Základy práce s IČT kamerou. Ing. Jan Sova, Centrum termografie

Transkript

1 Základy práce s IČT kamerou Ing. Jan Sova, Centrum termografie

2 Program školení Fyzikální principy termografie Principy a funkce IČT kamery Nejistoty termografického měření ČSN EN a ČSN EN Software pro termografii

3 Fyzikální principy termografie Vnitřní energie, teplota, teplo a přenos tepla Elektromagnetické spektrum, tepelné záření Historie poznání infračerveného záření Černé těleso a zdroje referenčního záření Emisivita, činitelé ovlivňující emisivitu

4 Vnitřní energie Vnitřní energie tělesa je energie všech částic, z nichž se těleso skládá. Jde především o kinetickou energii a potenciální energii atomárních a subatomárních částic. Vnitřní energie ovlivňuje vlastnost a stav látky. Například kinetická energie částic se na tělese projevuje jako teplota. Potenciální energie se pohybuje jako pevnost tělesa.

5 Vnitřní energie dislokační pohyb oscilace molekul a další

6 Teplota Statistický pojem Vhodný k popisu stavu systému s velkým počtem hmotných částic Souvisí s vnitřní kinetickou energií neuspořádaného pohybu částic Rozdíl či rovnost teplot určuje, ze kterého tělesa na které bude probíhat přenos tepla či nastane termodynamická rovnováha

7 Teplo Teplo je část vnitřní energie, kterou těleso (přesněji systém) vymění s jiným tělesem aniž by při tom nutně docházelo ke konání práce. Podle kinetické teorie se při tepelné výměně předává kinetická energie neuspořádaného pohybu částic, z nichž se skládá systém, který teplo předává i systém, který teplo přejímá. Ve skutečnosti je potřeba počítat i s dalšími silami, které mezi částicemi působí, ale pro základní představu o tom, co teplo je úvaha o předávání kinetické energie dostačuje.

8 Teplota x teplo Teplota tělesa popisuje jeho stav a souvisí s kinetickou energií částic, z nichž je těleso složeno. Podle kinetické teorie je teplota úměrná střední kinetické energii neuspořádaného posuvného pohybu molekuly jednoatomového (ideálního) plynu. Teplota je pojem statistický, který je vhodný k popisu chování systémů s velkým počtem částic. Teplo popisuje děj, při němž si různá tělesa předávají svou vnitřní energii Pozor: Teplo není to samé jako vnitřní energie tělesa.

9 Teplota - interpretace Kinetická teorie látek absolutní teplota je úměrná střední kinetické energii neuspořádaného posuvného pohybu molekul jednoatomového ideálního plynu Termodynamická definice teploty poměr dvou termodynamických teplot je rovný poměru tepla odevzdaného chladiči a tepla přijatého od ohřívače při vratném Carnotově cyklu pracujícím mezi těmito dvěma teplotami Statistická fyzika teplota zde je funkcí rozlišitelných mikrostavů, počet mikrostavů je u běžných systémů prudce rostoucí funkcí energie systému

10 Teplota - měření Dotykové měření teploty uvede do vzájemného styku těleso, jehož teplotu chceme měřit, a srovnávací těleso. Po vytvoření tepelné rovnováhy je teplota tělesa rovna teplotě srovnávacího tělesa, které se obvykle nazývá teploměrem. Bezdotykové měření teploty měříme elektromagnetické záření, které je dle Planckova vyzařovacího zákona do hry vstupují zcela jiné zdroje nejistot než v případě dotykového měření teploty

11 Srovnání metod Dotykové měření teploty lze dosáhnout velmi vysoké přesnosti méně citlivé na různé zdroje nejistot obecně levnější Bezdotykové měření teploty vysoká citlivost (až 10 mk) velmi vysoká rychlost snímání (až 1000x za sekundu) měření pohybujících se a vzdálených objektů

12 Teplo a přenos tepla Teplo se šíří od místa s vyšší teplotou k místu s nižší teplotou Teplo je míra změny vnitřní energie systému při styku s jiným systémem, aniž by přitom docházelo ke konání práce Způsoby přenosu tepla Vedení Proudění Tepelné záření (sálání)

13 Historie poznání IR záření V roce 1800 William Herschel objevil temné záření při rozkladu světla hranolem.

14 Historie poznání IR záření Herschelův pokus byl opakován (nezbytnost vhodného materiálu) V roce 1830 Meloni objevil propustnost NaCl pro infračervené záření V roce 1859 přicházi Kirchoff se obecnou teorií emise a radiace (schopnost látky emitovat záření je rovna schopnosti záření pohlcovat) Konstrukce pojmu černého tělesa jako tělesa s absolutní pohltivostí

15 Historie poznání IR záření V roce 1884 byl formulován Stefanův-Boltzmannův zákon V roce 1893 byl empiricky odvozen Wienův posunovací zákon V roce 1899 přišel Planck s myšlenkou, že emise a absorpce zářivé energie se může dít jen po celistvých násobcích kvanta V roce 1900, 100 let o objevení infračerveného záření, formuluje Planck tzv. Planckův vyzařovací zákon V roce 1905 přichází Albert Einstein se vztahem pro fotoelektrický jev

16 První detektory IR záření Langleyův bolometr v roce 1880 K jeho konstrukci byly použity dva tenké platinové plátky zapojené jako dvě větve Wheatsonova můstku. Langley pokračoval ve vývoji svého detektoru a po 20 letech se mu podařilo zvýšit citlivost 400x. V roce 1901 jeden z prvních patentů v pyrometrii Navržený přístroj používal optickou soustavu, přičemž konstrukcí se jednalo v podstatě o Newtonův dalekohled, s tepelným termoelektrickým detektorem a výstupní elektrický signál byl měřen přesným galvanometrem. Dnes bychom tento přístroj nazvali jako úhrný (širokopásmový) radiační pyrometr.

17 Féryho pyrometr

18 Elektromagnetické spektrum

19 Stefanův-Boltzmannův zákon

20 Wienův posunovací zákon

21 Planckův vyzařovací zákon

22 Emisivita Poměr intenzity vyzařování reálného tělesa k intenzitě vyzařování absolutně černého tělesa se stejnou teplotou Vyjadřuje tak schopnost tělesa vyzařovat teplo ve formě tepelného záření Čím menší emisivita, tím méně energie těleso při dané teplotě vyzáří Rozlišujeme Černá tělesa Šedá tělesa Selektivní zářiče

23 Šedé těleso, selektivní zářič

24 Názorný vliv emisivity

25 Technické černé těleso Dostatečný rozsah teplot pro kalibraci v jednotlivých bodech Malá nejistota stanovení emisivity a teploty Vysoká emisivita Vysoká teplotní stabilita

26 Kalibrace IČT kamery Dle normy: OIML R 141 Edition 2008 (E).

27 Nepropustnost atmosféry Procentuální pohltivost atmosféry pro jednotlivé vlnové délky.

28 Konstrukce IČT kamery Základní parametry IČT kamery Konstrukce IČT kamery Optika pro infračervené záření Detektory tepelného záření

29 Základní parametry IČT kamery Teplotní rozsah Rozsah vlnových délek pro než je systém citlivý Přesnost stanovení teploty Rozlišení senzoru FOV

30 Konstrukce IČT kamery Optika Detektor záření Zpracování obrazu

31 Optika pro infračervené záření Ge optika, propustnost 8 μm - 14 μm Dříve NaCl, dnes i další materiály Pro viditelné světlo obecně neprůhledné

32 Mikrobolometr Ohřev vlivem dopadajícího záření Fotolitograficky vyráběná mikrostruktura

33 Mikrobolometrické pole Bolometry rozložené do 2D pole (až 640x480)

34 Infračervená okna Pro inspekci a měření uzavřených prostorů Germánium je příliš drahé pro tuto aplikaci Polymery, CaF 2 (kalcium fluorid) a další materiály

35 Nejistoty měření Obecné schéma měření Pět parametrů IČT kamery Emisivita Zdánlivá odražená teplota Propustnost atmosféry

36 Nejistoty měření obecně Žádné reálné měření, metoda či přístroj, není absolutně přesné. Při měření se vyskytují negativní vlivy, které pak způsobují odchylku mezi skutečnou a naměřenou hodnotou. Výsledek měření je proto vždy v tolerančním poli kolem nejpravděpodobnější hodnoty. Nejistota měření je označení pro vlivy, které souvisí s výsledkem měření a charakterizují rozsah hodnot, které je možné racionálně přiřadit k měřené veličině.

37 Pět parametrů měření Útlum atmosféry Atmosférická teplota Relativní atmosférická vlhkost Vzdálenost Zdánlivá odražená teplota Emisivita

38 Odražená zdánlivá teplota Tepelné zář. z okolí (2) dopadá na povrch předmětu (3) Odtud se od odráží do IČT kamery (1)

39 Korekce odražené teploty Nepřímá metoda využívá odražeče Ten je umístěn rovnoběžně s měřenou plochou Problémy s konstrukcí odražeče

40 Korekce odražené teploty Přímá metoda pohled přímo do zdroje

41 Metody stanovení emisivity Stanovení emisivity tabulkou Kontaktní metoda aniž se hýbá IČT kamerou, mění se nastavení hodnoty emisivity v kameře tak, aby teplota vyhodnocené kamerou byla stejná jako teplota změřená kontaktně Metoda využívající materiál s referenční emisivitou při zastavení obrazu se mění hodnota emisivity tak dlouho, až má měřená teplota stejnou hodnotu, jaká byla hodnota bezkontaktně změřené teploty na upraveném povrchu Metoda s použitím černého tělesa Metoda využívající fázový přechod

42 Emisivita V praxi bývá stanovena s nejistotou, kterou však není jednoduché určit Emisivita je funkcí řady parametrů typ materiálu teplota povrchu drsnost povrchu topologie povrchu barva úhel vůči normále

43 Termografické techniky Komparativní (srovnávací) termografie nejčastěji používaná technika a normálně se používá pro získání nejlepších možných dat namísto ideálního nebo absolutního měření teplot důležitá je schopnost přibližného stanovení emisivit a rozdíly v odlišnostech emisivit sledovaného zařízení Bezkontaktní měření teplot používá se tehdy, když je nezbytné stanovit co nejpřesněji skutečnou teplotu objektu pro některé aplikace není znalost absolutní teploty nezbytná (diagnostika strojů, medicína, inspekce elektrických rozvodů apod.) v jiných aplikacích je nezbytná (stavebnictví, el. obvody apod.)

44 Typy komparativní termografie Srovnávací termografie je kvantitativní nebo kvalitativní. Kvantitativní technika vyžaduje určení hodnot teplot, které jsou použity pro určení závažnosti stavu objektu, tyto hodnoty jsou stanoveny porovnáním teplot objektu s podobným objektem či zařízením nebo se základními daty spolehlivější u objektů s větší emisivitou, vliv okolí a provozních podmínek Kvalitativní technika aplikace, kde je třeba k diagnóze či monitorování stavu stroje kvantitativní data

45 Kvantitativní termografie Srovnávací kvantitativní termografie je přípustná a efektivní metoda pro hodnocení stavu strojů nebo jejich komponent určením přibližných teplot. Určení přesných skutečných teplot komponent pomocí IČT je v terénu obecně velmi obtížné (především problém se stanovením emisivity a odrazivost měřených povrchů). V praxi se proto většinou používají odhadnuté parametry a výsledkem je to, že jsou získávány přibližné teploty prvků a dílů, což ale může být v mnoha případech dostatečné pro stanovení míry závažnosti odchylek od normálních stavů.

46 Kvantitativní termografie Příkladem přístupu pomocí kvantitativní srovnávací termografie je úvaha, že odchylka 5 C od provozní teploty není považována za závažnou, ale odchylka např. 100 C od provozní teploty je kritická. Rozdílu mezi kritickou a nekritickou odchylkou je znatelně větší než chyba (nejistota) s níž je povrchová teplota stanovena. Zatímco kvalitativním měřením lze pouze zjišťovat přítomnost závady, kvantitativní měřením je možné odhadovat její závažnost.

47 Kvantitativní termografie Na rozdíl od kvalitativního měření, lze při srovnávacím měření identifikovat závady projevující se jinými teplotami a to porovnáním teplot získaných při použití shodných hodnot emisivit pro tyto povrchy případně podobné emisivity na celém povrchu jednoho stroje. Namísto stanovování je zde rychlý odhad emisivity, odražené zdánlivé teploty a pracovní vzdálenosti. Hodnoty emisivit často vychází z již provedených měření. Je vhodné vytvoření podnikové tabulky emisivit.

48 Kvalitativní termografie Srovnávací kvalitativní termografie porovnává termogramy nebo tepelné profily jednoho dílu se stejným nebo podobným dílem za stejných čí pod. podmínek. Při srovnávání rozdílu snímků nebo profilů teplot je vyhodnocována intenzita změn mezi dvěma nebo více podobnými objekty a to bez přiřazování hodnot teploty ke snímku. Tato technika se používá v řadě průmyslových odvětví. Je velmi efektivní pro identifikaci míst s vyšší či vysokou teplotou, místa s nedovoleným oteplením na el. kontaktech apod.

49 Bezkontaktní měření teplot Stanovení správných absolutních teplot na objektu pomocí IČT je velmi obtížné, protože na konečný výsledek má velký vliv množství parametrů jak vlastního měřícího zařízení, tak i okolních činitelů. Metoda měření absolutních teplot IČT se používá pouze tehdy, když je nutné znát přesné hodnoty teplot nebo malé rozdíly teplot, které mohou být kritické pro daný proces. Tyto podmínky je lze většinou docílit pouze v laboratorních podmínkách. Doplňkové měření dotykovým teploměrem.

50 Výchozí měření Z důvodu diagnostického a prognostického porovnávání se důrazně doporučuje, aby u důležitých zařízení podniku byla provedena základní měření a to jak s komparativním, tak i absolutním měřením hodnot. Tyto hodnoty jsou následně použity při kontrole strojů a elektrických zařízení při stejných či podobných zatíženích a provozních podmínek. Tento postup monitorování je vhodný pro včasnou identifikaci začínajících nebo rozvíjejících poruch.

51 Stanovení závažnosti Při použití IČT pro diagnostiku a monitorování stavu strojů je důrazně doporučeno stanovit kritéria závažnosti. Tato kritéria mohou být dvojího druhu sestavená do základních kategorií, kdy jsou zjišťovány úrovně vyhodnocených (změřených) teplot nebo oblastí a porovnány s úrovněmi, které byly stanoveny jako kritické použitá pro specifické stroje a součásti neb pro jejich skupinu Tyto úrovně jsou stanovovány na základě zkušeností s vyhodnocením většího počtu získaných údajů a dat.

52 Stanovení závažnosti Žádné kritérium závažnosti není univerzálně použitelné na celou škálu aplikací. Kritéria mohou být stanovena pro jednotlivé díly či části stroje. Sledování rychlosti zhoršování stavu, odhad času do poruchy. Kritériem může být nárůst teploty T nad definovanou referenční teplotu. Hodnoty získané při opakovaných měřeních, která byla provedena v určitých časových intervalech za stejných či obdobných podmínek, lze pro jejich zpracování a statistické vyhodnocení použít pro nastavení provozních limitů, včetně predikce rozvoje teplot.

53 Kritérium rozdílu teplot Stanovení kritérií se má provádět na základě historicky získaných nebo statisticky odvozených teplot sestavených z měření specifických zařízení provozovaných za ideálních podmínek. Pro stanovení kritérií mají být použity hodnoty teplot stanovené výrobcem nebo podle podobných detailů, skupin zařízení apod. Takto stanovená kritéria nejsou univerzálně platná a to ani pro podobná zařízení!

54 Kritérium max. dovolených teplot Diagnostik může používat kritérium maximálních dovolených teplot, které bylo stanoveno na základě získaných údajů určených pro rozpoznávání změn v mechanických systémech. Materiálové a konstrukční kritérium. materiálová kritéria se používají tam, kde je kontrola zaměřena na neporušenost materiálu a materiál je sám o sobe předmětem monitorování konstrukční kritéria se používají tam, kde je kontrola zaměřena na neporušenost konstrukce a konstrukce je předmětem monitorování kontrola je navázána na uvažovaný výkon, způsob provozu, spolehlivost apod.

55 Okolní vlivy V mnoha případech nemůže diagnostik měřit přímo povrch jednotlivých součástí. Musí proto při měřeních v terénu vzít v úvahu související skutečnosti nebo chyby způsobené šířením tepla: vedení, proudění, odraz zdánlivé teploty.

56 Kritérium profilu teplot Stanovení profilu je proces porovnání teplotních rozdílů a rozložení teploty po povrchu. Je třeba stanovit základná kritérium dobrý a poruchový. Určení závažnosti je následný proces určující stav zařízení mezi těmito dvěma stavy. Podstatné je především teplotní gradient změna profilu teploty změny v čase

57 Zpráva o zkoušce (protokol) Požadavky na protokol dle normy ČSN ISO : a) jméno (každého) termodiagnostika a kvalifikaci b) jméno a adresu zákazníka c) jméno každého pracovníka, který doprovázel termodiagnostika d) model, výrobce a datum kalibrace použité IČT kamery e) seznam všech zařízení, které měly být kontrolovány spolu se seznamem zařízení, které z nich kontrolovány nebyly f) podrobnosti o všech zjištěných teplotních anomáliích g) podrobnosti o tom, při jakých provozních a okolních podmínkách bylo v době kontroly každé z kontrolovaných zařízení h) datum a čas kontroly i) datum, kdy byla zpráva vytvořena

58 Zpráva o zkoušce (protokol) Pokud byla provedena kvalitativní kontrola, potom je třeba ke každé zjištěné odchylce ještě uvést j) přesné určení místa pro každou odchylku k) popis každé odchylky l) podrobnosti o útlumu v prostředí m) okolní podmínky, např. teplotu vzduchu, rychlost a směr větru a stav počasí apod. n) kopie termogramů odchylek spolu se souvisejícími fotografiemi o) podrobnosti o všech oknech, filtrech a útlumových prvcích použitých při IČT měření p) hodnocení odhadu nebo sdělení o důležitosti odchylky q) odkaz na přehled použitých kritérií hodnocení r) jakékoli ostatní informace nebo speciální podmínky, které mohou ovlivnit výsledky, opakovatelnost odchylky

59 Zpráva o zkoušce (protokol) Pokud byla provedena kvantitativní kontrola, uvádí se: s) vzdálenost od IČT kamery k místu odchylky od normálního stavu t) maximální předepsané zatížení položky a změřené zatížení v době kontroly u) hodnoty emisivit, odražené zdánlivé teploty a propustnosti použité pro výpočet teplot v) pokud je použito kritérium T, teplotu povrchu položky, teplotu referenčního místa a rozdíl jejich relativní teploty

60 ČSN EN ČSN ISO Monitorování stavu a diagnostika strojů Termografie, část 1: Všeobecné postupy. Je národní verzí mezinárodní normy ISO :2008 Tato technická norma zavádí terminologii IR termografie pro oblast diagnostiky strojů popisuje typické postupy a jejich účely popisuje míry závažnosti zjištění odchylek od stavu očekávaného vymezuje metody a požadavky na provádění termografické diagnostiky poskytuje postupy pro stanovení a kompenzaci emisivity a odražené zdánlivé teploty stanovuje požadavky na výstupní protokol

61 ČSN EN ČSN EN Tepelné chování budov Kvalitativní určení tepelných nepravidelností v pláštích budov Infračervená metoda Je národní verzí mezinárodní normy EN 13187:1998 Norma stanovuje kvalitativní metodu pro určení tepelných nepravidelností v pláštích budov pomocí termografické zkoušky. Metoda se používá k určení šíře odchylek v tepelných vlastnostech, včetně vzduchotěsnosti, jednotlivých prvků obvodového pláště.