Использование инфракрасных камер для мониторинга
На сегодняшний день благодаря тепловизорам (делающим видимым инфракрасное излучение), можно обнаружить мельчайшие изменения в нормальной работе двигателей, насосов, конвейеров и т.д. За последние десятилетия, инфракрасные камеры, благодаря которым стало возможным бесконтактное измерение температуры, заметно расширили область своего применения. Такие приборы дают возможность в режиме реального времени осуществлять безопасный для людей, удаленный мониторинг всей ситуации в целом и позволяют проводить быстрый и своевременный анализ происходящего. Тепловизоры имеют широкое применение и в сфере услуг. Кроме того, на данный момент именно тепловизоры считаются тем высокотехнологичным оборудованием, которое гарантирует получение наибольшей отдачи от инвестиций в минимальные сроки.
Общее количество инфракрасных камер в этой сфере заметно увеличилось в последние 10 лет. Развитие технологий, расширило число потенциальных пользователей, многие из которых никогда прежде считали невозможным для себя их использование, из-за высокой стоимости тепловизоров.
С расширением как числа тепловизоров, так и их возможностей на первый план выходит задача по их эффективному использованию.
Правильная эксплуатация данных приборов требует понимания того принципа, который лежи в основу их действия.
Принцип действия тепловизоров.
Инфракрасное излучение является частью электромагнитного спектра и ведет себя так же, видимый человеческим глазом свет. Оно распространяется в пространстве со скоростью света и точно так же, как и свет – отражается, преломляется, поглощается и излучается.
Рисунок 1
Инфракрасное излучение является частью электромагнитного излучения, с большей длиной волны, чем видимый человеком спектр. Правда, справедливо надо отметить, что данное излучение всего лишь одно из тех, чье присутствие мы не замечаем. Ведь кроме видимого нами света, электромагнитное излучение включает в себя и много других волн – ультрафиолетовые лучи, рентгеновские и т.д.
Классифицируют инфракрасные детекторы и тепловизоры по длине волны, которую они улавливают. Единицей измерения является микрон. Например, система, которая может "видеть", от 8 до 12 микрон считается длинноволновой, а инфракрасные камеры и тепловизоры с таким диапазоном называют длинноволновыми, потому что они «видят» в долгосрочной части инфракрасного спектра.
Все объекты излучают инфракрасную энергию, длина волны которой, зависит от их температуры. Это означает, что все объекты испускают инфракрасное излучение. Инфракрасное излучение создается вибрацией и вращением атомов и молекул внутри тела. Чем выше температура объекта, тем больше их движение и, следовательно, тем больше энергии, излучаемой в инфракрасном спектре. Камеры не видят температуру, они обнаруживают именно тепловое излучение.
Рисунок 2. Термограмма зданий
E + T + R = 1 – закон Кирхгофа
Нет ни одной инфракрасной камеры, которая считывает температуру напрямую. Тепловизоры считают количество энергии, поступающей от цели. А эту энергия включает: E излучаемых, T и R передаваемых и отраженных единиц энергии.
Как мы уже говорили ранее, все объекты излучают энергию. Инфракрасное излучение, которое испускается объектом, зависит от двух причин: собственная температура тела и количество тепла которое оно отражает.
Отраженная энергия R.
Тепловое излучениетела является его физической особенностью. В окружающем нас мире, коэффициент излучения может быть определен как способность объекта поглощать инфракрасное излучение. Мы рассчитываем отраженное инфракрасное излучение как некое свойство присущее объекту, с установленным коэффициентом от 0 до 1. При этом 0 объект является идеальным R, или так называемым идеальным отражателем – любая энергия, которая достигает его поверхности, отражается обратно с нулевыми потерями. А любой объект имеющий коэффициент 1 R является идеальным поглотителем, ведь все виды энергии, которая попадают на поверхность объекта, с коэффициентом отражения 1 R будут полностью поглощаться. Ни один вышеперечисленных примеров в природе не существует.
Важно отметить, что отраженное излучение не является стандартным набором цифр. Это свойство поверхности материала и зависит от таких факторов как его форма, угол обзора, длина волны и температура окружающей среды.
R в нашем случае, является одним из видов инфракрасных волн отражаемых объектом. R – это показатель того, сколько именно инфракрасного излучения отражается от поверхности объекта, и не является его собственным излучаемым теплом. Часто в камерах определяется как Треф или Tamb. Т.е. это количество тепла, которое получает объект из окружающей среды.
Коэффициент пропускания Т.
Это свойство материала является той долей инфракрасного излучения, которое передается сквозь него. Например, стекло имеет низкую прозрачность в длинноволновом, инфракрасном спектре. Поэтому производители тепловизоров часто используют для своих линз германий. Германий имеет почти идеальную прозрачность именно в длинноволновом, инфракрасном спектре.
Часто и продавцы и пользователи имеешь дело с телевизорами, считают основной спецификой их работы умение показать именно излучаемое телом (объектом) тепло. Тем не менее, следует помнить, что коэффициент излучения составляет всего одну треть уравнения.
Если мы заинтересованы в точном измерении температуры, мы должны принимать во внимание не только количество излучаемой объектом энергии. Только сумма коэффициентов излучения, пропускания и отражения тепла, даст в результате 1. А следовательно для того чтобы работа тепловизора была наиболее эффективной и обеспечивала в результате измерения точные данные о температуре объекта надо запомнить, что использование формулы E + T + R = 1 обеспечит нам больше возможностей для этого
Соотношение размера пятна к объекту.
Другим важным фактором, при измерении температуры тепловизором, является соотношение размера пятна к измеряемому объекту. Размер пятна так же влияет на способность инфракрасных камер определять на расстоянии температуру заданного объекта. Чем сильнее разрешающая способность у тепловизора и чем большее количество пикселей содержит матрица его экрана, тем более точным будет измерение фактической температуры объекта. Например:
Рисунок 3.
У перекрестия (или Spot 1) на изображении и есть круг в центре. Круг содержит в себе определенное число пикселей, данные с которых усредняются вместе, чтобы снять показания температуры. Любой объект, который мы хотим измерить должны "вписаться" в этот круг. Если наша цель не полностью его заполняет, нам следует помнить о том, что при расчете температуры, будут учитываться и данные об окружающей объект среде, т.е. мы измерение не будет точным.
Соотношение размера пятна к объекту, как правило, представляется в виде отношения D:S. Например, тепловизором с соотношением D:S – 20:"1" можно измерить 1-дюймовый объект с 20 метров. Помните, что соотношение размера пятна к объекту представляет собой не одно раз и навсегда заданное число, а является именно отношением. Т.е. в зависимости от того ближе или дальше мы от мишени, соотношение D:S будет меняться, становясь соответственно, меньше или больше.
Количество пикселей и разрешающая способность оптики играют большую роль в определении соотношения размера пятна к объекту в тепловизорах. Например, если мы имеем три тепловизора имеющих одинаковое оптическое разрешение, но с различным количеством пикселей, 160×120, 320×240, 640×480, то размер соотношения пятна к объекту будет заметно различаться. Чем больше количество пикселей, тем детальнее изображение. Так же чем больше пикселей, мы можем получить по меньшей цели, тем лучше соотношение D:S.
Например, ниже представлены три изображения, сохраненные с помощью трех различных систем. Эти изображения были сняты с одного и того же расстояния тепловизорами имеющими идентичную оптику, но разные экранные матрицы:
Рисунок 4.
Рисунок 5.
Рисунок 6.
Обратите внимание, при каком разрешении экрана измерена максимальная температура, полученная в результате:
160×120 тепловизор – 53 градуса
320×240 тепловизор – 117 градусов
640×480 тепловизор – 138 градусов
В рассмотренном случае соотношение D:S. увеличилось, и измерялась все меньшая и меньшая площадь, и, таким образом, были получены более точные данные температуры «горячей» точки. Действительно, при 640×480 мы можем увидеть проблемы, которые не были видны на других изображениях.
Применение телефотографической оптики, улучшает соотношение S:D в инфракрасных камерах, за счет сужения поля зрения. Уменьшив при помощи оптики размер измеряемого участка (попросту приблизив его), у нас появляется возможность улучшить точность получаемых результатов. Например, у тепловизора с экраном 160×120 и стандартным 25-ти градусным объективом соотношение S:D составляет около 10 ": 1." Если мы будем использовать 12-ти градусный телефото объектив, вместо стандартного, наше отношение размеров пятна к объекту улучшается до 20 ": 1" несмотря на то, что мы используем ту же самую камеру. Тем не менее, с помощью объектива, мы удвоили размер поверхности для сканирования.
Аргументом в пользу использования камер с высоким разрешением экрана служит и то, что мы можем по-прежнему использовать, стандартные объективы с широким углом зрения, при измерении мелких деталей на расстоянии.
Распространенная ошибка Чрезмерное подчеркивание измерения температуры.
С тех пор, как произошло введение радиометрических систем, стало тенденцией полагаться на измерения температуры в качестве индикатора работоспособности оборудования. NETA и многие другие даже произвели “оценки серьезности оборудования”, основанные на температуре. В результате и при подготовке научных кадров и в последующем, ученые термографы стали постоянно использовать результаты измерений температуры при помощи тепловизоров в своих докладах. Однако, большой проблемой именно для «измерения температуры» является то, что имеет ли это измерение смысл или нет. К примеру, рассмотрим относительно небольшую разницу температур между двумя контактами аккумуляторной батареи. В нашем случае, температура «плохого» контакта составляет 119 F, + / – 3F. В большинстве случаев при учете принципов целесообразности и возможных проблем, это будет квалифицироваться как незначительная проблема.
В данном случае гораздо важнее учитывать не температуру данного элемента, а электрический ток (нагрузку), проходящую через него. Контакт батареи стал горячим из-за высокого сопротивления. Во время измерения в аккумуляторе выдавала ток мощностью 60 миллиампер (мА). Мощность аккумулятора была оценена в 200 ампер. Проигнорировав тот факт, что при повышении нагрузки сопротивление а соответственно и температура и теплообмен будут увеличиваться, потери мощности при нагрузке в 200 А, будут почти в 11 миллионов раз, превышать рассеивание мощности при первоначальном измерении. Это может привести к недостатку мощности, которую мы бы пропустили! Сила тока является одним из решающих факторов при анализе электрических систем.
Распространенная ошибка: Игнорирование измерений температуры.
Так как мы только что обсуждали ситуацию, где излишне сильно полагались на информацию о температуре, нам стоит рассмотреть и обратный вариант. Что, будет, если мы станем полагаться только на единичный качественный вывод?
Например, измерение нагревшегося кабеля указывает на появление горячей точки в соединении. Обычным способом решения этой проблемы будет необходимость зачистки провода и новой затяжки соединения. Это поможет решить проблемы с этим подключением, но это еще не вся история. Измерения в соседних точках, говорят нам, что на прилегающих участках проводки (в этом примере температура кабеля 115 градусов Цельсия), существующая температуре выше предельно допустимой для изоляции кабеля. Изоляция кабелей изношена до такой степени, что для того чтобы исправить проблему необходима полная замена их новыми.
Количественная термография важна, когда температура близка к верхнему допустимому для оборудования пределу. Есть много других примеров, когда количественные измерения являются необходимыми, например диагностика конденсатоотводчиков, предохранительных клапанов или определение приоритетных действий для исправления ситуации.
Распространенная ошибка: неверная расшифровка данных.
Много людей занимающихся инфракрасной термографией возводят себя в ранг экспертов. Нравится ли вам это или нет, вас считают экспертом в том, что вы видите, используя ваш тепловизор. Очень трудно для несведущего человека идентифицировать электрические детали. Но нет никакого оправдания, если неправильная расшифровка данных делается каждый день.
Источники информации для правильной расшифровки данных включают с себя персонал предприятия, такой как механики, электрики, техники, а также инженеров, менеджмент, руководство по эксплуатации оборудования и промышленные группы в Интернете.
Заключение
Тепловизор является чрезвычайно полезным высокотехнологичным оборудованием. И получив дополнительную информацию об свойствах инфракрасного излучения и о том как работают тепловизоры, мы можем научиться более эффективно их применять.
Метки материала: классификация, контроль, эффективностьПохожие материалы:
