Podstawy analizy termogramów

Transkrypt

1 Podstawy analizy termogramów 1 Spis treści Analiza jakościowa termogramów... 3 Sygnatury... 3 Symetria... 4 Porównanie... 4 Kontrast... 4 Zmiana... 4 Przyczyny różnic w obrazach termicznych... 5 Różnice w emisyjności... 5 Współczynnik odbicia... 6 Kształt... 7 Przepuszczalność promieniowania... 7 Ruch mas... 7 Zmiana stanu skupienia... 8 Pojemność cieplna... 8 Ciepło indukowane... 8 Konwersja energii... 9 Bezpośredni transfer ciepła... 9 Copyright 2014 P.S.I. Sp. z o.o. ul. Kościuszki 11, Kielce, info@interpsi.pl, tel.: (+48)

2 Obraz termograficzny jest swoistą mapą energii emitowanej przez badany obiekt. Mapę taką można analizować na dwa różne sposoby. Pierwsza metoda to wyszukiwanie określonych wzorców emisji termicznej. Druga to określanie konkretnych wartości poziomów promieniowania termicznego, bądź ich różnic. Termogram można traktować analogicznie jak geograficzną mapę fizyczną (a właściwie mapę hipsometryczną). Analizując warstwice (poziomice) w sposób czysto jakościowy można łatwo zlokalizować takie formacje jak góry, doliny, płaskowyże, czy klify, bez odczytywania wartości związanych z poszczególnymi poziomicami. Natomiast odczytując te wartości jesteśmy w stanie określić jaka jest faktycznie wysokość danej góry, czy jaki jest spad klifu. 2 Fachowiec dysponujący odpowiednim doświadczeniem jest w stanie bez problemu rozpoznać na termogramie miejsca takich anomalii jak ciągi powietrzne, braki izolacji termicznej, zawilgocenia izolacji termicznej, czy też anomalie w obwodach elektrycznych, wywołane nadmierną rezystancją, obciążeniem, zróżnicowaną emisyjnością i odbiciami. Jest też on w stanie dokonać pomiaru wartości temperatur, odpowiadających danemu obrazowi promieniowania, uzyskując wyniki zgodne z rzeczywistością, pozwalające dokonać realnej oceny rodzaju i poziomu zagrożenia. Nie wszystkie badania termograficzne wymagają oceny ilościowej, ale decyzja podjęcia kroków zaradczych, w celu usunięcia anomalii, zwykle jednak wymaga uzyskania konkretnych, liczbowych wyników pomiarów. Energia emitowana w paśmie podczerwieni zmienia się bardzo dynamicznie w funkcji temperatury. Oznacza to, że nawet niewielki wzrost temperatury może powodować znaczny wzrost poziomu promieniowania. Zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna energia emitowana przez obiekt zależy od temperatury w czwartej potędze. Przykładowo, obiekt o temperaturze 0 C morze emitować promieniowanie o natężeniu 315 W/m 2. Obiekt o temperaturze 100 C jest wstanie promieniować mocą 1100 W/m2. A emisja promieniowania z obiektu o temperaturze 200 C może osiągnąć wartość ponad 2800 W/m 2. Ponieważ detektory wykorzystywane w systemach termograficznych tak naprawdę są detektorami energii, w czasie pomiaru konieczne jest wyznaczanie różnicy energii pomiędzy badanym obiektem i poziomem odniesienia, a dopiero na podstawie tego obliczana jest właściwa różnica temperatur. Z drugiej strony, jeśli uzyskany obraz termiczny wyświetlany będzie w palecie odcieni szarości, to oko ludzkie jest w stanie rozróżnić typowo od 20 do 30 jej poziomów. Oznacza to, że jeżeli będziemy chcieli wykryć anomalię termiczną o wielkości 1 C na powierzchni o temperaturze 50 C, to nie uda nam się to bez zawężenia zakresu Copyright 2014 P.S.I. Sp. z o.o. ul. Kościuszki 11, Kielce, info@interpsi.pl, tel.: (+48)

3 temperatur reprezentowanych przez pełen zakres odcieni szarości, od bieli do czerni. Trzeba także zwrócić uwagę na to, że nawet najprostsze kamery termowizyjne mogą mieć rozdzielczość termiczną na poziomie 0,15 C i zakres pomiarowy rzędu 250 C. Bez ograniczenia zakresu pomiarowego daje to ponad półtora tysiąca poziomów temperatury i potrzebnych do ich prezentacji odcieni szarości. 3 Dlatego istotną funkcją systemu termograficznego jest możliwość regulacji zakresu (przedziału) pomiarowego i czułości. Przedział taki to ruchome okno ograniczające zakres obserwowanych temperatur, reprezentowanych przez odcienie szarości od bieli do czerni. Przykładowo, aby obserwować różnice temperatur na powierzchni twarzy z dokładnością 0,1 C dysponując 20 odcieniami szarości (bo tyle jesteśmy w stanie rozróżnić), zakres pomiarowy należy zawęzić do szerokości 2 C. Do tego, żeby użytkownik mógł określić, jakie temperatury chce obserwować, przedział ten musi być przesuwany wzdłuż osi temperatury. Oznacza to, że obserwując twarz poprzez przedział takiej szerokości można zobaczyć jedynie temperatury z zakresu np C, czy też C, lub C i tak dalej. Jeśli do pomiarów przyjęty zostanie na przykład zakres C, to wszystko, co znajduje się w polu widzenia kamery i ma temperaturę poniżej 34 C będzie reprezentowane przez kolor czarny, a to co ma temperaturę powyżej 36 C przez kolor biały. W przypadku obserwacji twarzy przy ustawionym szerokim zakresie pomiarowym, na przykład od 10 C do 50 C, kolejne odcienie szarości będą odpowiadały różnicy temperatur na poziomie 2 C. W takim przypadku szczegóły widoczne przy zakresie pomiarowym wynoszącym 2 C zmienią się w jedną szarą plamę. Analiza jakościowa termogramów Przy diagnostyce z użyciem obrazów termicznych stosuje się następujące podstawowe reguły analizy obrazów termicznych: sygnatury, symetria, porównanie, kontrast i zmiana. Przy analizie termogramów reguły te wykorzystywane są do identyfikacji przyczyn występowania różnic temperatur. Sygnatury Identyfikacja rozmaitych anomalii termicznych w oparciu o ich sygnatury to najprostsza forma lokalizacji problemów. Jednak sama znajomość sygnatur to połączenie wiedzy nabytej w szkołach oraz praktycznych doświadczeń. Fachowiec, który potrafi skutecznie korzyść z sygnatur przy Copyright 2014 P.S.I. Sp. z o.o. ul. Kościuszki 11, Kielce, info@interpsi.pl, tel.: (+48)

4 interpretacji anomalii termicznych ma zwykle za sobą tysiące godzin praktycznych analiz termogramów w połączeniu w innymi metodami (także niszczącymi) badań termicznych analizowanych przypadków. Choć takie zjawiska, jak nadmierna rezystancja połączeń, nierównomierność obciążenia, czy pojemność cieplna dają na termogramach bardzo charakterystyczne obrazy, to jednak mogą się one różnić rozmiarem, kształtem, czy intensywnością. Przykładowo, obraz nadmiernej rezystancji elektrycznej może wyglądać zupełnie inaczej na zacisku bezpiecznika niż na styku wyłącznika. 4 Symetria Porównanie Kontrast Jeśli badanego przypadku nie da się jednoznacznie zinterpretować w oparciu o sygnatury, bądź nie zgadza się on z żadną znaną sygnaturą, identyfikacji problemu można dokonywać opierając się na symetrii lub asymetrii badanego obrazu termicznego. Przykładowo, ludzkie ciało z punktu widzenia termicznego jest symetryczne względem pionowej osi, przechodzącej przez jego środek. W związku z tym anomalie można wykrywać porównując obraz termiczny prawej strony z lewą. Identyfikacja problemu może także być zrealizowana poprzez porównanie jednego obszaru powierzchni obiektu do drugiego, analogicznego obszaru, znajdującego się w takich samych warunkach pracy oraz analogicznych warunkach otoczenia. Przykładowo, może to być porównanie połączeń w dwóch fazach lub dwóch analogicznych komponentów, czy też dwóch jednakowych silników. Podczas porównywania trzeba mieć jednak pewność, że oba badane obszary (czy też obiekty) pracują w takich samych warunkach otoczenia, pod takim samym obciążeniem, mają analogiczną konstrukcję, taki sam materiał i stan powierzchni, a także podlegały analogicznemu działaniu zewnętrznego promieniowania (to znaczy, że na przykład oba były wystawione w taki sam sposób na działanie promieni słonecznych). W wielu sytuacjach problemy mogą zostać zidentyfikowane poprzez zlokalizowanie na termogramie dużych różnic temperatury, czy też miejsc o temperaturze znacząco odbiegającej od reszty analizowanego obszaru. Zlokalizowane w ten sposób anomalie należy porównać z fizycznymi właściwościami badanego obiektu. Przykładowo, wyraźnie widoczny wzrost temperatury w kierunku pionowym wzdłuż poziomych linii pomiędzy kondygnacjami budynku zwykle wskazuje na występowanie w tych miejscach mostków termicznych. Zmiana Tymczasowe zmiany w obrazie termicznym mogą być także wskaźnikiem określonego rodzaju problemów. Termiczne anomalie pojawiające się przy zmianie ciśnienie powietrza mogą świadczyć o występowaniu ciągów Copyright 2014 P.S.I. Sp. z o.o. ul. Kościuszki 11, Kielce, info@interpsi.pl, tel.: (+48)

5 powietrznych. Anomalie pojawiające się nagle, gdy temperatura przyjmuje wartość 0 C (czyli występuje zamarzanie lub topnienie) wyraźnie wskazują na występowanie wilgoci. Pojawiające się rano na dachach anomalie termiczne, które potem szybko znikają, wskazują na występowanie różnic w pojemności cieplej, czego przyczyną także jest zawilgocenie. Silne obciążenie układów elektrycznych spowoduje wyraźne ujawnienie się anomalii występujących w badanych obiektach. 5 Przyczyny różnic w obrazach termicznych Przed rozpoczęciem analizy termogramów należy zastanowić się, z czego wynikają różnice termiczne występujące na obrazach termograficznych. Przede wszystkim należy zdawać sobie sprawę, że promieniowanie docierające do nas z badanej powierzchni nie zależy wyłącznie od temperatury tej powierzchni. W czasie analizy termogramów niezbędna jest odpowiednia wiedza, ale także uwaga i zrozumienie zjawisk zachodzących w analizowanych obiektach. Bez tego wszystkiego odczyt informacji z obrazów termicznych może prowadzić do fałszywych wniosków, a to w rezultacie może spowodować, że cała interpretacja i analiza uzyskanych wyników będzie znacząco, jeśli nie całkowicie odbiegać od rzeczywistości. Różnice w obrazach termicznych mogą wynikać z dwóch przyczyn: pozornej różnicy temperatur i rzeczywistej różnicy temperatur. W pierwszym przypadku różnice te nie wynikają bezpośrednio z różnic temperatury na badanej powierzchni, w drugim są efektem rzeczywistej różnicy ilości energii emitowanej przez badany obiekt. Istnieje wiele przyczyn odpowiedzialnych za występowanie różnic i anomalii na termogramach. Za pozorne różnice temperatur odpowiadają: różnice w emisyjności, współczynnik odbicia, kształt, przepuszczalność promieniowania. Źródłem rzeczywistych anomalii termicznych mogą być: Różnice w emisyjności ruch mas (gazów lub cieczy), zmiana stanu skupienia, pojemność cieplna, ciepło indukowane, konwersja energii, bezpośredni transfer ciepła. Powierzchnie o różnej emisyjności mogą na termogramie wyglądać na elementy o różnej temperaturze, nawet jeżeli tej różnicy temperatury nie Copyright 2014 P.S.I. Sp. z o.o. ul. Kościuszki 11, Kielce, info@interpsi.pl, tel.: (+48)

6 ma. Za różnicę odpowiedzialny jest tutaj rodzaj materiału i stan (struktura) jego powierzchni. Jeśli badany obiekt ma temperaturę wyższą niż temperatura otoczenia, to powierzchnie o niższej emisyjności będą wyglądały na chłodniejsze. Różnica ta wynika z fizycznych właściwości obiektu powierzchnie o niższej emisyjności emitują energię z mniejszą mocą niż powierzchnie o wyższej emisyjności. Jeżeli badana powierzchnia ma taką samą temperaturę jak otoczenie, to różnice emisyjności mogą być trudne do zidentyfikowania. Jeśli analizowany obiekt ma niższą temperaturę od otoczenia, to powierzchnie o niskiej emisyjności będą wyglądać na cieplejsze ze względu na ich wysoki współczynnik odbijania promieniowania. Różnice w emisyjność można stosunkowo łatwo zidentyfikować ze względu na skokową zmianę odczytywanej temperatury na granicy między powierzchniami o różnej emisyjności. W przypadku wątpliwości należy na badanej powierzchni umieścić kawałek czarnej taśmy izolacyjnej (lub innego materiału o wysokiej emisyjności), poczekać chwilę aż jej temperatura się ustabilizuje, a następnie porównać obraz termiczny badanej powierzchni oraz naklejonej na nią taśmy. Oczywiście trzeba tu jeszcze wziąć pod uwagę to, jak wysoka jest temperatura badanej powierzchni. Przy zbyt wysokiej temperaturze taśma może ulec stopieniu, czy nawet spaleniu. 6 Współczynnik odbicia Współczynnik odbicia (reflektancja) oraz emisyjność w przypadku powierzchni nieprzezroczystych są wielkościami wzajemnie się uzupełniającymi: współczynnik odbicia = 1 emisyjność. Pozorne różnice temperatury mogą być obserwowane w efekcie odbicia od badanej powierzchni promieniowania podczerwonego, emitowanego przez zewnętrzne źródła. Pozorna zmiana temperatury będzie tym większa, im większa jest różnica temperatur pomiędzy badanym obiektem, a zewnętrznym źródłem ciepła. Zmiana ta jest także proporcjonalne do współczynnika odbicia badanej powierzchni i emisyjności zewnętrznego źródła ciepła. Problemy wynikające z odbić mają szczególne znaczenie w przypadku badania obiektów o niskiej emisyjności. W zależności od parametrów termicznych otoczenia mogą one wyglądać na cieplejsze lub chłodniejsze, niż są w rzeczywistości, bądź też pozornie przyjmować temperaturę tego otoczenia. Odbić z pojedynczych źródeł, takich jak słońce lub żarówka, można łatwo uniknąć zmieniając kąt, pod jakim dokonywane są pomiary. W przypadku, gdy źródło ciepła jest rozległe i nie da się wyeliminować jego odbić, promieniowanie odbite trzeba uwzględnić w równaniu radiometrycznym (w oparciu o które wyznaczana jest rzeczywista temperatura badanej powierzchni), w celu właściwej korekty uzyskiwanych wyników pomiarów. Copyright 2014 P.S.I. Sp. z o.o. ul. Kościuszki 11, Kielce, info@interpsi.pl, tel.: (+48)

7 7 Kształt Rozbieżności w wynikach pomiarów temperatury mogą być efektem specyficznego kształtu badanego obiektu. Emisyjność badanego obiektu zależy od rodzaju materiału i struktury jego powierzchni. Jednak kształt powierzchni badanego obiektu może także wpływać na jej efektywną emisyjność. Przykładowo, gładka blacha aluminiowa ma emisyjność na poziomie 0,1. Jeśli jednak z tej blachy zostanie zbudowanie pudełko otwarte z jednej strony, to wynik pomiaru temperatury wnętrza pudełka wykonywany z tej właśnie strony będzie wyższy niż wynik pomiaru temperatury samych jego ścianek. Jest to właśnie typowy przypadek, który wskazywałby na wyższą emisyjność. Podobny efekt wystąpi także w narożnikach różnego typu konstrukcji, gdzie schodzą się ze sobą trzy prostopadłe powierzchnie. Różnice w wynikach pomiarów temperatury uzyskiwanych w takich przypadkach są analogiczne do efektów wywoływanych różnicami emisyjności i nie mają swego źródła w rzeczywistych różnicach temperatury. Przepuszczalność promieniowania Pozorne różnice temperatury mogą być zaobserwowane w sytuacji, gdy badany obiekt transmituje promieniowanie emitowane przez znajdujące się za nim źródło energii cieplnej. Na szczęście większość materiałów jest nieprzezroczysta w paśmie podczerwieni. Istotnymi wyjątkami od tej reguły są: szkło, niektóre tworzywa sztuczne oraz materiały wykorzystywane w optyce kamer termowizyjnych, takie jak szafir, german i krzem. Jednak wiele powłok, którymi pokrywa się powierzchnie, czy też materiałów kompozytowych charakteryzuje się częściową przepuszczalnością promieniowania podczerwonego. Ponieważ przezroczystość jest funkcją grubości materiału, to im cieńsza będzie warstwa powłoki, tym silniejszy będzie efekt półprzezroczystości połączona emisja promieniowania samej powłoki i pokrytej nią powierzchni. Transmitowane promieniowanie nakłada się na energię emitowaną i odbijaną, zaburzając prostą zależność między emisyjnością i współczynnikiem odbicia, przez co pomiar temperatury, jak i cała diagnostyka termiczna bardzo się komplikują. Ruch mas Poruszające się masy (ciecze, gazy) transportują ciepło i z tego powodu mogą wywoływać rzeczywiste anomalie termiczne. Dzieje się tak, gdy gaz lub płyn poruszający się wzdłuż powierzchni ma inną temperaturę niż sama powierzchnia, zakłócając poprawną interpretację termicznego stany obiektu. Przykładem takiego zjawiska są ciągi powietrzne, będące efektem nieszczelności w pokryciu budynku. Wykonując badanie termiczne zewnętrznych ścian budynku, w którym wykryto znaczne straty ciepła, zaobserwować można na termogramach w miejscach występowania ciągów powietrza wyraźnie wyróżniające się gorące smugi (wyglądające jak płonące race). Należy zwrócić uwagę, że nie jest to obraz Copyright 2014 P.S.I. Sp. z o.o. ul. Kościuszki 11, Kielce, info@interpsi.pl, tel.: (+48)

8 samych ciągów powietrza, ale powierzchni, nad którą takie ciągi (czyli ruchy mas) występują. Żeby mieć pewność, że uzyskany obraz termiczny jest efektem ciągu powietrza, a nie na przykład przewodzenia ciepła, konieczna jest dodatkowa weryfikacja, na przykład przy pomocy smugi dymu. 8 Zmiana stanu skupienia Pojemność cieplna Gdy materiał zmienia stan skupienia z gazu w ciecz lub ciało stałe, bądź z ciała stałego w ciecz lub gaz, to zawsze towarzyszy temu zjawisku efekt oddawania lub absorbcji ciepła. Jeśli zjawiska te zachodzą na powierzchni badanego obiektu, to oddziałują one na jego temperaturę. Przykładowo, para wodna skraplająca nie na badanej powierzchni będzie powodować wzrost temperatury tej powierzchni, a parująca z powierzchni woda spadek jej temperatury. Na termogramie powierzchnia, na której zachodzą takie zjawiska, zwykle pokryta jest cętkami. Wszystkie materiały posiadają zdolność magazynowania ciepła, jednak zdolność ta silnie zależy od rodzaju materiału. W celu poprawnej interpretacji termogramów niezbędne jest zrozumienie dynamiki transferu i gromadzenia ciepła w badanych obiektach. Najprostszym przykładem jest obiekt oświetlany przez słońce. Gorący obszar na termogramie powierzchni oświetlonej strumieniem światła słonecznego nie tylko wygląda na cieplejszy, ale w rzeczywistości jest cieplejszy i pozostaje taki jeszcze przez pewien czas po zachodzie słońca. Nawet jeśli pomiary będą wykonywane wieczorem, gdy nie będzie już odbić promieni słonecznych od badanych powierzchni, to nadal mogą być widoczne na termogramach pozostałości ciepła zaabsorbowanego przez badane obiekty w ciągu dnia. Są to zjawiska zmienne w czasie temperatura badanych powierzchni rośnie w ciągu dnia i maleje po zmierzchu. Efekty związane z pojemnością cieplną wykorzystywane są w badaniach zawilgocenia dachów, w przeglądach kontrolnych powierzchni mostów, czy ocenie pasywnych systemów ogrzewania solarnego. Pojemność cieplna jest przyczyną rzeczywistych różnic temperatury. Efekt ten można zaobserwować porównując północną i południową stronę konstrukcji, zacieniony obszar do niezacienionego wszędzie tam, gdzie słońce jest źródłem gromadzonej energii. Ciepło indukowane Ciepło indukowane to ciepło, które powstaje w obiekcie lub na jego powierzchni na skutek indukowania prądów lub pól, których źródłem są zewnętrzne pola elektromagnetyczne. Zjawisko to obserwowane jest w obszarze działania pól o wysokim natężeniu w instalacjach wysokiego napięcia, mikrofalowych systemach przekaźnikowych, czy zwykłych kuchenkach mikrofalowych. Efektem tego zjawiska są rzeczywiste zmiany temperatury obiektów znajdujących się w obszarze działania takich pól. Copyright 2014 P.S.I. Sp. z o.o. ul. Kościuszki 11, Kielce, info@interpsi.pl, tel.: (+48)

9 9 Konwersja energii Konwersja do postaci ciepła innych form energii może zachodzić zarówno wewnątrz badanego obiektu jak i na jego powierzchni. W badaniach termograficznych zjawisko to najczęściej obserwowane jest w instalacjach elektrycznych, gdzie duża rezystancja niskiej jakości połączeń, czy też wysokie obciążenie obwodów prowadzi do przemiany energii elektrycznej w ciepło. Ciepło to powoduje wzrost temperatury powierzchni analizowanego obiektu, a następnie przekazywane jest do otoczenia poprzez promieniowanie oraz konwekcję. Bezpośredni transfer ciepła Wzrost temperatury obiektów w środowisku przemysłowym jest zwykle efektem konwersji energii na skutek takich zjawisk jak tarcie, reakcje chemiczne, rezystancja i tym podobne. Jednym z częstszych celów wykonywania badań termograficznych jest wykrywanie różnic w bezpośrednim transferze ciepła. Ciepło emitowane przez powierzchnię obiektu ma swoje źródło w jego wnętrzu. Różne oporności cieplne materiałów odpowiadają za zróżnicowany transfer ciepła, a w efekcie są źródłem różnic temperatur na powierzchni. Poprzez badanie rozkładu temperatury na powierzchni obiektu możliwa jest identyfikacja struktury materiałowej jego wnętrza. Bezpośredni transfer ciepła wykorzystywany jest w nieniszczących badaniach materiałowych obiekt zasilany jest jednorodnym strumieniem ciepła, a anomalie w jego obrazie termicznym świadczą o wadach wewnątrz materiału. Jednak nie należy dać się wprowadzić w błąd. Termowizja umożliwia wyłącznie obserwację temperatury powierzchni i na podstawie tej informacji dopiero wyciągane są wnioski dotyczące wnętrza obiektu. Do błędnych interpretacji może dojść w kilku sytuacjach: wewnątrz badanego obiektu występują obszary o różnej pojemności cieplnej, badany materiał ma silne właściwości dyfuzyjne silnie rozprasza ciepło, występuje zjawisko niejednorodnej lub kierunkowej rezystancji cieplnej, materiał znajdujący się pod powierzchnią badanego obiektu diametralnie różni się od przyjętego do analizy. Copyright 2014 P.S.I. Sp. z o.o. ul. Kościuszki 11, Kielce, info@interpsi.pl, tel.: (+48)