Modelgebaseerde actieve thermografie voor contactloze kwaliteitscontrole in de agro-voedingssector

In de agro-voedingsindustrie stijgt de vraag naar niet-destructieve technieken voor de kwaliteitscontrole van elk individueel product. Deze vraag komt voort uit een toegenomen aandacht voor voedselveiligheid en –kwaliteit. Verscheidene snelle, niet-destructieve en contactloze technologieën werden reeds bestudeerd voor de kwaliteitscontrole van voedingsproducten. Veel van deze technologieën zijn gebaseerd op de interactie van elektromagnetische straling met het voedingsproduct. In bepaalde situaties blijft de zoektocht naar een geschikte technologie echter onbeantwoord. Dit is bijvoorbeeld het geval voor toepassingen waar er interesse is in de detectie van holtes of inhomogeniteiten die zich onder het oppervlak bevinden en daardoor niet zichtbaar zijn met het blote oog of met klassieke cameravisie.

De onderzoekshypothese die aan de basis lag van dit doctoraatsonderzoek was dat actieve thermografie de juiste eigenschappen heeft om dit gebrek op het gebied van de niet-destructieve kwaliteitscontrole van agro-voedingsproducten op te vullen. De techniek is gebaseerd op het meten en analyseren van de oppervlaktetemperatuur van een object in functie van de tijd, wanneer dit object onderworpen wordt aan een externe thermische excitatie. Defectdetectie is gebaseerd op het principe dat zones met afwijkende thermo-fysische eigenschappen op en nabij het oppervlak resulteren in verschillen in dit verloop van de oppervlaktetemperatuur in functie van de tijd. Actieve thermografie is een veelzijdige technologie wat betreft de experimentele configuratie en de methoden voor de gegevensverwerking. Hoewel actieve thermografie uitgebreid bestudeerd en toegepast wordt in verschillende domeinen zoals de automobiel- en luchtvaartsector en de bouw, werd er slechts een beperkt aantal studies uitgevoerd rond de inspectie van agro-voedingsproducten met actieve thermografie. De algemene doelstelling van dit doctoraatsonderzoek was de verkenning van het potentieel van actieve thermografie als een snelle, niet-destructieve en contactloze methode voor kwaliteitscontrole in de agro-voedingssector. In het onderzoek werd er gefocust op gepulseerde thermografie omdat deze methode hoge inspectiesnelheden toelaat en een laag risico op thermische beschadiging van de geïnspecteerde producten inhoudt. Beide aspecten zijn essentieel voor kwaliteitscontrole in de agro-voedingssector.

Eerst werd er een experimentele opstelling uitgewerkt die toelaat om kwaliteitsvolle actieve thermografie-experimenten uit te voeren. Er werd aangetoond dat het belangrijk is om reflecties te minimaliseren en de ruimtelijke uniformiteit van de warmte-excitatie te optimaliseren. Er werd een hoogdoorlaat infraroodfilter geïnstalleerd in de thermische camera om directe reflecties van een deel van de excitatie-energie via het staaloppervlak in de detector van de camera te vermijden. Bovendien werden de excitatiebronnen uitgerust met matglazen diffusers om de ruimtelijke uniformiteit van de excitatie te verhogen. Vervolgens werd een industriële toepassing van actieve thermografie bestudeerd voor de detectie van lasnaadvervuiling in voedselverpakkingen met een warme lasnaad. De warmte van de lasbalken werd benut als de thermische excitatie. De detectieprestaties van zes gegevensverwerkingsmethoden werden vergeleken. Digitale beelden met een hoge resolutie werden gebruikt als referentie. De laagste detectielimiet werd bekomen voor de methode gebaseerd op een fit van de afkoelprofielen. Deze limiet was echter slechts iets lager dan de limiet voor de methode gebaseerd op één enkel beeld. In deze toepassing werden de kenmerken van de warmte-excitatie volledig bepaald door de industriële context. Deze kenmerken bleken echter niet ideaal te zijn met het oog op defectdetectie. Deze toepassing benadrukt het belang van de optimalisatie van de excitatie- en meetparameters om de defectdetectie te verbeteren. Hoewel modelgebaseerde actieve thermografie bestudeerd werd in andere toepassingsdomeinen, werd het potentieel ervan voor de agro-voedingssector nog niet verkend. Daarom werd er in dit doctoraatsonderzoek een methodologie voorgesteld voor de modelgebaseerde optimalisatie van actieve thermografie-experimenten.

Vijf eindige-elementenmodellen voor het warmtetransport tijdens een actieve thermografie-inspectie werden voorgesteld en experimenteel gevalideerd. De vijf modellen verschilden in ruimtelijke dimensionaliteit (2D of 3D), de manier waarop de excitatie werd gemodelleerd (als een warmteflux-randvoorwaarde of als een voorgeschreven straling vanuit een externe warmtebron) en de manier waarop de convectie van lucht rond het staal in het model werd opgenomen (via correlatieformules gebaseerd op het Rayleigh-getal of via een expliciete modellering van de niet-isotherme luchtstroming). Alle modellen waren in staat de algemene aspecten van de temperatuur-tijdsprofielen voor ongeschonden en defecte zones te beschrijven. Het model waarin de niet-isotherme luchtstroming expliciet gemodelleerd werd, vertoonde echter de beste overeenkomst met de experimentele resultaten. Omdat alle modellen zeer rekenintensief waren, werd een methodologie ontwikkeld om de temperatuur-tijdsinformatie resulterende uit een warmtetransportsimulatie op een snelle en efficiënte wijze te voorspellen voor een breed bereik aan inputparameters. De methodologie combineert een Principale Componentenanalyse (PCA) met het concept van ‘Design and Analysis of Computer Experiments’ (DACE). Hierbij wordt een metamodel gebouwd dat interpoleert tussen het resultaat van een beperkt aantal simulaties die geselecteerd werden op basis van een efficiënt experimenteel ontwerp. Deze PCA+DACE-methodologie is een generiek instrument dat aangepast kan worden wat betreft het warmtetransportmodel en de inputparameters. De PCA+DACE-methodologie werd geïllustreerd voor een toepassing waarin de thermo-fysische eigenschappen de inputparameters waren en waarin de temperatuur-tijdsprofielen van ongeschonden en defecte zones in een PVC-plaatje met defecten onder het oppervlak voorspeld werden.

Vervolgens werd de PCA+DACE-methodologie toegepast om de optimale pulsduur te bepalen voor de gepulseerde thermografiedetectie van defecten op verschillende dieptes onder het oppervlak in een PVC-plaatje. In deze toepassing werden de pulsduur en de defectdiepte beschouwd als de inputvariabelen. Het principe van gepulseerde fasethermografie werd toegepast om het faseverschil tussen defecte en ongeschonden zones in het PVC-plaatje te bepalen. De simulatieresultaten geven ons inzicht in de meer beperkte regio van de ontwerpruimte waarin het experimenteel optimum zich situeert. Het grootste fasecontrast werd bekomen voor het meest oppervlakkige (1 mm diepe) defect, geëxciteerd gedurende de kortste pulsduur (0.5 s). Dit duidt erop dat een actieve thermografie-inspectie het interessantst is voor toepassingen waarin er gekeken wordt naar defecten op en net onder het oppervlak, aangezien er dan slechts een korte excitatietijd nodig is.

Tenslotte werd de PCA+DACE-methodologie toegepast voor het bepalen van de optimale gepulseerde thermografie-parameters voor een confidentiële, praktische case study in de agro-voedingssector. In deze studie werd aangetoond dat de in silico benadering, die gebruik maakt van PCA en DACE, een krachtige tool is om de meest veelbelovende regio van experimentele parameters aan te duiden. Dit bewijst dus dat computersimulaties kunnen helpen om de hoeveelheid fysische experimenten, die veelal duur en tijdrovend zijn, te beperken.

Op basis van de bekomen resultaten kan geconcludeerd worden dat het ontwikkelde eindige-elementenmodel in combinatie met de voorgestelde PCA+DACE-methodologie potentieel heeft voor de optimalisatie van inspectietoepassingen waarin er interesse is in het meten van (defecten gerelateerd aan) verschillen in de thermo-fysische eigenschappen van agro-voedingsproducten op en net onder het oppervlak. Interessante pistes voor toekomstig onderzoek zijn een verdere verbetering van de nauwkeurigheid van het eindige-elementen warmtetransportmodel, het afleiden van informatie over de defecten op basis van de principale componenten van de PCA+DACE-methodologie, het aanpassen van de experimentele opstelling aan de eisen van specifieke agro-voedingstoepassingen, het opdrijven van de snelheid van de inspectie en de dataverwerkingsalgoritmen, het ontwikkelen van beeldverwerkingsalgoritmen voor de actieve thermografie-inspectie van bewegende objecten en de uitbreiding van het toepassingsgebied van de voorgestelde PCA+DACE-methodologie binnen de agro-voedingssector.