Quantitative Analysis and Defect Assessment Using Infrared Thermographic Approaches

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αφορά στη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας και της αξιοπιστίας διαφορετικών προσεγγίσεων ενεργητικού θερμογραφικού ελέγχου για τη λήψη αποτελεσμάτων σε σχέση με τον ποιοτικό έλεγχο υποεπιφανειακών περιοχών ενδιαφέροντος και την ανάκτηση πληροφοριών για τον ποσοτικό χαρακτηρισμό τους. Κατά την εκτέλεση ενός ενεργητικού θερμογραφικού ελέγχου, το υπό εξέταση σώμα διεγείρεται θερμικά με τη χρήση μιας εξωτερικής πηγής ενέργειας και κατά τη διάχυση της θερμότητας στο εσωτερικό του, η χωρική και χρονική μεταβολή της επιφανειακής θερμοκρασίας καταγράφονται σε μια ακολουθία θερμικών εικόνων. Η ερμηνεία και η ανάλυση των αποτελεσμάτων βασίζεται στον εντοπισμό επιφανειακών θερμοκρασιακών διαφορών, ενώ πρόσφατες εξελίξεις στην ανάλυση θερμογραφικών δεδομένων επιτρέπουν την παρακολούθηση του φαινομένου αυτού, μελετώντας διαφορετικές πληροφοριακές παραμέτρους από αυτή της μεταβολής της θερμοκρασίας (π.χ. πρώτη χρονική και δεύτερη χρονική παράγωγος της μεταβολής της θερμοκρασίας, φάση του ανακλώμενου από την επιφάνεια θερμικού κύματος κ.α.) παρέχοντας ενισχυμένη ευαισθησία ανίχνευσης. Το τελευταίο βήμα προκειμένου να ολοκληρωθεί η παραπάνω διαδικασία ελέγχου είναι η ανάκτηση ποσοτικών πληροφοριών κυρίως για τη θέση (βάθος), τις πλευρικές διαστάσεις και τις θερμικές ιδιότητες των ανιχνεύσιμων “θερμικών ανομοιογενειών”. Βέβαια, παρόλο που οι βασικές αρχές της θερμογραφίας υπερύθρου είναι εκτενώς τεκμηριωμένες στην βιβλιογραφία, η μελέτη για την εφαρμογή της τεχνικής αυτής με στόχο τον ποσοτικό χαρακτηρισμό του υπό εξέταση αντικειμένου είναι περιορισμένη. Βάσει της παραπάνω περιγραφής, το κίνητρο για την εκπόνηση της συγκεκριμένης ερευνητικής μελέτης, είναι ότι ο θερμογραφικός έλεγχος εξακολουθεί να έχει τη δυνατότητα περαιτέρω εξέλιξης, προκειμένου να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις των άλλων ΜΚΕ τεχνικών που χρησιμοποιούνται συνήθως σε επιτόπου επιθεωρήσεις. Ως εκ τούτου σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη δύο διαφορετικών ενεργητικών θερμογραφικών τεχνικών, διερευνώντας την αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία τους ως αυτόνομες τεχνικές ελέγχου, οι οποίες να μπορούν να παρέχουν έναν ολοκληρωμένο χαρακτηρισμό του υπό εξέταση αντικειμένου μέσω της ποιοτικής και ποσοτικής αποτίμησης του. Συγκεκριμένα, πολύστρωτα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ανθρακονήματα (CFRPs), εξετάστηκαν με την τεχνική της Παλμικής Θερμογραφίας (Pulsed Thermography) για τη λήψη ποιοτικών πληροφοριών (ανίχνευση εσωτερικών φθορών) και ποσοτικών πληροφοριών (βάθος εσωτερικών φθορών) αντίστοιχα. Στη συνέχεια ο ενεργητικός θερμογραφικός έλεγχος εφαρμόστηκε με την τεχνική καταγραφής της σταδιακής πτώσης της θερμοκρασίας (Cooling-Down Thermography) για την ανίχνευση επικαλυμμένων με επίχρισμα ψηφιδωτών και την ανάκτηση ποσοτικών πληροφοριών όσον αφορά τη θέση της ψηφοθετημένης επιφάνειας (πάχος κάλυψης), το πάχος του στρώματος των ψηφίδων και τον έμμεσο χαρακτηρισμό του υλικού κατασκευής αυτών, μέσω της εκτίμησης των θερμικών ιδιοτήτων τους. Η ποσοτική προσέγγιση πραγματοποιήθηκε μέσω αποκλειστικά πειραματικών αποτελεσμάτων στην πρώτη περίπτωση, ενώ η ανάκτηση ποσοτικών πληροφοριών στην δεύτερη περίπτωση περιελάμβανε την παράλληλη διεξαγωγή υπολογιστικών και πειραματικών διερευνήσεων, με στόχο τη συσχέτιση των ανακτώμενων αποτελεσμάτων μέσω μια μεθοδολογίας τριών βημάτων. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, ο κύριος στόχος της μελέτης αυτής ήταν η αποτίμηση της αξιοπιστίας διαφορετικών τεχνικών ενεργητικού θερμογραφικού ελέγχου έτσι ώστε να ενισχυθούν οι δυνατότητες τους μέσω της εκτέλεσης του όχι και τόσο καλά τεκμηριωμένου βήματος της ποσοτικής προσέγγισης. Όσον αφορά την εφαρμογή της παλμικής θερμογραφίας για την εξέταση σύνθετων υλικών, σκοπός ήταν η διερεύνηση της αξιοπιστίας της τεχνικής αυτής για την ποιοτική (εντοπισμός) και ποσοτική αποτίμηση της φθοράς από την παρακολούθηση πληροφοριακών παραμέτρων προερχόμενες αποκλειστικά από πειραματικές μετρήσεις, η εφαρμογή των οποίων σε αναλυτικές μαθηματικές σχέσεις μπορούσε να παρέχει ποσοτικές εκτιμήσεις. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί η παραπάνω διερεύνηση, αρχικά καθορίστηκαν μια σειρά συγκεκριμένων βημάτων-στόχων, που είναι τα εξής: 1. Καθορισμός των περιορισμών και δυνατοτήτων της Παλμικής Θερμογραφίας για την ανάκτηση ποιοτικών πληροφοριών κατά την εξέταση σύνθετων υλικών ενισχυμένα με ανθρακονήματα. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, η ανιχνευσιμότητα της φθοράς αποτιμήθηκε μετά την εφαρμογή εξελιγμένων τεχνικών επεξεργασίας θερμογραφικών δεδομένων για τη διαχείριση του ανακτώμενου σήματος. Η αποτελεσματικότητα των τεχνικών αυτών διερευνήθηκε μέσω οπτικών παρατηρήσεων από τις ακατέργαστες και επεξεργασμένες ακολουθίες θερμογραφικών εικόνων και μέσω υπολογισμών της αναλογίας σήματος-θορύβου (Signal-to-Noise ratio). Η παραπάνω επιμέρους διερεύνηση οδήγησε στον καθορισμό των δυνατοτήτων και των περιορισμών των τεχνικών επεξεργασίας θερμογραφικού σήματος, ενώ η αποτελεσματική εφαρμογή τους σε παλμικές θερμογραφικές επιθεωρήσεις σύνθετων υλικών αποτιμήθηκε ως συνάρτηση του βάθους ανίχνευσης, των πλευρικών διαστάσεων της ανιχνεύσιμης αστοχίας και της επιφανειακής γεωμετρίας του υπό εξέτασης αντικειμένου. 2. Καθορισμός των περιορισμών και δυνατοτήτων της Παλμικής Θερμογραφίας για την ανάκτηση ποσοτικών πληροφοριών κατά την εξέταση σύνθετων υλικών ενισχυμένα με ανθρακονήματα. Προκειμένου να επιτευχτεί αυτός ο στόχος, δύο διαφορετικές μέθοδοι ποσοτικοποίησης εξετάστηκαν μελετώντας τη λήψη αποτελεσμάτων από ένα εύρος βαθών στα οποία προσομοιωμένες αποκολλήσεις είχαν τοποθετηθεί στα υπό εξέταση σύνθετα δείγματα. Η πρώτη τεχνική ποσοτικοποίησης βασίστηκε στην λήψη πληροφοριών από μη επεξεργασμένα θερμοκρασιακά δεδομένα, ενώ η δεύτερη τεχνική χρησιμοποίησε πληροφορίες μετά την εφαρμογή εξελιγμένων τεχνικών επεξεργασίας θερμογραφικών δεδομένων και πιο συγκεκριμένα μετά την ανάλυση μέσω της Παλμικής Θερμογραφίας Φάσης (Pulsed Phase Thermography). Η αποτίμηση των αποτελεσμάτων βάθους από τις παραπάνω μεθόδους, έγινε λαμβάνοντας υπόψη το σφάλμα πρόβλεψης, ενώ η απόκλιση του καταγράφηκε σε σχέση με το πραγματικό βάθος αξιολογήθηκε λαμβάνοντας υπόψη τις προδιαγραφές των υπό εξέταση δειγμάτων, τις πειραματικές παραμέτρους κάτω από τις οποίες διεξήχθη η έρευνα όπως επίσης και τις παραμέτρους που επιλέχθηκαν για την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων. Η παραπάνω επιμέρους μελέτη οδήγησε στον καθορισμό των καταλλήλων παραμέτρων πειραματικής εκτέλεσης και επεξεργασίας, προκειμένου να επιτευχθεί η ακριβέστερη εκτίμηση βάθους. Όσον αφορά την εφαρμογή ενεργητικού θερμογραφικού ελέγχου με την τεχνική της σταδιακής πτώσης της θερμοκρασίας για την αποκάλυψη επικαλυμμένων ψηφιδωτών, ο βασικός στόχος ήταν η διερεύνηση συσχέτισης αποτελεσμάτων μοντελοποίησης και πειραματικής εξέτασης, καθιστώντας ικανό τον ποσοτικό χαρακτηρισμό των επικαλυμμένων ψηφοθετημένων επιφανειών. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί η παραπάνω μελέτη, αρχικά καθορίστηκαν μια σειρά συγκεκριμένων βημάτων-στόχων, και είναι τα εξής: 1. Θεωρητική αποτίμηση του ενεργητικού θερμογραφικού ελέγχου με την τεχνική της σταδιακής πτώσης της θερμοκρασίας σε σχέση με το συγκεκριμένο πρόβλημα ελέγχου. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, χρησιμοποιήθηκε ένα υπολογιστικό πρόγραμμα προσομοιώσεων για την περιγραφή του πραγματικού προβλήματος ελέγχου. Μέσω διαφορετικών μοντελοποιήσεων, διερευνήθηκε η ακρίβεια της περιγραφής των φαινομένων διάχυσης της θερμότητας διαμέσου των διαφορετικών διαστρωματώσεων του επικαλυμμένου ψηφιδωτού, όταν αυτό υπόκειται σε ένα θερμικό παλμό μεγάλης διάρκειας. Επιπρόσθετα, υπολογιστικές μελέτες πραγματοποιηθήκαν για την διερεύνηση της επίδρασης της διαφοροποίησης συγκεκριμένων χαρακτηριστικών όπως το πάχος της επικάλυψης, το πάχος του ψηφοθετημένου στρώματος και οι θερμικές ιδιότητες του επικαλυμμένου ψηφιδωτού στη διάχυση της θερμότητας. Η μελέτη αυτή έγινε παρακολουθώντας πληροφοριακά χαρακτηριστικά όπως ο χρόνος εμφάνισης της μέγιστης επιφανειακής θερμοκρασιακής διαφοράς μεταξύ μιας περιοχής με και χωρίς ψηφοθετημένο υπόστρωμα. Η παραπάνω επιμέρους διερεύνηση οδήγησε στην κατανόηση της θερμικής συμπεριφοράς επικαλυμμένων ψηφιδωτών και στην συσχέτιση της (μέσω της παρακολούθησης του χρόνου μέγιστης θερμοκρασιακής διαφοράς) ως συνάρτηση των χαρακτηριστικών του υπό εξέταση ψηφιδωτού (πάχος κάλυψης, πάχος στρώματος ψηφίδων, θερμικές ιδιότητες ψηφίδων). 2. Πειραματική διερεύνηση για την αποτελεσματικότητα του ενεργητικού θερμογραφικού ελέγχου με την τεχνική της σταδιακής πτώσης της θερμοκρασίας για την αποκάλυψη υποεπιφανειακών ψηφοθετημένων στρωμάτων σε ένα περιβάλλον επικάλυψης. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο στόχος και βάση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις για την αξιολόγηση την ανιχνευσιμότητας των επικαλυμμένων ψηφίδων. Η μελέτη αυτή έγινε καταγράφοντας το φαινόμενο σταδιακής ψύξης από την επιφάνεια του καλυμμένου ψηφιδωτού και από την επιφάνεια μιας περιοχής αναφοράς (χωρίς ψηφοθετημένο υπόστρωμα), αντίστοιχα. Η παραπάνω επιμέρους μελέτη οδήγησε στην κατανόηση της θερμικής συμπεριφοράς των επικαλυμμένων ψηφιδωτών μετά από μια διαδικασία θερμικής διέγερσης και τη συσχέτιση της θερμικής ανταπόκρισης αυτών με τις διαφορετικές διαστρωματώσεις από τις οποίες αποτελούνταν. 3. Ανάπτυξη μιας διαδικασίας ποσοτικής προσέγγισης, καθιστώντας ικανό τον ποσοτικό χαρακτηρισμό επικαλυμμένων ψηφιδωτών. Μετά την αποκάλυψη των υποεπιφανειακών ψηφιδωτών στρωμάτων, ποσοτικές πληροφορίες σε σχέση με την θέση, το πάχος και τις θερμικές ιδιότητες του ψηφιδωτού, ανακτήθηκαν συσχετίζοντας πειραματικά αποτελέσματα και αποτελέσματα μοντελοποίησης. Συγκεκριμένα, δημιουργώντας το αντίστοιχο πρόβλημα αντιστροφής (Inverse Problem), ήταν δυνατή η παρακολούθηση των διαφοροποιήσεων της πληροφοριακής παραμέτρου (χρόνος μέγιστης θερμοκρασιακής διαφοράς) ως συνάρτηση του υπό διερεύνηση παράγοντα (πάχος κάλυψης, πάχος ψηφίδων και θερμικές ιδιότητες ψηφίδων). Η επιμέρους μελέτη οδήγησε στον ποσοτικό χαρακτηρισμό των επικαλυμμένων ψηφιδωτών. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας διαφορετικών προσεγγίσεων ενεργητικού θερμογραφικού ελέγχου, έδειξαν ότι η τεχνική αυτή μπορεί να εφαρμοστεί επιτυχώς σε περιπτώσεις αποτίμησης της δομικής ακεραιότητας υλικών ή /και κατασκευών, παρέχοντας ικανοποιητική ανιχνευσιμότητα των υποεπιφανειακών περιοχών ενδιαφέροντος και εκτιμήσεις για τον ποσοτικό χαρακτηρισμό τους. Η επιλογή της καταλληλότερης τεχνικής ελέγχου είτε αυτή αφορά στην ποιοτική ή στην ποσοτική διερεύνηση, πρέπει να προσαρμόζεται ανάλογα με τις θερμικές ιδιότητες του υπό εξέταση υλικού και το επιθυμητό βάθος ανίχνευσης, ενώ χαρακτηριστικά όπως η συχνότητα δειγματοληψίας και η χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα του θερμογραφικού εξοπλισμού πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη.

The subject matter of the present dissertation is the study of different active thermographic approaches, evaluating their effectiveness and reliability to operate as stand-alone inspection techniques, producing a complete characterisation of the test-piece in terms of qualitative and quantitative assessment. For the implementation of an active thermographic inspection, the test object is excited through the aid of an external energy source and the spatial-temporal variations on the surface temperature distribution are sequentially recorded. Thermographic analysis is based on the identification of thermal contrasts on the investigated surface, while the produced detectability can be further enhanced by the subsequent elaboration of the acquired signal. The last step of this status is the providing of quantitative information regarding the location (depth), size and thermal properties characterisation of the detected features. Taking into consideration the above mentioned, the main motivation behind this research study was the fact that thermal imaging still has the potential of further development in order to meet the requirements of other NDT techniques, commonly used on field level inspections. Even that the basic operational principles of Infrared Thermography are well published, limited work has concentrated on the application of this technique in order to provide a complete characterisation of the inspected target, including quantitative information retrieval . Thus, the present dissertation focused on the study of different active thermographic approaches evaluating their effectiveness and reliability to initially operate as stand-alone inspection techniques and secondly -but also important- to produce a complete characterisation of the test-piece in terms of qualitative and quantitative assessment. More specifically in this research work, initially laminated Carbon Fibre Reinforced composites (CFRPs) were investigated by means of Pulsed Thermography (PT) aiming to the acquisition of qualitative (internal defects identification) and quantitative information (depth of the internal defects), while the second case study evaluated the performance of Cooling Down Thermography (CDT) to reveal the presence of hidden mosaic artefacts beneath a covering intervention procedure and provide information regarding the mosaic location, thickness and thermal properties. The selection of the testing configuration in each of the above inspection problems was conducted taking into consideration that every material response differently to the application of a heat flux and this response is related to its thermal properties. Τhe quantification procedures used to acquire the required information were based on exclusively experimental data in the former case (PT), while quantification in the latter case (CDT) was performed through the simultaneous conduction of numerical and experimental studies and the correlation of the produced results in a three steps methodology. As stated above the main objective of this study was to evaluate the reliability of different active thermographic techniques in order to enhance their inspection capabilities through the implementation of the not well defined quantitative analysis step. As regards, the pulsed thermographic testing of composite materials, the scope was to establish the adequacy of this inspection procedure, enabling the qualitative and quantitative defect assessment through experimental observations and through the retrieval of informative parameters which were used in order to solve analytical formulas, producing the quantitative estimations. In order to achieve this, a series of specific steps was initially determined, and can be stated as: 1. Define the limitations and capabilities of optical Pulsed Thermography for qualitative information retrieval on CFRP composites. In order to achieve this objective, detectability was evaluated selecting representative processing algorithms from a large body of pulsed thermography routines. These algorithms were applied to handle raw temperature data and analyse the acquired thermographic sequences. The effectiveness of each algorithm on defect detectability enhancement was ascertained, though visual observations from the processed imaging outputs and through Signal-to-Noise (SNR) computations. This resulted to the determination of the capabilities and limitations of each processing technique, while their effective application on pulsed thermographic inspections was evaluated as a function of the inspection depth, defect lateral dimensions and surface geometry of the inspected sample. 2. Define the limitations and capabilities of optical Pulsed Thermography for quantitative information retrieval on CFRP composites. In order to achieve this objective, two different depth quantification procedures were studied inspecting a range of depths in which simulated delaminations were inserted into the CFRP specimens. The first quantification method used information from raw temperature data, while the second one used information from the above discussed signal processing implementations and in particular from pulsed phase thermographic data. The depth results produced from the two different quantification procedures were compared in terms of error production, and the divergences observed from the actual depth were estimated taking into consideration the specification of the investigated samples, the experimental parameters selected to conduct this study and the parameters selected to analyse the data. This resulted to the definition of the proper experimental and analysis parameters which are producing the best possible result. As regards, the Cooling down thermographic inspection of plastered mosaics, the main objective was to correlate numerical simulations and experimental testing, enabling the quantitative characterisation of the hidden aesthetic artefacts. In order to achieve this, a series of specific steps were initially determined and can be stated as: 1. Theoretical assessment of cooling down thermographic technique related to the inspection problem. In order to achieve this objective a simulation computer programme was used, modelling the actual inspection problem. Through several simulations, the adequacy of describing the heat transfer phenomena occurred into the plastered mosaics regime when subjected to a long pulsed heating, was evaluated. Additionally numerical studies were performed, studying the effect of specific parameters variations (i.e. covering thickness, mosaic thickness and mosaic thermophysical properties) on informative characteristics such as the time of maximum thermal contrast occurrence between a mosaic-free and a mosaic-consisted area. This resulted to the correlation of the informative parameters variability as a function of the features of interest characteristics, permitting for modelling to act as a complementary tool to retrieve information regarding the influence of mosaics depth, thickness and thermal properties variations on the acquired thermal results. 2. Investigation of the feasibility of cooling down thermography to reveal hidden mosaic artefacts beneath a covering intervention. In order to achieve this objective and based on the understanding achieved from numerical modelling, experimental measurements were conducted to evaluate the seeing-through condition produced on the covered mosaic panels. This was performed by studying the temperature variations observed on the surface of a mosaic-consisted and mosaic-free area respectively. This resulted to the understanding of the thermal response produced after a stimulation process on the plastered mosaics. 3. Development of a quantitative procedure enabling the characterisation of plastered mosaics. Once the hidden mosaic layers were qualitatively detected by cooling down thermographic testing, quantitative information in terms of mosaic parameters (e.g. location, thickness, nature) were acquired through the correlation of numerical and experimental results and by solving the inverse problem (parameter estimation). This resulted to the hidden mosaic characterisation through the constant established between the simulation and experimental results. The results of this study showed that active thermal imaging can be successfully applied for the structural integrity assessment of different materials and structures, acting as a useful tool able to provide a sufficient internal detectability and/or quantitative estimations. These two objectives can be achieved through two different data manipulation procedures, this of qualitative and this of quantitative analysis respectively. However, the testing scenario deployment can vary for different applications, and either focusing on qualitative or quantitative information retrieval, this shall be properly defined according to the thermal properties of the inspected material, the temporal and spatial resolution of the imaging equipment and the way that the inspected target shall be stimulated.