست. در ادامه، مهم‌ترین محدودیت‌هایی که در استفاده از این فناوری باید مدنظر قرار گیرند، بررسی شده‌اند:
۱. هزینه نسبتاً بالا برای تهیه تجهیزات
اگرچه قیمت دوربین‌های ترموگرافی در سال‌های اخیر کاهش یافته، اما همچنان برای بسیاری از صنایع کوچک و متوسط، هزینه خرید یک دوربین حرفه‌ای ممکن است بالا باشد. به‌ویژه مدل‌هایی که دارای رزولوشن بالا، قابلیت‌های تحلیلی پیشرفته و توانایی عملکرد در شرایط صنعتی سخت هستند، قیمت بالایی دارند. با این حال، باید این هزینه را در برابر صرفه‌جویی‌هایی که از طریق پیشگیری از خرابی‌های سنگین حاصل می‌شود، سنجید.
۲. ناتوانی در تشخیص دمای سطوح پشت موانع غیرشفاف
امواج مادون قرمز توانایی عبور از اجسامی مانند شیشه، پلاستیک‌های ضخیم یا فلزات را ندارند. بنابراین، اگر تجهیز یا ناحیه‌ای که باید پایش شود پشت یک کاور غیرشفاف قرار داشته باشد، دوربین ترموگرافی نمی‌تواند وضعیت حرارتی آن را مشاهده کند. این موضوع یکی از محدودیت‌های کلیدی IRT است و در طراحی سیستم‌ها باید مدنظر قرار گیرد.
برای مثال، اگر یک قطعه حساس در داخل تابلو برق و پشت شیشه ضخیم یا روکش فلزی قرار داشته باشد، لازم است کاور باز شود یا از پنجره‌هایی با شیشه‌های خاص استفاده گردد که امکان عبور امواج حرارتی را فراهم می‌کنند.
۳. نیاز به تخصص و دانش برای تحلیل دقیق نتایج
گرچه تهیه تصویر حرارتی کار پیچیده‌ای نیست، اما تفسیر آن نیازمند آگاهی از اصول فیزیکی، شناخت تجهیزات، و تجربه کاری است. عواملی مانند ضریب تابندگی (emissivity)، دمای محیط، رطوبت، فاصله دوربین از هدف، زاویه دید و بازتاب نور می‌توانند تأثیر مستقیمی بر دقت اندازه‌گیری دما داشته باشند.
برای مثال، اگر ضریب تابندگی یک سطح فلزی به‌درستی تنظیم نشود، دمای خوانده‌شده می‌تواند به‌طور چشمگیری کمتر از مقدار واقعی باشد. این امر ممکن است منجر به عدم شناسایی یک نقطه بحرانی شود. بنابراین، آموزش کامل به کاربران و بهره‌گیری از متخصصین تحلیل حرارتی یکی از الزامات بهره‌برداری موفق از IRT است.
کاربردهای الکتریکی
یکی از حوزه‌های اصلی کاربرد IRT، سیستم‌های الکتریکی است. از آن برای پایش تابلوهای برق، کابل‌ها، ترانسفورماتورها و سیستم‌های عایق استفاده می‌شود. قادر است مشکلاتی مانند اتصالات شل، اضافه‌بار، نامتعادلی فازها و خرابی تجهیزات را پیش از وقوع خرابی‌های بزرگ شناسایی کند.
در ترانسفورماتورها، این تکنیک برای تشخیص نقاط داغ، خرابی عایق، و قوس‌های ضعیف کاربرد دارد. در پنل‌های خورشیدی نیز، برای شناسایی سلول‌های معیوب یا گرم شدن‌های غیرطبیعی استفاده می‌شود.
IRT همچنین در بررسی وضعیت باتری‌ها و پیش‌بینی عمر مفید آن‌ها کاربرد دارد، به ویژه در باتری‌های مورد استفاده در خودروهای برقی که نقش کلیدی در توسعه پایدار دارند.
کاربردهای مکانیکی
در حوزه مکانیک، IRTبه عنوان ابزار کمکی برای شناسایی عیوب مکانیکی و تحلیل رفتار حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از کاربردهای کلیدی، بررسی ترک‌ها، تحلیل تنش‌ها، و آسیب‌های خستگی در سازه‌ها است. در صنعت هوافضا، برای شناسایی جداشدگی‌ها در مواد کامپوزیتی استفاده می‌شود.
IRT در فرایندهای ماشین‌کاری مانند تراش، فرز و سوراخ‌کاری نیز کاربرد دارد. با بررسی توزیع دما در ابزارها و قطعات، می‌توان سایش ابزار را شناسایی کرد. در مواد پلیمری تقویت‌شده با الیاف نیز، برای شناسایی عیوب سطحی و تحلیل تنش‌های داخلی در شرایط بارگذاری دینامیکی استفاده می‌شود. در فرآیند جوشکاری، IRT برای شناسایی ترک‌های زیرسطحی و ارزیابی کیفیت اتصال مفید است. همچنین، در صنایعی مانند خودروسازی، استفاده از این تکنولوژی برای ارزیابی صدمات پس از ضربه در سازه‌های ساندویچی فلز-پلیمر-فلز کاربرد دارد.
کاربرد ترموگرافی در موتورهای القایی
موتورهای القایی، به عنوان قلب بسیاری از صنایع، بیش از هر نوع موتور دیگری مورد استفاده قرار می‌گیرند. خرابی در این موتورها می‌تواند منجر به توقف تولید و زیان‌های اقتصادی شود. از جمله عیوب رایج می‌توان به خرابی بلبرینگ‌ها، عدم تعادل مکانیکی، خرابی سیستم خنک‌کننده و خرابی میله‌های روتور اشاره کرد.
IRT به عنوان ابزاری مؤثر برای پایش وضعیت موتورهای القایی به‌کار رفته است. با تصویربرداری حرارتی، می‌توان افزایش دمای ناشی از خرابی را مشاهده و محل دقیق عیب را شناسایی کرد. برخی از روش‌ها شامل تفکیک نواحی تصویر، تحلیل آماری و ترکیب IRT با تحلیل جریان موتور برای تشخیص دقیق‌تر هستند.
در موتورهایی که توسط اینورتر تغذیه می‌شوند، افزایش دمای ناشی از پالس‌های ولتاژ سریع نیز با IRT قابل شناسایی است. همچنین، خرابی در سیستم خنک‌کننده که منجر به افزایش دمای استاتور می‌شود، یکی از کاربردهای مهم IRT است.
از دیگر کاربردها می‌توان به اندازه‌گیری اتلاف حرارتی، تخمین انرژی مصرفی و تشخیص عیوب در حالت گذرا اشاره کرد.
کاربردهای متفرقه
علاوه بر کاربردهای یادشده، IRT در زمینه‌های دیگر نیز استفاده شده است:
- برچسب‌گذاری صنعتی: بازیابی علائم پاک‌شده یا پوشیده‌شده با رنگ.
- ذخیره‌سازی انرژی: تحلیل تغییر فاز مواد.
- صنایع غذایی: بررسی دمای سطح گوشت در زمان خشک‌کردن یا پایش سلامت گاوها در شیردوشی صنعتی.
- چاپ سه‌بعدی: بررسی کیفیت جوش ناحیه‌های لایه‌گذاری.
- صنایع هوافضا و راه‌آهن: شناسایی جداشدگی لایه‌ها و ترک‌ها.
- کاربردهای حفاظتی: تشخیص مین‌های زمینی پنهان‌شده در خاک.
ترموگرافی مادون قرمز به یکی از ابزارهای قدرتمند در پایش وضعیت تجهیزات صنعتی بدل شده است. افزایش کیفیت دوربین‌ها و کاهش هزینه‌ها، این امکان را فراهم کرده تا IRT در حوزه‌هایی فراتر از بازرسی‌های سنتی کاربرد یابد. با وجود برخی چالش‌ها، آینده‌ی این تکنولوژی روشن است و پژوهش‌های بیشتر می‌توانند به بهبود عملکرد، خودکارسازی، و کاربردهای گسترده‌تر آن کمک کنند.
ترموگرافی مادون قرمز، ابزاری بسیار توانمند در تشخیص زودهنگام خرابی‌ها و افزایش ایمنی عملیاتی در صنایع مختلف است. ویژگی‌هایی مانند عدم نیاز به تماس، سرعت بالا در پایش، قابلیت تصویربرداری بدون توقف تولید، و امکان ذخیره و تحلیل داده‌ها، آن را به انتخابی مناسب برای نگهداری پیش‌بینانه تبدیل کرده‌اند.
با این حال، برای بهره‌گیری مؤثر از این فناوری، لازم است محدودیت‌های آن مانند هزینه اولیه، ناتوانی در مشاهده سطوح پنهان و نیاز به دانش تخصصی در تحلیل نتایج به‌درستی درک و مدیریت شوند. آینده IRT به سمت هوشمندسازی، تحلیل خودکار تصاویر، و تلفیق با سایر فناوری‌ها پیش می‌رود که می‌تواند این محدودیت‌ها را تا حد زیادی کاهش داده و بهره‌وری آن را به حداکثر برساند.
مراجع
Osornio-Rios, Roque Alfredo, Jose Alfonso Antonino-Daviu, and Rene de Jesus Romero-Troncoso. “Recent industrial applications of infrared thermography: A review.” IEEE transactions on industrial informatics 15.2 (2018): 615-625.