Termografinin İlkelerine Giriş (4)

👤Netes Mühendislik
Temel Termodinamik Termodinamik, termal enerjinin (ısı) nasıl hareket ettiğiyle, dönüştüğüyle ve tüm maddeleri nasıl etkilediği ile ilgili bir bilimdir. Hem ısı transferinin hem de ışınım fiziğinin temellerini anlamak adına birinci derecede önemlidir. Modern ekipmanlar kadar güçlü olmalarına karşın yine de bunlar, kendi başlarına düşünemezler. Modern ekipmanların değeri, ısı transferinin ve ışınım fiziğinin temellerine ilişkin pratik bir bilgiyi gerektiren, bir termografi uzmanının verileri yorumlama gücü tarafından belirlenir. Enerji, iş yapma kapasitesidir. Enerjinin çeşitli biçimleri olabilir. Örneğin kömür yakmalı bir elektrik üretim tesisi, yakma işlemi vasıtasıyla kimyasal enerjiyi fosil yakıttan termal enerjiye dönüştürür. Karşılık olarak bu türbinli bir jeneratörde daha sonra elektrik enerjisine dönüştürülen mekanik enerji veya hareket üretir. Bu dönüştürmeler esnasında enerjiyi dizginlemek daha zor hale gelmesine karşın, bunun hiçbir kısmı kaybolmaz. Termodinamiğin ilk yasası, mekanik iş ısıya dönüştürüldüğünde veya ısı işe dönüştürüldüğünde iş ve ısının miktarının her zaman eşit olduğunu belirten bilimsel kanundur. Termografi uzmanları için avantaj, neredeyse tüm enerji dönüştürmelerinin bir yan ürününün ısı veya termal enerji olması olgusudur. Enerji yaratılmaz veya yok edilemez; sadece başkalaştırılabilir. Sıcaklık, bir diğeriyle kıyaslandığında bir cismin göreceli olmasının veya soğuk olmasının bir ölçüsüdür. Bilinçsiz olarak vücut sıcaklığı veya ortamın hava sıcaklığıyla ve suyun kaynama ve donma noktalarıyla kıyaslamalar yapılır. Termodinamiğin ikinci yasası, iki nesne arasında bir sıcaklık farkı mevcut olduğunda, termal enerjinin termal eşitliğe erişilene dek, daha sıcak alanlardan (daha yüksek enerji), daha soğuk alanlara (daha düşük enerji) geçtiğini anlatır. Bir ısı transferi, ya elektron transferi ya da artırılmış atom veya molekül titreşimi olarak sonuçlanır. Bu önemlidir. Çünkü bu etkiler sıcaklık ölçüldüğünde ölçülür. Isı Transferi Yöntemleri Isı enerjisi, 3 yöntemden herhangi biri vasıtasıyla transfer edilebilir. Bunlar, iletim, taşınım veya ışınımdır. Her yöntem, ya sürekli hal ya da geçici olarak tanımlanır. Bir sürekli hal transferi esnasında transfer değeri, zaman içinde sabittir ve aynı yöndedir. Örneğin, sabit yük altındaki tamamen ısınmış bir makine, çevresine ısıyı sürekli hal değerinde transfer eder. Gerçekte mükemmel olan sürekli hal ısı akışı gibi bir şey yoktur. Küçük geçici dalgalanmalar, her zaman vardır. Fakat pratik nedenlerle genellikle yok sayılırlar. İletim, termal enerjinin doğrudan temas yoluyla, bir nesneden bir diğerine transferidir. Taşınım, hava, gaz veya sıvının sıcak ve soğuk bölgeleri arasında, moleküller hareket ettiğinde ve/veya akımlar dolaştığı zaman gerçekleşen ısı transferidir. Işınım, ışıyan enerji (elektromanyetik dalgalar) doğrudan bir iletim ortamı olmaksızın hareket ederken ortaya çıkan ısı hareketidir. Bir makine ısınırken veya soğurken, ısı geçici haller içinde transfer edilir. Bu ilişkileri anlamak, termografi uzmanları için önemlidir, çünkü ısının hareketi sık sık, bir nesnenin sıcaklığıyla yakından ilişkilidir. Termal Kapasitans Kavramı Termal kapasitans, bir maddenin ısıyı emme ve depolama yeteneğidir. Isı değişen ölçülerde ve/veya farklı yönlerde transfer edildiğinde geçici denir. Ayrıca çeşitli maddeler geçiş içinde olduğu için, bunlar sıcaklık değiştirirken, değişen miktarlarda enerji değiş tokuş edilir. Mesela, bir odanın içindeki havanın sıcaklığını değiştirmek için, bir yüzme havuzunun içindeki eşit miktardaki suyun sıcaklığını değiştirmek için ihtiyaç duyulan miktara kıyasla, çok az enerjiye ihtiyaç duyulur. Termal kapasitans, bir maddenin sıcaklık değiştirmesi için ne kadar enerjinin eklendiğini ve nakledildiğini tanımlar. Bu değişimin ne kadar hızlı veya yavaş gerçekleştiği, aynı zamanda ısının nasıl hareket ettiğine bağlıdır. Isı ve sıcaklık arasındaki ilişkiler olarak adlandırdığımız şey, termal kapasitans, kafa karıştırıcı olabilmesine karşın, bir termografi uzmanı için, aynı zamanda yararlı da olabilir. Örneğin, havanın ve sıvının termal kapasitansları arasındaki farka bağlı olarak, bir tank içindeki sıvının seviyesini bulmak mümkündür. Tank geçiş içindeyken, iki madde sık sık farklı sıcaklıklarda olur. İletim İletim, termal enerjinin doğrudan temas vasıtasıyla bir nesneden bir diğerine transferidir. İletim yoluyla ısı transferi, esas olarak katılarda ve bir dereceye kadar sıvılarda, daha sıcak moleküller enerjilerini doğrudan olarak bitişiktekilere, daha soğuk olanlara transfer ederken ortaya çıkar. Mesela sıcak bir kahve kupasına veya soğuk içecek kutusuna dokunurken iletim yaşanır. Isı transferinin gerçekleştiği ölçü, malzemelerin iletkenliğine ve nesneler arasındaki sıcaklık farkına (DT veya delta-sıcaklık) bağlıdır. Bu basit ilişkiler, Fourier Yasası tarafından daha şekli biçimde tanımlanır. Örneğin sıcak bir kahve fincanını eldiven giyerken kavradığımızda, çıplak bir elle yaptığımız zamana kıyasla, çok az ısı alışverişi gerçekleştirilir. Ilık bir kahve fincanı, sıcaklık farkı bu kadar çok olmadığı için, sıcak olanın ettiği kadar çok enerji transfer etmez. Benzer şekilde, enerji aynı ölçüde, ama daha büyük bir alan üzerinden transfer edildiğinde, daha çok enerji transfer edilir. İletken, ısıyı çabucak transfer eden bir malzemedir. Tipik biçimde metaller, ısıyla ilgili olarak gayet iletkendirler. Metallerin iletkenliği metalin tipine bağlı olarak değişebilse bile. Mesela demir, alüminyumdan çok daha az iletkendir. Yalıtkan, ısıyı transfer etmede yetersiz bir malzemedir. Yetersiz iletken olan malzemeler, yalıtkan olarak bilinirler. Bunlar sık sık, sadece küçük hava gruplarını yakalayan ve enerji transferini yavaşlatan. Köpük yalıtım maddesi veya kat kat yapılmış giysiler gibi malzemelerdir (Şekil 4-1). Taşınım Taşınım, akımlar sıvıların sıcak ve soğuk bölgeleri arasında dolaşırken ortaya çıkan ısı transferidir. Taşınım, hem sıvı hem de gazlarda ortaya çıkar ve farklı sıcaklıklardaki moleküllerin kitlesel hareketini içerir. Örneğin bir fırtına bulutu, büyük bir ölçekte ortaya çıkan taşımadır. Çünkü sıcak hava kitleleri yükselirken soğuk hava alçalır. Daha küçük bir ölçekte taşınım, bir fincan sıcak kahvenin içine dökülen soğuk krema, fincanın dibine batarken ortaya çıkar. Taşınımsal ısı transferi, aynı zamanda kısmi olarak alan ve sıcaklık farklılığı tarafından belirlenir (Örneğin daha büyük alanı nedeniyle). Büyük motorla bir motor radyatörü, küçük bir motordakinden daha çok ısı transfer eder. Sıvının hızı, sıvı akışının yönü ve bir nesnenin yüzey durumunu içeren diğer faktörler de taşınımsal ısı transferini etkiler. Tozla tıkanmış bir motor radyatörü ısıyı, temiz olan kadar etkili transfer etmez. İletimden yana çoğu kişi, Newton Soğuma Yasası tarafından daha biçimsel olarak tanımlanmış bu ilişkilerle ilgili, iyi bir pratik bilince sahiptir. Doğal taşınım, yağ soğutmalı trafonun soğutma tüplerindeki gibi, daha sıcak sıvılar yükselir ve daha soğuk sıvılar alçalırken ortaya çıkar (Şekil 4-2). Bir pompa veya bir vantilatör ile yapıldığı gibi taşınım zorlandığında, doğal ilişkiler genellikle alt edilir. Çünkü zorlanmış taşınım oldukça güçlü olabilir. İnsan, hava geçerken hava geçmezkenki durumdan daha yüksek bir hızda ısı kaybettiğinin kanıtı olan biçimde, daha serinlemiş hisseder. Rüzgar, aynı zamanda termal görüntüleme sistemleri ile incelenen nesnelerin sıcaklığını da kuvvetli biçimde etkiler. Işınım Işınım, ısıyı da kapsayan elektromanyetik enerji vasıtasıyla nesneler arasında ışık hızında ortaya çıkan enerji transferidir. Hiçbir transfer ortamına ihtiyaç duyulmaması sebebiyle, ışınım bir hava boşluğu içinde bile yer alıyor olabilir. Elektromanyetik enerjinin bir örneği, soğuk bir günde güneşin ısısını hissetmektir. Elektromanyetik enerji, elektriksel ve manyetik özellikli dalgalar halinde ışınımdır. Elektromanyetik enerji ışığı, radyo dalgalarını ve kızılötesi ışınımı da içeren, çeşitli haller alabilir. Tüm bu haller arasındaki başlıca fark, bunların dalga boylarıdır. Normal görme gücü, görülebilir ışık olarak bilinen dalga boylarını algılarken, termal görüntüleyiciler, ışıyan ısı (veya kızılötesi ışınım) olarak bilinen dalga boylarını algılar. Her dalga boyu elektromanyetik spektrumun farklı kısmındadır. Stefan-Boltzmann Eşitliği, ışınım sırasında nasıl hareket ettiği yönünden ilişkileri tanımlar. Tüm nesneler ısı taşır. İletim ve taşınım için yayılan net enerji miktarı alan ve sıcaklık farklılıklarına bağlıdır. Bir nesne ne kadar sıcaksa soğuk olduğu zamandan daha fazla enerji ışır. Termal ışınım, ısının elektromanyetik dalgalar yoluyla geçişidir. Dalgalar arasındaki başlıca fark, bunların dalga boyudur. Elektromanyetik ışınımın (ışık) insan gözüyle görülebilir olmasına karşın, ışıyan ısı sadece termal görüntüleme sistemleri vasıtası ile görülebilir. Elektromanyetik spektrum dalga boyuna dayanan biçimde tüm elektromanyetik ışınım tipleri dağılım aralığıdır (Şekil 4-3). Enerjinin Korunumu Kavramı Işık ve kızılötesi ışınım, çeşitli maddelerle etkileşim içindeyken benzer biçimde davranır. Kızılötesi ışınım, bir fırın kafasının altındaki metal kaplama maddesi gibi bazı tipteki yüzeyler tarafından yansıtılır. Kızılötesi görüntüleyicilerle “termal aynalar” olarak adlandırdığımız parlak metaller gibi bazı yüzeylerde, hem sıcak hem de soğuk nesnelere ilişkin yansımalar görülebilir. Birkaç durumda kızılötesi ışınım, bir yüzeyin içinden geçirilir (Mesela kızılötesi bir görüntüleme sisteminin merceğinin içinden). Kızılötesi ışınım aynı zamanda, mesela sıcak bir fırın gözünün yakınındaki bir el gibi bir yüzey tarafından emilebilir. Bu durumda, yüzeyin daha fazla enerji yaymasına neden olan bir sıcaklık değişimi meydana gelir. Geçiş, ışıyan enerjinin bir madde veya yapının içinden geçişidir. Kızılötesi ışınım aynı zamanda, sıcaklığın değişmesine ve nesnenin yüzeyinden daha fazla enerji yayımına neden olan biçimde, bir yüzeyde emilebilir. Emme, ışıyan enerjinin yakalanmasıdır. Yayım, ışıyan enerjinin boşaltılmasıdır. Kızılötesi bir termal görüntüleme sisteminin yansıtılan, iletilen, emilen ve yayılan ışınımı okuyabilmesine karşın, sadece emilen veya yayılan enerji yüzey sıcaklığını etkiler (Şekil 4-4). İlave olarak bir yüzey tarafından yayılan ısı miktarı, yüzeyin enerjiyi ne kadar etkin biçimde yaydığına bakarak belirlenir. Boyalı yüzeyler veya insan derisi gibi ametal maddelerin çoğu, enerjiyi etkin biçimde yayarlar. Bu sıcaklıkları artıkça, fırın gözünde olduğu gibi çok daha fazla enerji ışıdıkları anlamına gelir. Çoğunlukla boyanmamış veya ağır biçimde paslanmış metaller olan diğer maddeler, enerjiyi yaymada daha az etkilidir. Yalın metal olan bir yüzey ısıtıldığında, ışıyan ısı transferinde nispeten küçük bir artış olur ve hem gözlerimizle hem de termal bir görüntüleme sistemiyle soğuk bir metal yüzey ile sıcak olan arasındaki farkı görmek zordur. Yalın metallerin tipik olarak, düşük bir yayım oranı (düşük yayım etkinliği) vardır. Yayma oranı, 0,0 ile 1,0 arasında bir değer olarak karakterize edilir. Sıklıkla parlak bakıra uygun olan 0,10’luk bir değer ile bir yüzey, 0,98’lik bir yayma oranlı insan derisine kıyasla az enerji yayar. Termal bir görüntüleyici kullanmanın zorluklarından biri de, bu araçların normalde insan gözü namına görünmez olan enerjiyi göstermesidir. Bazen bu kafa karıştırıcı olabilmektedir. Metaller gibi düşük yayma oranlı yüzeyler, sadece etkin olmayan bir biçimde enerji yaymazlar. Aynı zamanda bunlar, termal çevrelerinin yansıtıcılarıdırlar. Bir termal yüzey termal bir görüntüleme sistemiyle okunduğunda, sistem görüntüde yayılan ve yansıtılan kızılötesi ışınımın bir kombinasyonunu gösterir. Neyin görüntülendiğini anlamak için termografi uzmanı, hangi enerjinin yansıtılmakta olduğunu anlamak zorundadır. Çok sayıda diğer faktör, maddenin yayma oranını etkileyebilir. Madde tipi yanında yayma oranı, yüzey koşulları, sıcaklık ve dalga boyu ile de değişebilir. Bir nesnenin etkin yayma oranı aynı zamanda, görüş alanı açısıyla da değişebilir (Şekil 4-5). Parlak metal olmayan çoğu maddenin yayma oranını karakterize etmek zor değildir. Çoğu madde hâlihazırda karakterizedir ve bunların yayma oranı değerleri, yayma oranı tablolarında bulunabilmektedir. Yayma oranı değerleri, sadece bir kılavuz olarak kullanılmalıdır. Bir maddenin kesin yayma oranı bu değerlerden farklı olabileceği için usta termograf uzmanları aynı zamanda, gerçek değerlerin nasıl ölçüleceğini bilmeye ihtiyaç duyarlar (Şekil 4-6). Oyuklar, boşluklar ve delikler, çevrelerindeki yüzeylerden daha yüksek değerde termal enerji yayarlar. Aynı şey, görülebilir ışık için de doğrudur. İnsan gözbebeği siyahtır çünkü bu bir oyuktur ve buna giren ışık emilir. Tüm ışık bir yüzey tarafından emildiğinde “siyah” olduğunu söyleriz. Genişliğine göre yedi kez daha derin olduğunda, bir oyuğun yayma oranı 0,98’e yaklaşır. Yüzey Sıcaklığı Çoğu nesnenin sadece yüzey sıcaklığı modelleri göründüğü için (şeffaf olmadıkları için), genel anlamda termografi uzmanları, bu modelleri yorumlamak ve analiz etmek ve bunların nesnenin iç sıcaklıkları ve yapıları ile ilişkilendirmek zorundadır. Mesela bir evin dış duvarı, çeşitli sıcaklık modelleri gösterecektir. Ama, bir termografi uzmanının görevi, bunları evin yapısı ve termal performansı ile ilişkilendirmektir. Bunu kesin şekilde başarmak için ısının duvardaki farklı bileşenlerin ve malzemelerin bir tarafından diğer tarafına doğru nasıl yol aldığını anlama yetisi mevcut olmalıdır. Soğuk havalar sırasında evin içinden gelen ısı, duvar dokusunun içinden dış yüzeye doğru hareket eder ve ardından yüzey, çevresi ile termal denge durumuna gelir. Bu noktada termografi uzmanları, termal bir görüntüleyici ile bu yüzeyi görüntülerler ve görünen şeyi yorumlamak zorunda kalırlar. Bu ilişkiler sık sık oldukça karmaşık olabilir ama sadece aklıselimden yararlanmak ve temel bilimlere dikkat etmek suretiyle, pek çok durumda en iyi biçimde kavranır. Yayma Oranı Boyanmamış veya ağır biçimde paslanmamış metalleri, termal bir görüntüde okumak zordur. Çünkü bunlar az yaymakta ve çok yansıtmaktadırlar. İster sadece termal modellere bakılsın isterse radyometrik bir sıcaklık ölçümünü fiilen yapılsın bu faktörleri dikkate almaya ihtiyaç duyulmaktadır. Pek çok termal görüntüleyicide hem yayma oranı hem de yansıtılan termal arka plan için düzeltmeler yapılabilmektedir. Pek çok malzeme için yayma oranı düzeltme tabloları geliştirilmiştir. Yayma oranı düzeltme tabloları, bir malzemenin nasıl davranacağını anlamak adına yararlı olabildiği halde, düşük yayma oranlı yüzeylerin çoğu için bir düzeltme yapmaya ilişkin gerçek şudur ki, hatalar kabul edilemez derecede büyük olabilir. Yayma oranını artırmak için düşük yayma oranlı yüzeylerde, elektrik bandı veya boyayla kaplama gibi bazı yollarla değişiklik yapılmalıdır. Bu hem yorumlamayı hem de ölçümü hassas ve pratik hale getirir. Sıcaklık Ölçüm Hassasiyeti Modern kızılötesi test araçlarının hassasiyeti oldukça yüksektir. Yüksek yayma oranlı, kısmen sıcak yüzeyleri bir sistemin ölçüm çözünürlüğü içinde görüntülerken, test hassasiyeti tipik olarak ± 2 °C (3,6 °F) veya %2’sidir (termal görüntüleyicinin modeline göre bu, değişebilir). Kızılötesi test araçları test edilen nesnelerle temas gerektirmediği için kızılötesi teknoloji, ölçümlerin artırılmış hassasiyeti nedeniyle muazzam bir değere de sahiptir. Sıcaklık ölçümleri kızılötesi ışınım algılamasına dayandırıldığı için, aşağıdaki faktörlerin sıcaklık ölçüm hassasiyetini azaltması beklenebilir:
  • 0,6’nın altındaki yayma oranı değerleri,
  • ± 30 °C’lik (54 °F) sıcaklık farklılıkları,
  • Sistemin çözünürlüğünün ötesinde ölçümler yapmak ( hedefin çok küçük veya uzakta olması),
  • Görüş alanı.
Görüş Alanı (Field of View–FOV) Görüş alanı (Field of View–FOV), termal görüntüde görülen şeyin büyüklüğünü belirleyen bir özelliktir. Mercek, dizinin genişliğine bakılmaksızın, FOV’un ne olacağı üzerinde en büyük etkiye sahiptir. Bununla birlikte geniş diziler, kullanılan mercek ne olursa olsun dar dizilere göre daha büyük detaylar sağlarlar. Açık trafo istasyonlarındaki veya bir binanın içinde yeterli detayı sağlayabilirken, trafo merkezi çalışmasında daha çok detay önemlidir (Şekil 4-7). Anlık Görüş Sahası (IFOV) Anlık görüş sahası (instantaneous field of view), termal bir görüntüleyicinin uzamsal detayı çözme yeterliliğini (uzamsal çözünürlük) tanımlamak için kullanılan bir özelliktir. IFOV genellikle, mili radyan olarak (mRad) bir açı halinde belirlenir. Mercek vasıtasıyla dedektörden yansıtıldığında IFOV, belirli bir mesafede görülebilen bir nesnenin büyüklüğünü verir. IFOV doğruluğu belirli bir mesafede ölçülebilen en küçük boyutlu nesneyi tanımlayan, termal bir görüntüleyicinin ölçüm çözünürlüğüdür (Şekil 4-8). Bir açı olarak (mRad olarak) belirlenir, ama tipik olarak IFOV’dan 3 kat daha büyüktür. Bu, bir hedefin ışınımını ölçmek için bunun hakkında görüntüleyicinin, algılamak için ihtiyaç duyduğundan daha fazla bilgiye ihtiyaç duyması olgusu nedeniyledir. Her sisteme özel uzamsal çözünürlüğünü anlamak ve bunların sınırları içinde çalışmak hayatidir. Bunu başarmaya yönelik yetersizlik, hassas olmayan verilere veya gözden kaçırılmış bulgulara neden olabilir. Çevresel Etkiler Yağlı elektrikli ekipmanlardaki dahili arızalı bağlantılar için olduğu gibi, görüntülenen yüzey ve dahili ısı kaynağı arasındaki termal değişme büyük olduğunda, bir yüzey ölçümünün hassas bile olsa, değeri önemli ölçüde düşebilir. Basit bir biçimde bir termografi uzmanı, iç bağlantı değişirken, yüzey üzerinde değişimin büyük kısmını görmeyecektir. Şaşırtıcı biçimde, cıvatalı elektrik bağlantıları gibi nesneler bile sık sık, büyük bir değişme hızına sahiptirler, kısa bir fiziksel mesafe üzerinde bile. Bu nedenle termal bir görüntüyü yorumlarken, dahili koşulların nasıl olabileceğini anlamaya her zaman özen gösterilmelidir. Değerdeki benzer bir düşüş, yüzey sıcaklığı üzerindeki harici etkiler önemli olduğunda veya bilinmediğinde ortaya çıkar. Örneğin bu, nem girişine yönelik olarak, bir binanın düşük eğimli çatısını güçlü rüzgârda görüntülerken ortaya çıkabilir. Nem bulgusu görünmeyebilir. Karakteristik termal imza sık sık kaybolur. Buharlaşma veya donma cereyan ederken ıslak yüzeyler de kafa karıştırıcı olabilirler.