Termografierea cu radiatie in infrarosu

1.Scopul lucrarii:

Cunoasterea si aprofundarea notiunii de termografiere cu radiatie in infrarosu

2.Domeniul de aplicare:

SCANAREA TERMICA A CLADIRILOR

ZONA CU INFILTRATII LA NIVELUL SCARII

DEFECTE DE ETANSARE

FERESTE NEETANSE

DEFECTE ALE INSTALATIILOR

TEMPERATURI DE REFULARE DIFRITE IN ACEEASI GRILA DE REFULARE

Izolare improprie a unui acoperis.

Aerul patrunde printr-un tavan cu etanseitate slaba.

Montajul defectuos al unei ferestre (apa penetreaza in zona dejonctiune cu peretele)

Conectarea gresita a cablurilor (crestere locala de temperatura)

Controlul instalatiilor electrice

Identificarea defectelor ascunse (contacte gresite intr-o cutie de sigurante)

Supraincalzirea locala datorata unei legaturi gresite

Factori care pot altera informatia termografica in inspectia

instalatiilor:- vantul (se folosesc factori de corectie);- ploaia sau zapada;- distanta fata de obiect;- marimea obiectului examinat.

DEFECTE DE UZURA

UZURA PREMATURA SI DIFERITA LA DISCURILE DE FRANA

DOMENIUL IT&C

INCALZIRE DIFERITA A MICROPROCESOARELOR

DOMENIUL ELECTRIC

SUPRAINCARCAREA CIRCUITELOR ELECTRICE

domeniul militar :-termoviziune pe timp de noapte

medicina :

-detectarea infectiilor sau inflamatiilor din corpul uman

-determinarea rapida a febrei

-ORL-Diagnosticarea sinuzitelor si rinitelor

-ONCOLOGIE-Depistarea cancerului de piele, cancerului de san,precum si

depistarea neoplasmelor de colon, intestin, stomac si a altor organe interne

medicina veterinara.:

- detectarea infectiilor

3. Principiul fizic al metodei:

a.Istoric;

Descoperită în 1800 de către astronomul englez Sir William Herschel, radiaţia

infraroşie stă la baza tehnicii numită “termografie”.

Marsilio Landriani (1777), a observat o crestere de temperatura, plimband un

termometru dinspre violet spre rosu.

Primele sisteme de operare in infrarosu au aparut intre anii 1900-1920, in aplicatii

militare: detectia unui avion de la 1.5 km distanta sau a unui om de la 300 m.

Dupa anii 1950 au inceput sa apara aplicatii civile si industriale.

b.Radiatia infrarosu;

Radiații infraroșii = radiații electromagnetice invizibile, penetrante, cu efect termic

pronunțat, situate în spectru între limita roșie a domeniului luminii vizibile și microundele

radioelectrice.

Radiațiile infraroșii sunt emise de toate corpurile calde, cu temperaturi mai mari de

zero absolut ( -273,15 grade Celsius). Lungimea lor de undă depinde de temperatura

emițătorului . Energia emisă este proporțională cu frecvența radiației corespunzătoare și

aceasta este invers proporțională cu lungimea de undă.

De la Soare primim radiații vizibile și invizibile care ajung pe pământ după ce străbat

atmosfera terestră. Radițiile invizibile, infraroșii și ultraviolete, nu produc senzația de lumină

asupra ochiului uman dar pot fi puse în evidență prin alte efecte pe care le au.

În cazul radiațiilor infraroșii lungimea de undă este cu atât mai mică cu cât

temperatura sursei este mai mare.

Efectul lor principal este efectul termic, încălzesc corpurile pe care cad.

Razele reflectate de suprafețele încălzite au lungimi de undă mai mari, frecvențe mai

mici și deci și energii mai mai mici. Acest fenomen constituie o cauză a ” efectului de seră”.

c.Emisivitatea corpurilor;

Se consideră două elemente materiale S şi R situate într-un mediu semi-transparent M. Transferul de energie prin radiaţie se realizează prin următoarele fenomene:

emisie termică – corpul S transformă o parte din căldura sa în radiaţie electromagnetică;

transmisie – mediul M transmite total sau parţial radiaţia emisă de corpul S;

reflexie sau difuziune – corpul R reflectă în mediul M o parte din radiaţia emisă de corpul S care vine în contact cu suprafaţa sa;

absorbţie termică – corpul R transformă în căldură o parte din radiaţia provenită de la corpul S.

Fenomenele de transfer menţionate anterior pot avea loc sau nu, în funcţie de natura corpului şi a mediului de propagare, după cum urmează:

un material opac emite, reflectă şi absoarbe radiaţie, dar nu o transmite;

un corp negru emite şi absoarbe, dar nu reflectă şi nu transmite;

un gaz sau o flacără nu reflectă practic, dar emite, absoarbe şi transmite, deoarece sunt mediii semi-transparente

d.Posibilitati de detectie a radiatiei IR (principiile fizice ale detectoarelor de radiatie

IR);

Radiaţia electromagnetică Pentru exemplificare, în figura urmatoare se prezintă spectrul radiaţiei electromagnetice.

Banda spectrală utilizată în termografie este de la 2 la 15 μm. Radiaţia electromagnetică este o

undă determinată de vectorii câmp şi câmp magnetic, care se propagă într-o direcţie dată şi se

caracterizează prin lungimea de undă, în μm şi puterea vehiculată, în W.

Curbele lui Planck, prezentate în figura , constituie fundamentul înţelegerii radiometriei,

radiotermometriei şi a termografiei în infraroşu. Se desprind următoarele observaţii:

Spectrul radiaţiei corpului negru este un spectru continuu, care nu prezintă absenţe ale radiaţiei pentru anumite lungimi de undă. Pentru temperaturi inferioare valorii de 2000 °C, aproape toată energia emisă este situată în infraroşu. Acest lucru explică asocierea infraroşu-căldură.

Oricare ar fi lungimea de undă, radianţa este o funcţie monoton crescătoare, dependentă de temperatură. Atunci când creşte temperatura, creşte şi radianţa. Astfel, un radiometru ce funcţionează pe o lungime de undă fixă, oarecare, furnizează un semnal de ieşire tip funcţie crescătoare pentru temperatura T a corpului negru observat.

Un corp negru, la temperatura T, emite o radiaţie electromegnetică compusă dintr-o infinitate de radiaţii elementare de lungimi de undă şi de radianţe, a căror repartiţie este descrisă de legea lui Planck.

Într-un radiometru, mărimea de intrare este constituită din fluxul de radiaţie, iar la ieşire

este afişată o mărime radiometrică, care poate fi o tensiune, în volţi sau un curent, în

miliamperi. Schema de principiu a unui radiometru este prezentată în figura urmatoare :

4.Termografierea in infraraosu:

a.Definitia termografierii;

Termenul de termografie îşi are originea în cuvintele greceşti thermos şi graphae:Termografie = thermos (căld) + graphae (scriere)

Termografia în infraroşu este tehnica ce permite să se obţină, cu ajutorul unui

echipament sau aparat corespunzător, imaginea termică a unei scene termice observată

într-un domeniu de infraroşu.

b.Schema de principiu (explicatii);

Tehnicile de investigare nedistructiva folosind TIR se folosesc pentru detectia

defectelor de suprafata si din vecinatatea suprafetei unei piese, controlul acoperirilor,

determinarea

imperfectiunilor structurale sau a proprietatilor termofizice.

Principiul termografiei in infrarosu (TIR) pentru evaluarea nedistructiva(NDE) consta

in evidentierea diferentelor relevante de temperatura sau discontinuitatilor gradientului de

temperature datorita defectelor si deteriorarilor de sub suprafata piesei examinate, diferente ce

devin vizibile pe suprafata acesteia.

Sunt posibile doua tehnici : pasiva si activa. Atunci cand temperatura materialului sau

structurii testate este in mod natural diferita de temperatura ambianta se poate utiliza schema

pasiva. In acest caz diferenta de temperatura (ΔT) sau spot cald/rece in raport cu restul

materialului/structurii poate indica o comportare anormala.

Montajul pentru TIR

c.Termografierea in infrarosu in ingineria mecanica (teorie, exemple de aplicatii);

 Situații de potențial defect detectabile cu ajutorul echipamentelor de inspectare termografică:

rulmenți defecți (sau lagăre în care fricțiunea nu mai are loc în limite normale); reductoare în situații de lubrefiere insuficientă; flanșe sau cuplaje elastice de arbori în rotație; cuplaje intermitente de arbori în rotație (ambreiaje); excentricități apărute la arbori cu rotație de mare viteză; dispozitive de frânare/amortizare a componentelor în mișcare; dereglări ale toleranțelor componentelor în mișcare (de exemplu, la conveioare sau linii

de producție); contacte electrice cu rezistență crescută accidental; diminuarea spațiilor de ventilație naturală/forțată din interiorul

echipamentelor/instalațiilor (împiedicarea convecției termice); înfundări ale circuitelor de răcire forțată (circuite cu agent termic – ulei, apă, azot); fisuri în materiale (putând determina discontinuități în conducția căldurii prin

corpul pieselor); puncte de scurgere a aburului uscat dintr-o instalație de transport uzinală; detectarea nivelului lichidului dintr-un rezervor închis (cisternă, tanc); transformări de fază în fluidele scurse în afara circuitului procesului tehnologic/chimic;

UZURA PREMATURA SI DIFERITA LA DISCURILE DE FRANA

d.Termografierea in infrarosu in constructii (principii, exemple);

Principiile metodei

Neregularitatile în proprietatile termice ale elementelor componente ale anvelopei

exterioare a unei cladiri observabile în termeni de scurgeri de caldura sau neuniformitati

(anomalii) termice se traduc prin variatii ale temperaturii la suprafata structurii investigate.

Repartitia temperaturilor pe o suprafata observata poate fi deci utilizata pentru

localizarea/detectarea defectelor ascunse de izolare, a zonelor cu umiditate în exces si/sau

infiltratiilor de aer prin neetanseitatile unor componente ale anvelopei (rosturi ale ferestrelor

si usilor, îmbinari ale elementelor de constructie insuficient tratate, etc). Temperaturile

masurate constituie informatii initiale pentru calculele energetice efectuate pentru aprecierea

randamentului energetic al cladirilor.

Principiile fizice pe care se bazeaza aceasta metoda sunt urmatoarele: orice obiect din

natura emite o radiatie termica, ce consta din radiatia emisa la tranzitii între nivele cuantice

vibrationale si rotationale, si din radiatie reflectata provenita de la alte surse termice. Tehnica

de vizualizare a imaginilor de infrarosu obtinute pe baza caracteristicilor de emisie de radiatie

termica a obiectelor este cunoscuta generic sub numele de tehnica termoviziunii sau a

termografiei.

Principiul de functionare a unui aparat de masura este urmatorul: sistemul optic

centreaza radiatia infrarosie primita din câmpul imagine într-unul cele doua benzi spectrale de

transmisie ale atmosferei (3-5, respectiv 8-14 microni), si o concentreaza pe sistemul de

detectori (matrici de detectori) care exploreaza spatiul. Elementele sensibile ale receptorului

de radiatii transforma semnalele electromagnetice în semnale electrice corespunzatoare, care

apoi sunt amplificate si sunt reproduse sub forma unor imagini pe monitoare care

functioneaza cu frecventa de cadre utilizata în televiziune. Contrastul si stralucirea imaginii se

regleaza astfel incât reprezentarea imaginii termice sa semene cu imaginea vizibila

corespunzatoare.

Exemplu

Se remarca, la fel ca în cazul termogramelor analizate anterior, uniformitatea temperaturii suprafetei în zonele de câmp si puntile termice din dreptul planseelor si conturului ferestrelor În plus, se pot analiza mai bine buiandrugii ferestrelor centrale. Se observa bine puntea termica din zona planseelor, precum si puntea mai mica de deasupra ferestrelor, care (fiind la mica distanta) interfereaza cu prima. Aceste punti se întrerup pe latimea bulbului dintre ferestre, dar nu si pe latimea stâlpilor laterali. Pe lungimea lor apar unele neuniformitati, ceea ce înseamna fie ca executia în aceste zone a fost defectuoasa, fie ca în urma cutremurului din 1977 s-au facut o serie de reparatii si completari la anvelopa cladirii.

Ferestrele se disting diferit, în functie de existenta sau neexistenta luminii aprinse în interior. La etajele 2 si 3, desi în releveu nu apar jaluzele, unele ochiuri apar mai întunecate. Probabil ca în momentul prelevarii imaginilor erau protejate suplimentar pe interior cu draperii sau storuri trase.

Pe termograma sunt marcate si câteva zone de punti termice, cu temperaturi situate între 3,4 si 2,5oC.

Între ferestre temperatura este de 1,8oC.

e.Sensibilitatea metodei de control nedistructiv cu radiatie IR;

Este o tehnica de masura ultrasensibila, putand evidentia variatiile de temperatura de zecimi de grad, atat spatial (de la un punct la altul in imagine), cat si temporal (regimuri tranzitorii ce au loc in intervale de timp de ordinul secundelor pâna la ore si zile).

Prin folosirea termografiei in infrarosu in mentenanta instalatiilor industriale, defectele incipiente pot fi depistate si corectate cu mult timp inainte de a se manifesta prin avarii ; astfel se reduc duratele de intrerupere a functionarii utilajelor, prin eliminarea

opririlor neplanificate si prin optimizarea planificarii reparatiilor si a operatiilor de intretinere planificate.

Aceasta are ca efect imediat reducerea cheltuielilor (economii de energie electrica, economii la reparatiile mijloacelor fixe), reducerea duratei verificarilor si inspectiilor periodice. De asemenea, creste gradul de utilizare a utilajelor si se imbunatatesc conditiile de protectie a muncii.

 

f.Limitarile metodei de control nedistructiv cu radiatie IR;

Instrumentele de măsură în infraroşu constituie un mijloc de control deosebit de puternic în activitatea de mentenanţă a echipamentelor electrice, dar trebuie menţionate şi limitele necesare a fi luate în considerare de către personalul de mentenanţă, cum ar fi:

Instrumentele nu măsoară temperatura! Acestea măsoară radiaţia în infraroşu care, corectată, poate da o temperatură aparentă. În condiţii reale de măsură, o corecţie de precizie repetabilă este practic imposibilă pentru orice material radiant, cum sunt metalele din componenţa echipamentelor electrice.

Instrumentele termografice furnizează informaţii numai despre temperatura de suprafaţă şi nu despre maximul acesteia în zona afectată.

Energia termică emisă la locul de defect variază cu pătratul sarcinii vehiculate prin acea cale de curent. Fără informaţii despre sarcina vehiculată în momentul măsurării şi predicţia evoluţiei acesteia, termograma îşi pierde substanţial din informaţie.

Cu cât creşte temperatura aerului, creşte şi frecvenţa incidentelor. Dacă inspecţiile vor fi efectuate pe timp rece, este posibil ca informaţia oferită de termogramă să fie subestimată.

Condiţiile de mediu ca praful, vibraţiile şi sarcinile ciclice influenţează rata de defectare. De exemplu, temperatura unei cleme, într-o staţie exterioară, poate fi redusă până la 50 % de vânt, cu viteza de 30 km ∕ h.

Degradarea componentelor electrice urmează în timp, extrem de rar, o lege de variaţie liniară. Defectul poate apărea uneori după o supratensiune, o creştere de sarcină, o creştere a nivelului de vibraţii sau o schimbare în condiţiile de mediu.

O creştere de temperatură pentru un echipament inspectat poate indica o tendinţă de defectare cu o evoluţie nu neapărat liniară. Practic, anomaliile care pot conduce la efecte nedorite în instalaţii trebuie imediat remediate.

Când se controlează un echipament electric, modul de analiză indicat este prin compararea temperaturilor pe cele trei faze; localizarea defectului se face prin utilizarea temperaturii relative.

Tranziţia de la aprecierea calitativă a termogramei la apreciere cantitativă este o problemă extrem de delicată şi presupune acordarea unei atenţii deosebite metodei de lucru.

g.Echipamente utilizate la termografierea in IR (tipuri de senzori utilizati pentru captarea radiatiei, formarea si afisarea imaginii campului observat);

Din perspectiva folosirii camerelor video de inspectare termografică , putem trece în revistă câteva dintre facilitățile lor esențiale (ca parametri de performanță, sau ca funcții speciale aplicabile): rezoluția senzorului de imagini: 160x120 – 320x240 pixeli; domeniul de temperatură: -50oC – +500oC; sensibilitatea termică a senzorului: < 50-100 mK (desigur, cu cât domeniul este mai larg

cu atât rezoluția termică este mai mică, mai ales spre extremele intervalului); focalizare optică în scena/câmpul tridimensional (evidențiere bună a detaliilor,); obiective optice cu deschidere bine echilibrată (tipic 32o); eventual obiective interschimbabile (inclusiv cu teleobiective de 7-9o, pentru vizare mai

de la distanță), sau chiar obiective cu zooming; distanța minimă de focalizare: 10cm; recunoașterea/evidențierea automată a punctelor calde/reci și afișarea distribuției

statistice a temperaturilor critice pe afisaj (eventual cu facilitate de alarmare/semnalizare);

afișare imediată a izotermelor (pentru evaluări cantitative); înregistrarea simultană a imaginii reale (în spectrul vizibil) și a celei în IR, pentru

comparații, detaliere, sau pentru documentare ulterioară; software însoțitor pentru analizarea/procesarea imaginilor și pentru crearea de

rapoarte detaliate cu imagini termografice (eventual cu facilități de suprapunere/mixare a imaginilor IR cu cele corespunzătoare în spectrul vizibil); ș.a.m.d.

h.Standarde utilizate in termografierea IR;

Sistemul termografic în infrarosu inclusiv elementele constitutive, vor satisfacecerintele standardelor în vigoare (IEC si EN, unele dintre ele fiind preluate ca standarderomâne). Standarde de referinta pentru sistemele de termografiere în infrarosu:

- “IEC 60068-2-6 Ed.7.0 – Environmental testing. Part 2: Tests. Test Fc andguidance: Vibration (sinusoidal)”;

- “IEC 60529 Ed.2.1 - Degrees of protection provided by enclosures (IPcode)”;- “IEC 60529 Ed.2.1 Consol. with Amendment 1”;- “BS EN 61000 – 6 – 3: 2001 – Electromagnetic compatibility. Genericemission standard. Part 2: industrial environment”;- “BS EN 50082 – 2: 1995 – Electromagnetic compatibility. Genericimmunity standard. Part 2: industrial environment”;- “BS EN 55011; 2007 – Industrial, scientific and medical (ISM) radiofrequencyequipment. Radio disturbance characteristics. Limits andmethods of measurement“. - SR 13340 -1996 Examinări nedistructive, Termografie in infraroşu. Vocabular

Elementele sistemului termografic trebuie sa provina de la producatori care au un sistem de asigurarea calitatii conform SR EN ISO 9001:2008 “Sisteme de managamant a calitatiii. Cerinte.” certificat de organisme recunoscute pe plan international.