Aplikačné možnosti termovízie v praxi
 | |||||||||||||||||
| Aplikačné možnosti termovízie v praxi Ing. Milan Šimko, PhD., Ing. Milan Chupáč, PhD., Jedním ze sledovaných parametrů obecné činnosti (technologické, průmyslové, lidské apod.) je teplota, která je jevem charakterizujícím určitý fyzikální stav měřeného objektu.
Elektromagnetické spektrum je rozděleno podle vlnových délek do několika vlnových pásem. Při bezkontaktním měření teplot se využívá vlnové pásmo infračerveného (IČ) záření. Na infračervené záření, jehož hodnota je dána spektrální emisivitou, které dopadá na detektor z měřeného objektu, má vliv atmosféra, přičemž dochází k oslabování zářícího toku. Na proces měření mají vliv (kromě spektrální emisivity, kterou lze určit) i venkovní vlivy:
U termovizního měření snímá termovizní kamera tepelné záření objektu i odražené záření z okolí na jeho povrch. Obě záření jsou do jisté míry zeslabována atmosférou mezi detektorem a měřeným objektem. Termovizní systém proto vyžaduje nastavení určitých parametrů, bez nichž nelze teplotu vyhodnotit. U každého termovizního měření je tedy nutné naměřené parametry korigovat. 1. Úvod Od polovice 60. rokov dvadsiateho storočia, kedy bol na trh uvedený prvý termovízny systém, značne postúpila kvalita nielen v konštrukcii a prevedení opticko-mechanických častí kamier, ale hlavne v elektrických obvodoch, spôsobe spracovania signálu a v možnosti použitia výkonových programových produktov pre rôzne druhy použitia.  Obr. 1. Termovízna diagnostika v energetike V súčasnosti sa termovízia radí medzi veľké množstvo technicky dokonalých prístrojov, ktoré sa presadzujú takmer vo všetkých odvetviach priemyslu. Dôkazom toho je i rýchly nárast termografických systémov, ktoré sa v súčasnej dobe používajú v rôznych odvetviach a pri rôznych aplikáciách v SR a ČR, ako sú prediktívna údržba a diagnostika zariadení a strojov, riadenie technologických procesov, výskum, vývoj apod. Hlavným cieľom tohto príspevku je podať informáciu o rozvoji poznaní možnosti využitia termovíznych systémov a prispieť k nemu. Termovízne systémy vyrábané v súčasnej dobe bežne umožňujú zobrazenie teplotných polí na povrchu meraného objektu v rozsahu teplôt –20 až +2 000 °C, s citlivosťou lepšou ako je 0,1 °C pri teplote meraného objektu 35 °C. Skutočný reálny obraz snímaných objektov môže byť priamo vizuálne sledovaný, zaznamenávaný, popr. prenášaný na miesto spracovania. Aby bol termografický systém schopný zobraziť teplotné pole, musí obsahovať rôzne špeciálne komponenty a časti. Tieto systémy pracujú v tzv. infračervenej oblasti elektromagnetického spektra, ktoré je dané vlnovými dĺžkami 0,8 až 1 000 µm (1 mm). Väčšina termografických systémov pracuje v krátkovlnovom pásme, ktoré je dané vlnovými dĺžkami 2 až 5,6 µm, a v dlhovlnovom pásme 8 až 14 µm. Možno povedať, že každé toto pásmo je svojím spôsobom špecifické, a preto i používaná technika sa odlišuje predovšetkým použitým modulom optiky a detektora. Obr. 2. Termogram lokalizovaného miesta poruchy
2. Možnosti využitia termovízie 2.1 Energetika Termovízne merania teda využíva výrobca elektrickej energie ako prostriedok na identifikovanie a hľadanie problémových oblastí pri prenose a distribúcii elektrickej energie. Tiež sú úspešne rozšírená ako nástroj elektrických kontrol, pretože ich prednosťou je, že sa kontrola uskutočňuje počas normálnej prevádzky bez zásahu do zariadenia (meranie je bezkontaktné a nedeštruktívne). Počas pravidelných kontrol sú prípadné závady objavené už v počiatočnom štádiu, čo má značný vplyv na ekonomiku prevádzky. Meraním, postupným sledovaním a porovnávaním s archivovanými hodnotami možno rozhodnúť o kvalite sledovaného spoja. Možno povedať, že termovízia je výkonný pomocník pri kontrole a revízi elektrických obvodov. Špičkové technické vybavenie umožňuje informovať prevádzkovateľa priamo na mieste o zistenej poruche a jej závažnosti.  Obr. 4. Tepelný obraz statora generátora V energetike sa termovízia využíva v týchto oblastiach výroby a distribúcie elektrickej energie:
Kontrola stavu vonkajších rozvodov – vedenia vvn a zvn – sa robí z vrtuľníka (obr. 1), kde termovízna technika väčšinou býva zabudovaná. Postupne sa letí pozdĺž vedenia vo vzdialenosti 10 až 20 m s prevýšením 5 až 10 m, podľa daných možností rýchlosťou 50 až 80 km/h. Metóda je rýchla a efektívna, pričom pomocou termovízie sa kontroluje vedenie a zisťuje sa, či sú jednotlivé spojovacie prvky oteplené. Je zrejmé, že zisťovať potencionálne poruchové miesta na vzdušných vedeniach prenosovej a distribučnej sústavy (vedenia 110 kV až 400 kV), ktorých dĺžky sú niekoľko sto kilometrov, s využitím vrtuľníka a termovíznej kamery nie je možné efektívnejšie a kvalitnejšie (obr. 2). Pravidelnou diagnostikou a včasným odhalením porúch v počiatočnom štádiu na zariadeniach (obr. 3) sa predchádza opravám veľkého rozsahu (napr. včasná výmena ložiska predchádza jeho zhoreniu alebo havárii elektrického motora, ventilátora apod.). U elektrických strojov a generátorov sa termovíziou veľmi často kontroluje aj magnetický obvod (obr. 4).
Obr. 5. Reálny a tepelný obraz transformátora (spoj transformátor – priechodka – prípojnica) Pri kontrole transformátorov sa zisťuje, či nedochádza k otepleniu jeho určitých častí. Okrem toho sa kontrolujú priechodky transformátora (obr. 5), ale i rozloženie teplotného poľa na nádobách olejových transformátorov apod. Skúsenosti dokazujú, že spojením napr. termovíznej diagnostiky, chromatografie olejov, ako i ostatných diagnostických metód sa vytvárajú veľmi dobré podmienky pre realizáciu kvalitnej a nedeštruktívnej defektoskopie týchto strojov. Termovízna technika ďalej nachádza široké použitie pri kontrole elektrických strojov a prístrojov, ako napr. na zisťovanie teploty na zberacích ústrojenstvách a budiacich sústavách generátorov, silových častiach elektrických strojov, na zisťovanie teplotných rozdielov na polovodičových ventiloch v jednotlivých paralelných vetvách zariadení apod. Inými slovami, všade tam, kde taká fyzikálna veličina, ako je teplota, vypovedá o technickom stave daného zariadenia alebo niektorej jeho časti. Túto metódu možno aplikovať i na meranie teploty elektrických spojových prvkov rozvodných a distribučných zariadení rôznych napäťových úrovní (obr. 6). 2.2 Telekomunikácie Pri kontrole je potrebné sa zamerať na tieto časti:
Obr. 7. Termogram a časť anténových systémov rozhlasového vysielača Na obr. 7 je zachytená zložitá časť anténových systémov rozhlasového vysielača s lokalizovaným miestom poruchy (spoj napájacia linka – rozperný krúžok). Anténové systémy je vhodné merať na jar a jeseň, pričom je potrebné rešpektovať stupne oteplenia a príslušné opatrenia vzhľadom na bezporuchovú činnosť vysielacích stredísk. Pretože sa jedná o merania realizované pri vonkajších podmienkach, je potrebné taktiež rešpektovať navrhované odporúčania. Na obr. 8 až obr. 10 sú uvedené príklady využitia termovízie pri kontrole ďalších častí anténových systémov rozhlasových vysielačov. 2.3 Stavebníctvo V súčasnej dobe je spotreba energie veľmi vysoká, naviac sú obvykle spotrebovávané neobnoviteľné zdroje energie. To vedie k zvyšovaniu obsahu skleníkových i ďalších nežiadúcich plynov v ovzduší. Preto je našou povinnosťou šetriť tam, kde je to možné (alebo k neustálemu zvyšovaniu nárokov na tepelnú izoláciu vedie snaha i o ochranu prírody). Pre možnosť zabránenia nežiadúcim únikom energie je najskôr treba lokalizovať miesta a príčiny vzniku strát. Jednou z metód zaoberajúcich sa únikmi tepelnej energie je termovízna metóda. Účelom väčšiny termovíznych meraní v stavebníctve je stanovenie rozloženia povrchových teplôt na plášti budovy a zistenie, či toto rozloženie povrchovej teploty je „netypické“, tj. či je spôsobené napr. chybne prevedenými stavebnými prácami, poruchami izolácie, netesnosťami okien a dverí, kondenzáciou vlhkosti apod. Obr. 11. Termogram novostavby
Ďalšie využitie je pri:
Na obr. 11 až obr. 13 sú termogramy snímaných miest, na ktorých je dokumentovaný vplyv tepelných mostov a poruchy podlahového kúrenia.
Obr. 14. Meranie na výmenníku tepla V niekoľko posledných rokoch bol vyvinutý i špeciálny programový produkt určený pre stavebné aplikácie, ktorý umožňuje pri meraní veľkých objektov poskladať jednotlivé termogramy do jedného obrazu a výsledný obraz vyhodnotiť ako jeden termogram. 2.4 Teplovodné a parovodné systémy Na obr. 14, 15 sú fotografie a tepelné obrazy, na ktorých sú zrejmé úniky v teplovodných rozvodoch a na zariadeniach (výmenník tepla, kotol), ktoré sú ich súčasťou.  Obr. 19. Meranie na spaľovacom motore 2.5 Medicína 2.6 Ekológia  Obr. 20. Rozloženie teploty na asfaltovom chodníku Termovízny systém býva zabudovaný do vrtulníku alebo lietadla a používa sa na snímanie a následné vyhodnocovanie tepelných obrazov vo vybraných lokalitách (teda na meranie v hromadných zástavbách), kde pri meraní v určitej dobe možno získať poznatky o mikroklímach, pričom bude k dispozícii informácia o naakumulovaní a odovzdávaní tepelnej energie rôznymi objektmi, ale i časťami terénu. Vhodnými úpravami následne možno regulovať tepelnú záťaž (napr. vysádzaním porastu) a z vyhodnotenia hodnôt nameraných na zemskom povrchu napr. je možné dostať informácie o stave porastov a pod. Ďalej možno s využitím tejto metódy diagnostikovať, či sa vo vodných nádržiach nevyskytujú miesta so zvýšenou teplotou v dôsledku nedostatočného prúdenia vody, ktoré sú nebezpečné pre živočíchy, rastliny a pod. 2.7 Priemysel  Obr. 21. Sledovanie priestoru uhoľnej skládky Termovízne meranie je svojou fyzikálnou podstatou veľmi presné. Umožňuje dokonale lokalizovať merané miesto, nedochádza pri ňom k zavedeniu systémovej chyby vplyvom tepelnej kapacity kontaktného teplomeru alebo zmeny teploty z dôvodu časovej doby merania, urýchľuje snímanie teploty a tak sa eliminuje chyba spôsobená tepelnou vodivosťou materiálu a prostredia. Termovízne systémy vyrábané v súčasnej dobe sa vyznačujú unikátnymi vlastnosťami medzi podobnými prístrojmi: dovoľujú zobraziť teplotu plameňa a taktiež merať teplotu cez niektoré transparentné materiály (napr. sklená tabuľa, priehľadný film a pod.). Na obr. 17 až obr. 19 sú uvedené niektoré príklady využitia termovízie v priemysle. Termovízne systémy sa využívajú aj na sledovanie takých objektov, kde je dôležitá ochrana pred vznikom požiaru napr. na skladovacích materiáloch (skládky uhlia – obr. 21, pneumatík, technológie v cementárni, na reguláciu povrchových teplôt rôznych materiálov (obr. 20), prístrojov (obr. 22) a pod.) s rizikom ich vznietenia.  Obr. 22. Termogram žehličky ETA 2.8 Výskum a vývoj
Využíva sa teda hlavne tam, kde je potrebné alebo výhodné použiť nedeštruktívne metódy skúšania materiálov a komponentov s možnosťou analýzy tepelných obrazov (termogramov) v reálnom čase a so záznamom statických i dynamických dejov. Je rovnako vhodná pri meraní rozloženia teplôt, napr. na doskách plošných spojov, pri optimalizácii návrhu rozloženia súčiastok, pri detekcii chybných komponentov a mnohých ďalších činnostiach výskumu a vývoja slaboprúdovej elektrotechniky. 2.10 Špeciálne aplikácie  Obr. 23. Nočné videnie V niekoľkých posledných rokoch sa objavujú nové, vylepšené systémy, ktoré umožňujú rozlíšiť minimálne teplotné rozdiely. Vďaka modernizovanému pripojeniu s počítačom možno nastaviť niekoľko ďalších parametrov, napr. určiť, že teplota, ktorú vyžaruje ľudská pokožka, bude zobrazená červenou farbou. Toto je veľmi dôležité pri vyhľadávaní osôb napr. v lese. V súčasnosti sa termovízia stáva dôležitou súčasťou zabezpečovania ochrany objektov a majetku firiem, sledovania pohybu techniky, ale i sledovania pohybu osôb (obr. 23), vozidiel apod. Možno ju využiť v kriminalistike, pretože vie potvrdiť manipuláciu s motorovým vozidlom ešte niekoľko hodín po jeho jazde atď. 3. Záver Termovíznu techniku, ako už bolo spomenuté, možno využívať (a tiež sa využíva) vo všetkých ľudských činnostiach, od medicíny začínajúc až po vojenské aplikácie. Rýchly nárast počtu termografických systémov, ktoré sa v súčasnej dobe používajú aj v SR v rôznych odvetviach a pri rôznych aplikáciách, navodzuje mnoho špecifických otázok spojených nielen s technickou úrovňou používaných termografických systémov, ale tiež i s úrovňou či kvalifikáciou pracovníkov, ktorí s termografickými systémami pracujú, a ďalej s dostupnými normami či predpismi, ktoré sa používajú v novokoncipovanom odbore – termodiagnostike. Termodiagnostika je síce pomerne mladá disciplína, zaradená do odboru technickej diagnostiky, ale jej prínos už bol mnohokrát overený. Pritom vo veľkom počte prípadov je táto diagnostika nenahraditeľná, alebo veľmi ťažko nahraditeľná inými diagnostickými metódami. Bez určitých predpokladov, ktorých splnenie a preukázanie uvedený odbor vyžaduje, bude v budúcnosti výkon činnosti v termodiagnostike nemožný. Možno očakávať, že v blízkej budúcnosti bude vytvorený a akreditovaný príslušný orgán v odbore termodiagnostika, ale i v mnohých ďalších vyvíjajúcich sa odboroch, napr. vibrodiagnostike, tribodiagnostike a pod., ktoré sú pre dnešnú dobu nevyhnutné. Aplikácií termovízie je veľmi mnoho. Veríme, že práve čitateľov tohto príspevku napadnú nové možnosti jej uplatnenia v ich praxi. Tí neskôr poskytnú nové poznatky vo využití tohto systému. Literatúra: | |||||||||||||||||
