1_ Termografie in Infrarosu

Laborator de Transportul i distribuia energiei electrice i Sisteme de distribuie a energiei electrice

TERMOGRAFIE N INFRAROU1. Consideraii generaleTermografia este utilizat de mult timp n industrie pentru monitorizarea regimurilor termice ale instalaiilor i proceselor tehnologice. n ultimii ani, termografia a cptat o importan deosebit n activitatea de mentenan, n special n urmtoarele domenii: controlul periodic preventiv al instalaiilor electrice, pentru identificarea punctelor calde generate de conexiuni de rezisten mare, a unor mpmntri necorespunztoare, precum i a circuitelor electrice n care apar circulaii anormale de puteri datorit dezechilibrelor sau suprasarcinilor; controlul echipamentelor mecanice i electrice, n asociere cu analiza vibraiilor; controlul izolaiei termice. Termenul de termografie i are originea n cuvintele greceti thermos i graphae: Termografie = thermos (cld) + graphae (scriere) Termografia n infrarou este tehnica ce permite s se obin, cu ajutorul unui echipament sau aparat corespunztor, imaginea termic a unei scene termice observat ntr-un domeniu spectral de infrarou. Scena termic reprezint partea de spaiu (obiect) observabil cu ajutorul aparatelor sau echipamentelor destinate termografiee n infrarou. Imaginea termic const n repartiia structurat a datelor reprezentative ale radiaiei n infrarou, ce provin de pe o scen termic. Sub form sintetic, n cele ce urmeaz, n Figura 1, este prezentat cadrul sinoptic general al termenilor relativi privind termografia.Scena termic

Radiaie n infrarou

Scena termic (mrime msurat) Aparat

Receptor (fr obiect)

Radiometru (radiana)

Pirometru sau radiotermometru (temperatura)

Aparat foto termic Imaginea termic

Camera IR de msur Harta de radiane

Sistem de termografie Termograme

Rezultat

Tehnica + cuantificare

Fotografie Radiografie Termografie termic Thermografie n infrarou ++ conversie n temperatur x ataare sistem baleiaj spaial

Figura 1. Cadru sinoptic general al termenilor relativi la termografie

1


2. Noiuni de fizica radiaiilor2.1 Radiaia electromagnetic Pentru exemplificare, n Figura 2 se prezint spectrul radiaiei electromagnetice. Banda spectral utilizat n termografie este de la 2 la 15 m. Radiaia electromagnetic este o und determinat de vectorii cmp i cmp magnetic, care se propag ntr-o direcie dat i se caracterizeaz prin lungimea de und, n m i puterea vehiculat, n W. ntr-un mediu semi-transparent M, omogen i izotrop, radiaia electromagnetic se propag n linie dreapt i, din acest motiv, se folosete n mod curent noiunea de raza de lumin sau fascicul infrarou.VIZIBIL

-4 m

-8 m

MICROUNDE INFRAROU UNDE RADIO

X

ULTRAVIOLET

Vi

10 nm

0,1 m

1 m

10 m

100 m

0.1 cm

1 cm

2 m

15 m

Banda spectral utilizat n termografie

Figura 2 Spectrul radiaiei electromagnetice

2.1.1 Mecanismele de transfer de energie prin radiaie Se consider dou elemente materiale S i R situate ntr-un mediu semi-transparent M. Transferul de energie prin radiaie se realizeaz prin urmtoarele fenomene: emisie termic corpul S transform o parte din cldura sa n radiaie electromagnetic; transmisie mediul M transmite total sau parial radiaia emis de corpul S; reflexie sau difuziune corpul R reflect n mediul M o parte din radiaia emis de corpul S care vine n contact cu suprafaa sa; absorbie termic corpul R transform n cldur o parte din radiaia provenit de la corpul S. Fenomenele de transfer menionate anterior pot avea loc sau nu, n funcie de natura corpului i a mediului de propagare, dup cum urmeaz: un material opac emite, reflect i absoarbe radiaie, dar nu o transmite; un corp negru emite i absoarbe, dar nu reflect i nu transmite; un gaz sau o flacr nu reflect practic, dar emite, absoarbe i transmite, deoarece sunt mediii semi-transparente.

2


2.1.2 Intensitatea radiaiei (radiana) emise de un corp Pentru exemplificare, se consider un corp S, reprezentat n Figura 3, care trimite n tot spaiul o energie sub form de radiaie electromagnetic. Aceast energie, numit energie radiant, provine din corp, dar poate fi emis, reflectat sau transmis de acel corp. Prin raportarea energiei E [J], care provine de la corpul S, la unitatea de timp [sec], se obine puterea radiant sau fluxul energetic care pleaca de la corpul S, conform urmtoarei relaii: E = [W] (1) t n termografie, nu prezint importan acest flux total ce pleac de la suprafaa unui corp n tot spaiul, pentru toate lungimile de und. Instrumentul de msur a radiaiei preleveaz pentru cuantificare doar o parte a acestui flux. n acest sens, instrumentul vizeaz un element de suprafa dS, un element de unghi solid d, ntr-o direcie de observaie Or, care face un unghi cu normala On a elementului dS i un interval de band spectral d, centrat pe lungimea de und , conform celor reprezentate n Figura 4.

S

Figura 3 Energia radiat de un corp S n tot spaiul, pentru toate lungimile de und

d d

r

dS

0

Figura 4 Prelevarea, pentru cuantificare, a unei pri din fluxul total emis de un corp

Intensitatea radiaiei (radiana) este o mrime fundamental n nelegerea corect a radiometriei, iar L reprezint un element de flux provenind de la un element de suprafa, ntr-o direcie dat, sub un unghi solid, ntr-un interval de band spectral. 3


2.2 Corpul negru Prin definiie, corpul negru este un obiect ideal care absoarbe integralitatea radiaiilor incidente, oricare ar fi lungimea de und i direcia acestora i care emite o radiaie n conformitate cu legea lui Planck. n felul acesta, corpul negru constituie emitorul sau receptorul ideal. Conform legii lui Planck, se poate scrie urmtoarea expresie: C 5 L = 1 C2 (2) T 1 e unde: C1 = 3,741832 10 12 Wm2 prima constant de radiaie; C2 = 1,438786 10 2 Km a doua constant de radiaie; = lungimea de und [m]; T = temperatura [K]. De menionat faptul c expresia (2) corespunde numai corpului negru, atunci cnd emisia de radiaie are loc n vid sau ntr-un mediu puin dens, cu indice de refracie apropiat de unitate. Temperatura T dedus dintr-o msur de intensitate radiant cu un radiometru se numete temperatura de radian sau temperatura corpului negru, respectiv temperatura aparent, pentru c, n cazul general, aceasta nu este egal cu temperatura adevrat a obiectului dect n situaia cnd acesta este corp negru.Intensitatea radiaiei (radiana)

104

3000

1000 250 102

500 100 30

- 50 1

0

5

10

15

20

Lungime de und [m]

Figura 5 Curbele lui Planck

4


Curbele lui Planck, prezentate n Figura 5, constituie fundamentul nelegerii radiometriei, radiotermometriei i a termografiei n infrarou. Din cele menionate anterior, se desprind urmtoarele observaii: Spectrul radiaiei corpului negru este un spectru continuu, care nu prezint absene ale radiaiei pentru anumite lungimi de und. Pentru temperaturi inferioare valorii de 2000 C, aproape toat energia emis este situat n infrarou. Acest lucru explic asocierea infrarou-cldur. Oricare ar fi lungimea de und, radiana este o funcie monoton cresctoare, dependent de temperatur. Atunci cnd crete temperatura, crete i radiana. Astfel, un radiometru ce funcioneaz pe o lungime de und fix, oarecare, furnizeaz un semnal de ieire tip funcie cresctoare pentru temperatura T a corpului negru observat. Un corp negru, la temperatura T, emite o radiaie electromegnetic compus dintr-o infinitate de radiaii elementare de lungimi de und i de radiane, a cror repartiie este descris de legea lui Planck. Trebuie menionat faptul c nu trebuie s se considere c unei temperaturi a corpului negru i corespunde o lungime de und de radiaie pe care trebuie s se racordeze un receptor pentru a indica temperatura acelui corp. Totui, ideea nu este lipsit total de interes; se poate imagina un spectroradiometru capabil s se acordeze pe lungimea de und corespunztoare maximului de energie emis de corpul negru. Aceast lungime de und max indic, n felul acesta, temperatura corpului. Prin derivarea legii lui Planck, n raport cu lungimea de und , se obine lungimea de und max, pentru care emisia radiant este maxim i anume: T= 2898 max

[K ]

(3)

Expresia (3) poart denumirea de legea de deplasare Wien i este reprezentat punctat n Figura 5. Se observ clar c, dac temperatura crete, maximul energiei emise se deplaseaz ctre lungimi de und inferioare. Se consider, de exemplu, o surs de cldur n procesul de nclzire, sursa fiind considerat corp negru. ntr-o prim etap de nclzire, sursa se coloreaz ntr-un rou-nchis; n aceast etap, sursa emite o parte redus de radiaie n spectrul vizibil. Temperatura sursei este n aceast situaie de 510520 C. Dac ochiul uman ar avea un prag de rspuns mai cobort, ar "vedea" temperaturi mai joase. Continund nclzirea sursei, culoarea devine succesiv rou-aprins, portocaliu, galben, alb. Diferitele lungimi de und emise n spectrul vizibil se adiioneaz pentru a da culoarea alb. Becurile cu incandescen au un filament de tungsten nclzit la cca. 2000 C. O mare parte a energiei emise se situeaz n infrarou i ca o consecin, randamentul luminos (n spectrul vizibil) nu este bun. Din analiza celor prezentate anterior se desprind urmtoarele concluzii: Corpul negru este un obiect teoretic perfect absorbant i emitor. Legea lui Planck descrie emisia radiant a corpului negru. Oricare ar fi lungimea de und, emisia radiant crete odat cu temperatura. Lungimea de und a maximului emisiei radiante descrete cu creterea temperaturii. 2.3 Corpul real Obiectele reale se disting de corpul negru ideal prin faptul c ele emit un flux de radiaie inferior celui emis de corpul negru, oricare ar fi temperatura i lungimea de und.

5


a) n condiiile reale, nu se dispune dect de corpuri termoradiante. Corpul de referin pentru ncercrile de laborator const dintr-o cavitate n care se poate regla temperatura. Corpurile termoradiante se caracterizeaz prin urmtoarele caracteristici: gama de temperatur acoperit; incertitudinea valorii de temperatur afiate; emisivitatea spectral; uniformitatea temperaturii; timpul de stabilizare n temperatur. b) Corpurile reale prezint proprieti radiative descrise de urmtorii factori: emisivitatea, factorul de reflexie, factorul de absorbie, factorul de transmisie. Emisivitatea unui obiect real este un factor de comparaie a emisiilor radiante ale acestui obiect real i ale corpului negru, amplasate n aceleai condiii i aceeai temperatur, conform celor reprezentate n Figura 6.

CORP REAL

T=T0

CORP NEGRU

Lcr = 0 L

Figura 6 Definirea emisivitii

Emisivitatea ia valori variabile n funcie de natura materialului i starea suprafeei acestuia. Astfel, cu ct suprafaa este mai rugoas sau oxidat i emisivitatea are ansa de a fi mai ridicat (fiecare microporozitate a suprafeei reprezint un micro-corp quasi-negru). Materialele conductoare au emisivitate mai redus i aceasta se diminueaz accentuat cu creterea lungimii de und, cu condiia ca suprafaa s nu oxideze. n Figura 7 este reprezentat emisivitatea spectral normal pentru oel i fier, nclzite la diferite temperaturi timp de 9 ore, precum i pentru suprafee netede neoxidate. Materialele izolante au o emisivitate mai ridicat i sufer variaii importante cu lungimea de und. Lungimea de und cnd emisivitatea unui corp nu variaz cu lungimea de und, se spune c acesta este corp gri. Cnd emisivitatea unui corp variaz cu lungimea de und, acesta este corp selectiv. Variaia emisivitii n funcie de lungimea de und este reprezentat n Figura 8. n radiotermometrie i n termografie se adopt ipoteza c obiectul observat se comport ca un corp gri n banda spectral utilizat. Acest lucru este necesar pentru c rspunsul spectral al instrumentului de msur nu este constant n cazul unei msuri efective, ipoteza de corp gri este cea care permite determinarea temperaturii reale (adevrate). Direcia de emisie similar unei antene de emisie, direcia de emisie privilegiat este normal la suprafaa emitoare. Variaia emisivitii cu unghiul de observaie este redat n Figura 9. Pentru unghiuri de observaie mai mici de 45, emisivitatea variaz puin pentru un material izolant, pe cnd pentru unghiuri mai mari de 60, variaia emisivitii este semnificativ. n radiotermometrie i termografie n infrarou se va avea grij ca unghiul de observare a scenei termice de ctre instrumentul utilizat s nu depeasc 4560.

6


(, 0)1 1 2 3

a

0 1 Lungime de und 10

(, 0)1 1 2 3

b

0 1 Lungime de und 10 10

Figura 7 Emisivitatea spectral normal a metalelor: a) oel inox 304; b) fier; Curba 1 nclzit la 600 C timp de 9 ore; Curba 2 nclzit la 400 C timp de 9 ore; Curba 3 suprafaa neted neoxidat

()1

2 1

0 0 5 Lungime de und [m] 10

Figura 8 Variaia emisivitii n funcie de lungimea de und

7


Emisivitatea 1 20

40

0,5

60

0 Unghiul de observaie

90

Figura 9 Variaia emisivitii n funcie de unghiul de observaie

Efectul de orizont Diminuarea emisivitii pentru un unghi de observaie apropiat de 90 produce un efect de orizont. Un obiect de temperatur omogen, plasat pe un fond de temperatur mai joas, prezint un contur de emisivitate mai redus. n aceast situaie, emisia radiant a acestui contur ia o valoare intermediar ntre emisia radiant a fondului i cea a obiectului. Utilizarea funciei Isoterm a sistemului de termografie folosit permite vizualizarea acestui contur similar modului cum un observator scruteaz orizontul. Temperatura materialului aceast variaie se datoreaz modificrii induse de temperatur a strii suprafeei corpului. De reinut faptul c emisivitatea variaz lent cu temperatura. Msurarea practic a emisivitii unui material, pentru o temperatur dat, presupune utilizarea de dispozitive speciale i condiii de laborator. Metode practice pentru evitarea msurrii emisivitii materialului sunt urmtoarele: Creterea emisivitii materialului Aceast metod, clasic n termografia n infrarou, const n a acoperi suprafaa materialului cu un alt material de emisivitate ridicat i cunoscut. n acest scop, se pot utiliza: Hrtie autocolant de grosime suficient, cu emisivitate n apropiere de 0,9. Vopsea mat; vopseaua i grosimea stratului depinde de lungimea de und a instrumentului utilizat. De exemplu, o emisivitate de 0,9 pentru =3...5 m se obine pentru un strat cu grosime de 1015 m. Suspensie de crbune pulverizat aplicabil materialelor cu temperaturi ridicate. Msurarea intensitii radiaiei emise de material pentru mai multe lungimi de und, pirometria bicromatic sau bicolor fiind un exemplu clasic. Cu astfel de pirometre se msoar temperaturi mai mari de 250 C. 8


Factorul de reflexie pentru materialele opace Legea reflexiei menioneaz c unghiul de reflexie este egal cu unghiul de inciden i este valabil pentru materiale cu o suprafa tip oglind. Acest tip de reflexie se numete reflexie-oglind i este un caz particular. n general, reflexia este de tip difuz, radiaia incident fiind reflectat n tot semispaiul definit de suprafaa reflectant. Factorul spectral de absorbie Cnd pe un element de suprafa dS a unui material considerat opac se primete un flux de radiaie, o parte a acestui flux intr n material i este absorbit de acesta. ntre aceti doi factori se poate scrie urmtoarea relaie: a+r=1 (4) unde a reprezint factorul de absorbie, iar r factorul de reflexie. De remarcat faptul c pot exista dificulti la msurtori dac elemente de suprafa ale scenei termice lumineaz alte elemente dS ale acestei scene termice, aparinnd unor obiecte cu suprafa concav. Este necesar o simplificare a procedurii de msur pentru a se lua n consideraie radiaiile mediului care se reflect pe elementul de suprafa dS. Simplificarea const n a uniformiza temperatura acestui mediu, numit temperatur ambiental, Te, n tot semi-spaiul vzut de elementul dS. Te se consider a fi temperatura obiectelor compacte situate n semi-spaiu i nu a atmosferei. n cazul reflexiilor multiple, dac ambientul scenei termice nu prezint o emisivitate ridicat, acesta poate reflecta radiaiile ce provin de pe scena termic. Pentru a evita astfel de situaii care pot falsifica rezultatele msurtorilor, este necesar ca ambientul scenei termice observate s se afle n urmtoarele situaii: la temperatur uniform; la temperatur mai joas dect scena termic observat; la emisivitate ridicat; cu reflexie tip difuz. Factorul de transmisie Acest factor se definete ca fiind raportul dintre fluxul radiant transmis prin obiect i fluxul radiant incident. n cazul n care obiectul posed o suprafa de intrare i una de ieire, factorul de transmisie se definete ca factor de transmisie extern. Cnd se consider transmisia fluxului radiant n mediu delimitat sau nu de plane de separaie (intrare i ieire), se definete factorul de transmisie intern. Factorul de transmisie atmosferic Acest factor constituie un caz particular important pentru factorul de transmisie intern. n Figura 10 este prezentat variaia factorului de transmisie a unei grosimi de 30 m de atmosfer, n funcie de lungimea de und. Moleculele de CO2 i H2O din atmosfer absorb radiaiile de anumite lungimi de und provenite de pe scena termic.

9


Tat()

Figura 10 Variaia factorului de transmisie a unei grosimi de 30 m de atmosfer, n funcie de lungimea de und

Din punct de vedere practic, pot fi precizate urmtoarele obiective: Anumite benzi spectrale trebuie evitate, i anume: o 2,5 2,8 m: absorbie de ctre moleculele de CO2 i H2O; o 4,2 4,4 m: absorbie de ctre moleculele de CO2; o 5,5 7,3 m: absorbie de ctre moleculele de H2O; o peste 14,2 m: absorbie de ctre moleculele de CO2 i H 2O; n aceste benzi, atmosfera este mai mult sau mai puin opac, n funcie de compoziie i distan. Alte benzi spectrale sunt numite ferestre de transmisie atmosferic, n care factorul de transmisie depinde de distana de msur, concentraia de gaze i temperatur. Limitele benzilor interzise sau ale ferestrelor variaz cu distana de msur i temperatur. Ferestrele de transmisie pot conine benzi interzise. Aplicaiile industriale iau n considerare foarte rar problemele complexe ale factorului de transmisie atmosferic. De regul, n practic, se definete un factor mediu de transmisie atmosferic n benzile spectrale de funcionare ale aparatelor. Acest factor depinde doar de distana de msur, pentru o atmosfer cu compoziie standard. Variaia factorului mediu de transmisie atmosferic n funcie de distan, pentru camere IR cu unde scurte (OC) i unde lungi (OL), este prezentat n Figura 11.

10

Laborator de Transportul i distribuia energiei electrice i Sisteme de distribuie a energiei electrice Factor mediu de transmisie atmosferic

1.0 OL0.9

0.8OC

0.7

0.6 1 10 50 100

Figura 11 Factorul mediu de transmisie atmosferic n funcie de distana pentru camere IR cu unde scurte (OC) i unde lungi (OL)

Adoptarea acestei simplificri implic mai multe restricii i anume: obiectul observat se comport ca un corp gri n banda spectral de analiz; distana de msur nu este foarte important n ideea de a menine factorul mediu de transmisie la o valoare ridicat; atmosfera se presupune omogen n profunzime i similar atmosferei standard. Constructorii de echipamente n infrarou au realizat i consacrat dou benzi spectrale, devenite clasice i anume: undele scurte 3...5,5 m sau 2....5,5 m (band larg); undele lungi 8...12 m sau 7.... 14 m (band larg). Factorul de transmisie extern Acest factor ia n considerare factorul spectral de reflexie pe fiecare din cele dou suprafee de separaie. Obiectele semi-transparente, limitate de dou suprafee, sunt utilizate mai ales n optic, sub form de lentile, prisme, lame, filtre, ferestre de protecie. Conform celor menionate, se desprind urmtoarele observaii practice: n cazul general, se va urmri creterea factorului de transmisie extern pentru a transmite un maxim de radiaie ntr-o band spectral dat, prin urmtoarele mijloace: utilizarea materialelor cu factor de transmisie intern ridicat; diminuarea factorului de reflexie a suprafeelor de separaie. n cazuri particulare, care vizeaz anumite filtre, se urmrete diminuarea factorului de transmisie intern, pentru atenuarea radiaiei transmise cazul filtrelor atenuatoare. Pe baza celor precizate, rezult c, n termografia n infrarou general, se vor considera numai obiectele opace pentru lungimile de und utilizate. Astfel, se va lua n considerare doar factorul de transmisie a mediului intermediar ntre scena termic i instrumentul de msur, care poate fi lentil sau atmosfera.

11


2.4 Radiometru2.4.1 Introducere ntr-un radiometru, mrimea de intrare este constituit din fluxul de radiaie, iar la ieire este afiat o mrime radiometric, care poate fi o tensiune, n voli sau un curent, n miliamperi. Schema de principiu a unui radiometru este prezentat n Figura 12.

Flux de radiaie

R

Semnal de ieire

Figura 12 Schema de principiu a unui radiometru

Relaia ntre distana obiect-radiometru i mrimea suprafeei observate a obiectului este reprezentat n Figura 13. S3 S2 S1

D1 D2 D3

S1

S1

Figura 13 Dependena ntre distana obiect-radiometru i mrimea suprafeei observate a obiectului

n ipoteza c receptorul R detecteaz integral fluxul radiant , la ieire va exista un semnal de forma: V = K = K ' L (5)

12


iar pentru ca radiometrul s msoare intensitatea radiaiei, trebuie s fie ndeplinit urmtoarea condiie: S (6) K ' = ct. sau = 102 D unde reprezint unghiul solid. Radiometrul este instrumentul care definete dimensiunea suprafeei S observate, pentru o distan dat i, n acelai timp, un concentrator de radiaie. 2.4.2 Optica geometric a radiometrului n mod simplificat, radiometrul este constituit dintr-o lentil I convergent, avnd distana focal f = OF, ce formeaz imaginea sursei de radiaie S pe detectorul R, conform schemei optice reprezentate n Figura 14. f 1

s

0 F

r x R

d1Figura 14 Radiometru schema optic

d2

Dac se presupune c receptorul R este un disc de diametru r, imaginea sa invers este sursa S de diametru s. n acest sens, n optic sunt definite urmtoarele noiuni: mrirea transversal: r d v= = 2 ; s d1 unghiurile solide: S d12 s 2 1 = 2 = = ; R d2 r 2 v2 poziiile planelor S i R: 1 1 1 + = ; d 2 d1 f Focalizarea radiometrului pe S se obine prin variaia distanei d 2; prin construcie se asigur c d2 f. Cnd d2 = f , sursa este la distan infinit de R. n realitate, receptorul R, geometric, nu este circular, ci ptrat. Pentru realizarea simetriei de revoluie se utilizeaz diafragma de deschidere, conform celor reprezentate n Figura 15. 13


DIAFRAGMA

1 0 u1 u s

u3

R

Figura 15 Radiometru utilizarea diafragmei

Raportul N = f a se numete indice de diafragm al radiometrului. Diafragma servete la limitarea fluxului radiant incident pe detector i astfel, permite adaptarea radiometrului la gama de msur corespunztoare, n scopul evitrii saturrii detectorului. Unghiul de observaie este unghiul sub care se vede S de la intrarea radiometrului; acest parametru este indicat de productor.

3. Aspecte practice privind utilizarea termografiei n infrarou3.1 Generaliti Termografia este disciplina care studiaz msurarea de la distan a temperaturii suprafeelor corpurilor. Toate corpurile au o imagine termic, regiunile calde, respectiv cele reci ale acestora, emind radiaie n infrarou, detectat de traductoare specializate. n spectrul electromagnetic, domeniul radiaiei n infrarou este cuprins n intervalul 0.7...100m i se divide n patru subdomenii, astfel: infrarou inferior 0.7...2.4 m; infrarou mediu 2.4...5 m; infrarou superior 6...15 m; infrarou extrem 15...100 m. De menionat c, n cazul instrumentelor de msur n infrarou, cele mai utilizate intervale de lungimi de und sunt 2-5 m i 7-12 m. Termografia n infrarou are un caracter pluridisciplinar, implicnd noiuni din urmtoarele domenii: tehnica msurrii: fizica radiaiilor; optic; termotehnic; electronic analogic i digital;

14


prelucrare semnale electrice; programare.

3.2 Aplicaii ale termografiei Termografia este utilizat de mult timp n industrie pentru monitorizarea regimurilor termice n instalaii i procese tehnologice. n ultimii ani, termografia a cptat o importan nsemnat n activitatea de mentenan, ndeosebi n urmtoarele domenii: Controlul periodic preventiv al instalaiilor electrice pentru identificarea punctelor calde generate de conexiuni de rezisten mare, a mpmntrilor necorespunztoare, a circuitelor electrice cu circulaii anormale de puteri (dezechilibre sau suprasarcini). Datele de exploatare arat o reducere de cel puin 10 ori a avariilor generate de contacte imperfecte. Controlul echipamentelor mecanice i electrice rotative n asociere cu analiza vibraiilor. Pot fi controlate cuplaje, rulmeni, statoare de motoare electrice, sisteme de ungere i rcire. Controlul integritii izolaiilor termice ale cuptoarelor rotative i fixe, schimbtoarelor de cldur, reelelor de transport agent termic. 3.3 Beneficii ale utilizrii termografiei n infrarou Durata redus de amortizare a investiiei prin identificarea unor poteniale defecte care nu s-ar evidenia dect la avarii. Datele furnizate de firmele care ofer astfel de servicii menioneaz coeficienii de revenire a investiiei n programe de mentenan, utiliznd termografia n infrarou, situai n intervalul 500...1100 %. Reducerea substanial a costurilor de mentenan datorit diminurii timpilor de revizie planificai, prin detectarea i localizarea defectelor n stare incipient. Creterea siguranei n alimentarea cu energie electric a consumatorilor prin micorarea ntreruperilor neplanificate (avariilor). Creterea indicatorilor de siguran n funcionare a instalaiilor de producere, transport i distribuie a energiei electrice. 3.4 Elemente de influen asupra rezultatelor controlului prin termografie n infrarou Calificarea i experiena operatorului uman n acest scop, se impune exigen i rigoare n formarea profesional a operatorului uman i un minim de experien practic. Instrumentul radiometric Este necesar cunoaterea temeinic a caracteristicilor funcionale ale instrumentului de lucru, inclusiv a limitelor acestuia. Procedurile de inspecie n momentul actual nu exist o standardizare a procedurilor de control prin termoviziune. Sunt operative recomandrile elaborate de instituiile de standardizare National Electrical Testing Association (NETA), MIL Standards, American Society for Nondestructive Testing i firme de consultan i training n domeniu. Recomandrile privind nivelul criteriilor de acceptare implic n mod considerabil i experiena operatorului uman. De exemplu, pentru activitatea de mentenan este necesar o sarcin de 10 % din sarcina nominal a instalaiei, iar pentru acceptare la recepie o ncrcare de 40 % din sarcina nominal. 15


Condiiile de mediu Factorii de influen sunt urmtorii: o variaii n temperatura ambientului; o rcire prin convecie vnt sau cureni de aer; o nclzire solar a componentelor electrice; o rcire prin evaporare datorat umezelii la suprafaa observat. Echipamentele inspectate Factorii de influen sunt prezentai dup cum urmeaz: o necorelare ntre datele msurtorilor suprafeei observate i starea termic real n zona de contact; o variaia transferului de cldur cu geometria i masa reperului observat; o natura materialului; o emisivitatea redus a suprafeelor unor componente; o legtura ntre sarcina electric a circuitului i temperatura contactelor. Rata de defectare Relaia ntre temperatura crescut a unor componente i procesul de defectare este complex, modelarea matematic a acesteia fiind extrem de dificil. Modurile posibile de defectare a echipamentelor electrice constau din: o topire; o clire. Trebuie menionat faptul c rezistena electric i oxidarea contactelor depind de temperatur, dup legi mai puin riguroase. 3.5 Limite ale metodei i aparaturii

Instrumentele de msur n infrarou constituie un mijloc de control deosebit de puternic n activitatea de mentenan a echipamentelor electrice, dar trebuie menionate i limitele necesare a fi luate n considerare de ctre personalul de mentenan, cum ar fi: Instrumentele nu msoar temperatura! Acestea msoar radiaia n infrarou care, corectat, poate da o temperatur aparent. n condiii reale de msur, o corecie de precizie repetabil este practic imposibil pentru orice material radiant, cum sunt metalele din componena echipamentelor electrice. Instrumentele termografice furnizeaz informaii numai despre temperatura de suprafa i nu despre maximul acesteia n zona afectat. Energia termic emis la locul de defect variaz cu ptratul sarcinii vehiculate prin acea cale de curent. Fr informaii despre sarcina vehiculat n momentul msurrii i predicia evoluiei acesteia, termograma i pierde substanial din informaie. Cu ct crete temperatura aerului, crete i frecvena incidentelor. Dac inspeciile vor fi efectuate pe timp rece, este posibil ca informaia oferit de termogram s fie subestimat. Condiiile de mediu ca praful, vibraiile i sarcinile ciclice influeneaz rata de defectare. De exemplu, temperatura unei cleme, ntr-o staie exterioar, poate fi redus pn la 50 % de vnt, cu viteza de 30 km h. Degradarea componentelor electrice urmeaz n timp, extrem de rar, o lege de variaie liniar. Defectul poate aprea uneori dup o supratensiune, o cretere de sarcin, o cretere a nivelului de vibraii sau o schimbare n condiiile de mediu.

16


O cretere de temperatur pentru un echipament inspectat poate indica o tendin de defectare cu o evoluie nu neaprat liniar. Practic, anomaliile care pot conduce la efecte nedorite n instalaii trebuie imediat remediate. Cnd se controleaz un echipament electric, modul de analiz indicat este prin compararea temperaturilor pe cele trei faze; localizarea defectului se face prin utilizarea temperaturii relative. Tranziia de la aprecierea calitativ a termogramei la apreciere cantitativ este o problem extrem de delicat i presupune acordarea unei atenii deosebite metodei de lucru.

3.6 Posibile soluii penta diminuarea gradului de incertitudine n diagnosticarea strii instalaiilor, utiliznd termografia n infrarou. Stabilirea unor relaii de acuratee ridicat o ntre sarcin i temperatur; o ntre modificrile de mediu i temperatura msurat, absolut i diferenial; o ntre temperatur i durata remanent de via a echipamentelor. Iniierea de aciuni specifice pentru creterea gradului de ncredere n rezultatele inspeciilor prin termoviziune. o Adoptarea unor standarde privind calificarea personalului; o Dezvoltarea unor proceduri standard de colectare a datelor i raportare, adecvate instalaiilor inspectate. Dezvoltarea unor termograme-standard de referin pentru instalaiile inspectate. Stabilirea unor proceduri sigure de cretere a emisivitii la manufacturarea sau instalarea echipamentelor. Dezvoltarea procedurilor privind stabilirea prioritilor n reparaii prin considerarea, ntr-o relaie de ponderare, a unor coeficieni: de siguran, de stare critic, de costuri, de informaie istoric, de tendin, de temperatur, de disponibilitate, de sarcin.

Pentru exemplificare, n tabelul urmtor este prezentat o ierarhizare a interveniilor, precum i o clasificare a defectelor. Clasificare defect Minor Mediu Serios Critic T(C) faz-faz 1 10 10 30 30 70 > 70 Comentarii Probabilitate redus de defect Reparaie conform planificrii Probababilitate de defectare crescut a reperului Reparaie n 24 sptmni Reparaie n 12 zile; nlocuire reper i verificare repere nvecinate Reparaie imediat; verificare echipament dup reparaie

17


3.7 Etape n definirea unui program de mentenan predictiv Elaborarea managementului programului: o definirea necesitii i scopului programului; o dezvoltarea planului de management; o stabilirea etapelor de implementare a programului; o instituirea unor criterii de evaluare a implementrii programului. Pregtirea personalului o desemnarea echipei; o definirea atribuiilor membrilor echipei; o nsuirea de ctre echip a obiectivelor programului; o elaborarea i desfurarea de programe de formare profesional. Dezvoltarea procedurilor operaionale, incluznd: o stabilirea procedurilor de control; o definirea condiiilor de control; o stabilirea listei echipamentelor de inspectat; o stabilirea traseelor i a frecvenei controalelor. Stabilirea programului de control propriu-zis: o crearea formelor i procedurilor de comunicare, incluznd definirea tipurilor de inspecii: de rutin, periodic, inspecie unic; dup instalarea echipamentului sau modificri ale acestuia. o colectarea datelor n faza preliminar inspeciei: cu camera n infrarou. o proiectarea i elaborarea rapoartelor de defect; o stabilirea procedurilor de urmrire a programului, incluznd: transmitere de rapoarte la departamentele interesate; notificarea defectelor pentru intervenii: programarea inspeciilor post-reparaii; cu camera IR sau pirometre IR. notificarea defectelor minore pentru monitorizare; programarea inspeciilor de monitorizare.

18


SP02

45.4C

40

SP01

23.9C

Figura 15

COMENTARII RECOMANDRIIR information Date of creation Time of creaion Object parameter Emissivity Object distance Ambient temperature Label SPO1 SPO2 Value 24.09.2001 12:10:36 Value 0,70 8,0 m 28,0 C Value 25,5 C 44,6 C

Echipament inspectat: SR 8, celula trafo 4 Locul defectului: SB, faza T spre ntreruptor Temperatura de referin: 25,5 C Supratemperatura admisibil: 30 C Temperatura msurat: 44,6 C Supratemperatura real: 19,1 C Cureni de sarcin msurai: Cureni de sarcin maximi: 1,25 I

Supratemperatura corectat: 29.8 C la creterea sarcinii cu 25 % Tipul interveniei: a) la revizie planificat pentru sarcina maxim egal cu sarcina din momentul controlului b) imediat pentru creterea sarcinii cu 25 % Comentarii:

19


67.3C

SP02

40

SP0122.3C

Figura 16

COMENTARII RECOMANDRI

Echipament inspectat: celula CT4 (celula X17B), SC1 Locul defectului: IO, faza R, conexiune spre separator bare Temperatura de referin: 28.5 C Supratemperatura admisibil: 30 C Temperatura msurat: 69,2 C Supratemperatura real: 40,7 C Cureni de sarcin msurai: Cureni de sarcin maximi: Supratemperatura corectat: Tipul interveniei: imediat Comentarii:IR information Date of creation Time of creaion Object parameter Emissivity Object distance Ambient temperature Label SPO1 SPO2 Value 6.12.2001 11:52:03 Value 0,70 6,0 m 28,0 C Value 69,2 C 28,5 C

20


SP02

61.2C 60

40 SP01 20 19.3CFigura 17


Echipament inspectat: motor1 CUAC, SRA 12 Locul defectului: celula 1.13, faza S, conexiune bar - izolator de trecere Temperatura de referin: 26,2 C Supratemperatura admisibil: 30 C Temperatura msurat: 61,3 C Supratemperatura real: 35,1 C Cureni de sarcin msurai: Cureni de sarcin maximi: Supratemperatura corectat: Tipul interveniei: imediat Comentarii:

21


137.8C SP01 100 SP03 SP02 50 27.8C

Figura 18


Echipament inspectat: SRA 12 Locul defectului: motor3, 9MW ntreruptor DBq, fazele S,T Temperatura de referin: 63,4 C Supratemperatura admisibil: 30 C Temperatura msurat: 136,4 C(T) ; 89.1 (T) Supratemperatura real: 73 C (T); 25.6 (S) Cureni de sarcin msurai: Cureni de sarcin maximi: Supratemperatura corectat: Tipul interveniei: imediat Comentarii:

IR information Date of creation Time of creaion Object parameter Emissivity Object distance Ambient temperature Label SPO1 SPO2 SPO3

Value 6.12.2001 9:36:04 Value 0,70 3,0 m 30,0 C Value 63,4 C 136,4 C 89,1 C

22


79.0C SP04 60

SP03

SP01

SP02 29.7CFigura 19


Echipament inspectat: SM1C Locul defectului: celula D5, acionare principal, SB, fazele S, R Temperatura de referin: 35,7 C Supratemperatura admisibil: 30 C Temperatura msurat: 79,3C (S); 56.5 (R) Supratemperatura real: 43.6 C(S); 20,8 (R) Cureni de sarcin msurai: Cureni de sarcin maximi: Supratemperatura corectat: Tipul interveniei: imediat Comentarii:

IR information Date of creation Time of creaion Object parameter Emissivity Object distance Ambient temperature Label SPO1 SPO2 SPO3 SPO4

Value 6.11.2001 2:16:02 Value 0,70 3,0 m 28,0 C Value 79,3 C 35,7 C 56,5 C 56,9 C

23


150.0C 150 SP01 SP02 100

50 25.5CFigura 20


Echipament inspectat: SRA 8, trafo 1 Locul defectului: borna 10 kV Temperatura de referin: 46,9 C Supratemperatura admisibil: 30 C Temperatura msurat: 151,1 C Supratemperatura real: 104,2 C Cureni de sarcin msurai: Cureni de sarcin maximi: Supratemperatura corectat: Tipul interveniei: imediat Comentarii:

24


SP02 SP01

167.7C 150100

50 24.8CFigura 21

COMENTARII RECOMANDRI Echipament inspectat: SRA 10, celula 31, ISUC2, PDC 10-7, F1 Locul defectului: TC, racord faza R Temperatura de referin: 41,1 C Supratemperatura admisibil: 30 C Temperatura msurat: 163,8 C Supratemperatura real: 122,7 C Cureni de sarcin msurai: Cureni de sarcin maximi: Supratemperatura corectat: Tipul interveniei: imediat Comentarii:IR information Date of creation Time of creaion Object parameter Emissivity Object distance Ambient temperature Label SPO1 SPO2 Value 25.09.2001 09:19:46 Value 0,70 2,0 m 28,0 C Value 163,8 C 41,1 C

25


96,2 C 80 60 SP02 20 17,1 C

SP01

Figura 22

COMENTARII RECOMANDRI Echipament inspectat: SRA 15, trafo4 Locul defectului: borne JT, faza T Temperatura de referinta: 56,4C Supratemperatura admisibila: 30C Temperatura masurata: 93,6C Supratemperatura reala: 37,2C Curenti de sarcina masurati: Curenti de sarcina maximi: Supratemperatura corectata: Tipul interventiei: imediat Comentarii: se coreleaz cu termograma din Figura 16IR information Date of creation Time of creaion Object parameter Emissivity Object distance Ambient temperature Label SPO1 SPO2 Value 25.09.2001 10:40:35 Value 0,70 3,0 m 26,0 C Value 56,4 C 93,6 C

26


SP02

103,7C 100 80

SP01 40 30,7C

Figura 23

COMENTARII RECOMANDRI Echipament inspectat: SRA 12, celula 24, plecare B4 Locul defectului: TC, faza T Temperatura de referin: 43,2 C Supratemperatura admisibil: 30 C Temperatura msurat: 102 C Supratemperatura real: 58,8 C Cureni de sarcin msurai: Cureni de sarcin maximi: pentru 12 MWIR information Date of creation Time of creaion Object parameter Emissivity Object distance Ambient temperature Label SPO1 SPO2 Value 25.09.2001 13:42:50 Value 0,70 2,0 m 28,0 C Value 102,0 C 64,1 C

Supratemperatura corectat: 235,2C la dublarea sarcinii Tipul interveniei: imediat Comentarii:

27


113,0CSP01 SP02 SP03

100

60 40 28,9C

Figura 24


Echipament inspectat: SRA 12, celula reactan, M4 Locul defectului: cabluri plecare, fazele ST Temperatura de referin: 40,1 C Supratemperatura admisibil: 30 C Temperatura msurat: 111,7 C (S); 99,4 C (T) Supratemperatura real: 71,6 C (S); 59,3 C (T) Cureni de sarcin msurai: Cureni de sarcin maximi: Supratemperatura corectat: Tipul interveniei: imediat Comentarii:IR information Date of creation Time of creaion Object parameter Emissivity Object distance Ambient temperature Label SPO1 SPO2 SPO3 Value 25.09.2001 13:50:38 Value 0,70 2,0 m 28,0 C Value 40,1 C 111,7 C 99,4 C

28


82,1C 80 60 SP01 SP02 40

20,2C

Figura 25


Echipament inspectat: staie 0,4 CET Locul defectului: circuit alimentare pompa 38/4, releu termic borna ieire, faza S Temperatura de referin: 27,6 C Supratemperatura admisibil: 30 C Temperatura msurat: 82,1 C Supratemperatura real: 54,5C Cureni de sarcin msurai: Cureni de sarcin maximi: Supratemperatura corectat: Tipul interveniei: imediat Comentarii:IR information Date of creation Time of creaion Object parameter Emissivity Object distance Ambient temperature Label SPO1 SPO2 Value 04.03.2001 3:59:21 Value 0,85 1,0 m 20,0 C Value 27,6 C 82,1 C

29


SP01 SP02

77,4C

SP03

22,8C

Figura 26


Echipament inspectat: PT 7, trafo1 Locul defectului: trafo1 ,borne MT, fazele S,T Temperatura de referinta: 36C Supratemperatura admisibila: 30C Temperatura masurata: 77.5C (S); 66C(T) Supratemperatura reala: 47.5C (S); 30C (T) Curenti de sarcina masurati: Curenti de sarcina maximi: Supratemperatura corectata: Tipul interventiei: imediat Comentarii:



30


102,7C 100SP01 SP02

80 SP03 40

24,8C

Figura 27


Echipament inspectat: PT7 ,trafo2 Locul defectului: borne JT, faza T Temperatura de referinta: 72C Supratemperatura admisibila: 30C Temperatura masurata: 100.4C (T); 86.3 (R); Supratemperatura reala: 27,6C (T); 14.3(R) Curenti de sarcina masurati: Curenti de sarcina maximi: -



Supratemperatura corectata: 33.4C la cresterea cu 10% a sarcinii Tipul interventiei: imediat Comentarii:

31


4. Modul de desfurare a lucrrii Studenii sau utilizatorii trebuie s certifice principiile fundamentale privind termografia n infrarou, cadrul sinoptic general al termenilor relativ la termografie, mecanismele de transfer de energie prin radiaie, factorii care influeneaz emisivitatea, precum i aspectele practice privind utilizarea termografiei n scopul monitorizrii regimurilor termice ale instalaiilor din domeniul energetic, cum ar fi: controlul periodic preventiv al instalaiilor electrice pentru identificarea punctelor calde generate de conexiuni de rezisten mare, a mpmntrilor necorespunztoare, a circuitelor electrice n care apar circulaii anormale de puteri datorate dezechilibrelor sau suprasarcinilor etc. Sistemele moderne de termoviziune, pe lng imaginea captat, afieaz n plus i o analiz detaliat a hrii de temperaturi, precum i cuantificarea energiei termice, furniznd astfel o imagine clar asupra problemelor aprute n urma supranclzirilor. Pentru exemplificare, sunt prezentate n lucrare cteva exemple furnizate de sistemele de termoviziune n infrarou, care conin imaginea captat, harta de temperaturi, emisivitatea, distana sistemului de termoviziune fa de obiectul supravegheat, temperatura mediului ambiant, temperatura msurat, temperatura de referin, cu ajutorul crora utilizatorii au posibilitatea ierarhizrii procedurilor pentru stabilirea prioritilor n reparaii. Pe baza aspectelor teoretice i a exemplelor de monitorizare indicate n lucrare, sunt prezentate n cele ce urmeaz o serie de informaii complete, furnizate de un sistem de termoviziune, pe baza crora utilizatorii trebuie s prezinte comentariile, respectiv recomandrile privind echipamentul analizat.

Figura 28

Echipamentul inspectat: PSI ca 0,4kV, ntreruptor TSI 2

32


Figura 29

Echipamentul inspectat: cabluri de alimentare (distribuie)

Figura 30

Echipamentul inspectat: Panou A, conductoare de legtur

Figura 31

Echipamentul inspectat: cuptor de ardere, partea de vest

33


Figura 32

Echipamentul inspectat: 5 PSpa, USOL PTM 2

Figura 33

Echipamentul inspectat: Trafo 3, TC, celula 110kV

Figura 34

Echipamentul inspectat: PSI ca (110kV)

34


Figura 35

Echipamentul inspectat: celula 110kV, 2, SB-2

Figura 36

Echipamentul inspectat: SB, borna polul spre IO(nu clema)

Figura 37

Echipamentul inspectat: celula 110 kV, CT-A, SB1

Figura 38

Echipamentul inspectat: Trafo 6/0,4kv, PTM 1

35


Figura 39

Echipamentul inspectat: Pod de bare, 20kV, trafo 1

Figura 40

Echipamentul inspectat: celula 110 kV, Trafo 1, clem borna, spre polul IO

Figura 41

Echipamentul inspectat: ntreruptor 0,4 kV TSI 1

Figura 42

Echipamentul inspectat: 3Pspa 0,4 kV, ISOL 500A 36

1_ Termografie in Infrarosu

Documents

Transcript of 1_ Termografie in Infrarosu