Termovizní kamery a jejich využití v energetice a průmyslu
 | |||||||
| Termovizní kamery a jejich využití v energetice a průmyslu Jak praxe již mnohokrát potvrdila, termografickou (termovizní) techniku či termovizní měření lze prohlásit jak za prostředek, který vede ke zvyšování spolehlivosti provozovaných zařízení a tím i k zajištění nepřerušené výroby (minimalizace výrobních ztrát způsobených přerušením výroby) nebo dodávky elektrické energie či jiných médií spotřebiteli, tak také za prostředek vedoucí k úspoře času a nákladů zbytečně vynaložených na preventivní údržbu při odstávkách. Proto je dnes v různých průmyslových odvětvích zejména díky příznivým cenám a dostupnosti po těchto zařízeních velká poptávka. 1. Termografické systémy První termografický systém aplikovaný v tehdejším Československu byl reprezentován výrobkem AGA Thermovision® 680 od firmy AGA Infrared Systems AB (jejím nástupcem je nyní firma FLIR Systems AB) a od roku 1970 používán v československé energetice. Tento systém s opticko-mechanickým rozkladem byl využíván především pro měření v rozvodu elektrické energie (převážně v rozvodnách vn, vvn a zvn). V současné době všichni distributoři a dodavatelé elektrické energie v ČR a SR používají pro měření v rozvodu elektrické energie – měření v rozvodnách a na venkovních vedeních vn, vvn a zvn i v rozvodu nn, výhradně termografické systémy firmy FLIR Systems (především pro jejich kvalitu a dlouhou životnost, ale i pro uživatelskou podporou poskytovanou dodavatelem). Také někteří další uživatelé těchto systémů měří v rozvodu nn, popř. vn, a to převážně ve vnitřních rozvodných sítích velkých závodů, ale i jinde. Pro měření v rozvodu elektrické energie byla vypracována metodika měření a vyhodnocování zjištěných závad, kterou dnes používají s některými vlastními doplněními či obměnami všichni distributoři a dodavatelé elektrické energie. Základem této metodiky je axiom: Svorka nebo spoj, které jsou v pořádku, nemají být teplejší než vodič, na který jsou připojeny. Je-li zjištěno, resp. naměřeno oteplení, přepočítává se na jmenovité nebo maximální možné zatížení, a tak jsou získány hodnoty vzájemně srovnatelné pro klasifikaci oteplení. Tato klasifikace je rozdělena do čtyř stupňů, kde stupněm 4 jsou klasifikována nebezpečná oteplení – závady, které by měly být co nejdříve odstraněny – opraveny (příklad závad v rozvodu vn a vvn je zachycen na obr. 3, příklad závad v rozvodu nn na obr. 4).  Obr. 1. ThermaCAM™ řady E Ve výrobě elektrické energie se používají termografické systémy např. při zkouškách magnetických obvodů elektrických točivých strojů (např. generátorů). Tyto zkoušky se dělají při vyjmutém rotoru, kde je kolem statoru navinuto několik závitů magnetizačního vynutí. Při nasycení magnetického obvodu se uskutečňuje termografická kontrola magnetického obvodu kontroluje se, zda se na jeho jednotlivých částech (zubech) nevyskytuje zvýšené oteplení vzhledem k ostatním zubům. Toto oteplení je většinou způsobeno nedostatečným izolačním odporem mezi izolovanými plechy, ze kterých je složen magnetický obvod stroje – převážně jde o zkrat mezi plechy na konci zubů. Případné zvýšené oteplení není nebezpečné pro samotný magnetický obvod, ale pro izolaci statorového vinutí, které je uloženo v drážkách magnetického obvodu statoru. Zvýšené oteplení, resp. nebezpečná teplota, může způsobit rychlé stárnutí nebo přímo poškození izolace statorového vinutí, jehož důsledkem může být zemní spojení, popř. až zkrat mezi fázemi statoru. Na obr. 5 je pohled na část hydrogenerátoru (S = 91 MV·A) a na obr. 6 je termogram této části stroje. Z termogramu je patrné, že teplota magnetizačního vinutí byla výrazně vyšší než teplota magnetického obvodu (při kontrole magnetického obvodu tohoto hydrogenerátoru nebyla zjištěna žádná oteplení, která by byla způsobena poškozeným magnetickým obvodem, resp. zuby statoru).  Obr. 2. ThermaCAM™ P 65 Mezi další nejčastější aplikace patří také termovizní diagnostika točivých strojů (elektromotorů a motorů jako takových) a pohonů, u kterých dochází vlivem nadměrného tření (způsobeného např. opotřebením ložisek či jiných pohyblivých částí) k nadměrnému přehřívání. Kritická místa jsou pak snadno identifikovatelná právě termovizní kamerou jako místa se zvýšenou teplotou (obr. 7). Při znalosti daného stroje či zařízení nebo při opakovaných kontrolách lze následně stanovit nejen míru případného poškození, ale také případný vývoj již vzniklé závady. Stanovení či klasifikace závad (podobně jako u elektrických rozvodů) umožňují efektivnější plánování revizí při pravidelných odstávkách výroby. Pro uživatele pak není již nezbytné vykonávat (někdy i zbytečnou) údržbu na všech zařízeních, ale jen u těch, kde byla zjištěna odchylka od standardních hodnot. 2. Termovizní systémy FLIR Systems Termografická divize firmy FLIR Systems nyní vyrábí systémy, které pracují ve všech infračervených pásmech elektromagnetického spektra, tj. v infračervené oblasti NIR (Near Infrared, blízko-infračervené), SW (Short-Wave, krátkovlnné) a LW (Long-Wave, dlouhovlnné), využívaných v současné době. Termografické systémy pro uvedená použití v energetice a průmyslu jsou vyráběny ve dvou základních typových řadách:
Obr. 3. Oteplení svorky odpojovače vn
Pozn.: Úplný seznam všech vyráběných termografických systémů firmy FLIR by přesáhl rámec tohoto příspěvku, pro informaci však uveďme, že v současné době firma FLIR Systems vyrábí a nabízí více než 30 různých termografických systémů určených pro nejrůznější použití. V oblasti LW (8 až 14 µm) jsou nabízeny přenosné systémy jak s nechlazenými mikrobolometrickými, tak i chlazenými tzv. QWIP (Quantum Well Infrared Photon, kvantový infračervený detektor) detektory v mozaikovém uspořádání FPA (Focal Plane Array, pole fokální roviny). Přenosné systémy s nechlazenými mozaikovými detektory jsou v současné době k dispozici s detektory 160 × 120 pixelů (řada Therma CAM™ E) a s detektory 320 × 240 pixelů (řada ThermaCAM™ P a S). Především systémy ThermCAM™ se používají v energetice a průmyslu, a to vzhledem k jejich snadné obsluze (veškeré ovládání jednou rukou, vestavěné menu v českém jazyce) a kvalitě. Výhodnost všech zmiňovaných systémů podtrhuje skutečnost, že oproti minulosti obsahují standardizovaný detektor z EU, který není vázán žádnou licencí na dovoz a používání. Tyto licence jsou naprosto nezbytné pro všechny detektory vyráběné v USA (platí tedy pro jakékoliv termografické systémy všeobecně). Navíc u termovizních systémů FLIR Systems je někdy cena mnohem nižší než u podobných zařízení s techniky méně dokonalými vlastnostmi.  Obr. 5. Část hydrogenerátoru (S = 91 MV·A) při magnetizační zkoušce 3. Přenosné termovizní kamery ThermaCAM™ řady E a řady P ThermaCAM™ řady E (dostupné jsou typy E 25, E 45 a E 65, které se liší počtem a druhem měřicích funkcí) je znázorněna na obr. 1. Je to malá ruční termovizní kamera malé hmotnosti (0,7 kg) s ovládáním na jednu ruku (umožňuje měření v situacích, kdy se uživatel musí druhou rukou držet např. žebříku apod.). Kamera je vybavena uživatelsky přívětivým nabídkovým menu v českém jazyce, s jehož pomocí lze vybírat parametry a funkce pro měření. Umožňuje rovněž používat klávesové zkratky, takže u některých funkcí ani není zapotřebí do tohoto menu vstupovat. Základní měřicí rozsah uvedených systémů je –20 až +250 °C s možností rozšíření až do +900 °C, teplotní citlivost 0,1 °C (při teplotě objektu 30 °C), obrazová frekvence 50 Hz a rozsah pracovních teplot od –15 do +45 °C (důležitý parametr především pro měření ve venkovním prostředí při teplotách pod nulou). Kamery této řady mají k dispozici čtyři výměnné objektivy s různými zornými poli a geometrickým rozlišením. Termální obrazy – termogramy (ve formátu JPEG, avšak včetně všech měřených dat) jsou ukládány do vnitřní paměti kamery a pomocí freewaru (volně šiřitelného softwaru) QuickView, který je součástí systému, je lze přenášet do počítače a provádět i jednoduchá vyhodnocení. Dále existuje množství programů pro vyhodnocování a práci s termogramy (tvorba protokolů z měření, skladba několika termogramů v jeden apod.), které jsou naprosto identické pro řadu P, popisovanou v dalším textu. Obr. 7. Přehřátí ložiska elektromotoru
ThermaCAM™ řady P (dostupné jsou typy P 25, P 45 a P 65, které se liší obdobně jako typy E počtem a druhem měřicích funkcí a také hardwarově) je znázorněna na obr. 2. Tato kamera má nejen větší hustotu bodů detektoru, ale navíc je vybavena některými dalšími možnostmi měření. Základní měřicí rozsah těchto systémů je –40 až +500 °C s možností rozšíření až do +2 000 °C, teplotní citlivost 0,08 °C (při teplotě objektu 30 °C), obrazová frekvence 50 Hz, rozsah pracovních teplot od –15 do +50 °C. Systémy této řady mají pevně zabudovaný objektiv 24° × 12°; zorné pole se mění pomocí předsádkových objektivů (v současné době je nabízeno celkem sedm různých předsádkových objektivů). Termální obrazy – termogramy (ve formátu JPEG, avšak včetně všech měřených dat) se ukládají do vnitřní paměti kamery nebo na zásuvné paměťové médium – kartu Compact Flash. Součástí systému je opět freeware QuickView. Termogramy z kamer řady E i P je možné podrobně vyhodnocovat v programu ThermaCAM™ Reporter Basic nebo Professional. Toto programové vybavení je v podstatě integrováno do softwaru Microsoft® Word a využívá několik funkcí tohoto textového editoru. Například prostřednictvím ThermaCAM Reporter Professional, který má v sobě zabudován program Wizard – průvodce pro vytváření různých šablon pro specifické případy měření, je možné do termogramu vložit až 141 měřicích funkcí, 99 spotů (bodů), 20 oblastí (libovolných n-úhelníků), 20 různých profilů a 2 různé izotermy. Parametry objektu pro celý termogram, jako je emisivita, zdánlivě se odrážející teplota, teplota atmosféry, vzdálenost a relativní vlhkost, které se nastavují v softwaru kamery, lze dodatečně programově měnit. Navíc je možné u všech měřicích funkcí měnit také parametry objektu pro každou měřicí veličinu, jako jsou např. emisivita nebo zdánlivě se odrážející teplota. Je-li termogram doplněn zvukovým záznamem, lze každý záznam přehrát v programu Reporter Professional. Při tvorbě zprávy je díky tomu rovněž možné každý termogram doplnit poznámkami operátora učiněnými v době měření. 4. Závěr Výčet a popis všech možných aplikací termografických systémů v energetice a dalších průmyslových odvětvích by přesáhl rámec tohoto příspěvku. Pro představu lze z dalších aplikačních oblastí jmenovat např. kontrolu izolátorových řetězců, plášťů, chladičů a průchodek transformátorů, kontaktů odpojovačů, kontrolu motorů a převodovek, čerpadel, ložisek, kontrolu netěsnosti izolace zařízení (obr. 8), chladicí či ohřívací procesy při výrobě, kontrolu úniků tepla z budov (obr. 9), diagnostiku vlhkostí staveb, lékařské aplikace, bezpečnostní aplikace (monitorování objektů a prostor) atd. Použití termovizní techniky je mnohostranné a záleží pouze na uživateli, jak bude tento potenciál využívat. Podrobnější údaje o systémech ThermaCAM™ řady E a P nebo o vyhodnocovacích programech, jakož i informace o dalších výrobcích i společnosti TMV SS mohou zájemci získat na adrese: TMV SS spol. s r. o. Literatura: | |||||||
