Termowizja jest techniką diagnostyczną, która polega na pomiarze promieniowania w paśmie podczerwieni, emitowanego przez różne obiekty. Na uzyskanym obrazie widać rozkład temperatur na powierzchni badanego obiektu, co umożliwia m.in. bezkontaktową, nieinwazyjną ocenę i diagnostykę stanu technicznego urządzeń. Ta technika stanowi cenne narzędzie diagnostyczne w utrzymaniu ruchu, gdzie liczy się czas i wczesne wykrywanie usterek.
Promieniowanie podczerwone jest jednym z rodzajów promieniowania elektromagnetycznego występujących w przyrodzie. Jest emitowane przez każde ciało o temperaturze wyższej niż zero bezwzględne. Emisyjność przedmiotu zależy od właściwości podłoża, na którym się on znajduje, materiału, z jakiego jest wykonany oraz, w przypadku niektórych materiałów, od jego temperatury. Maksymalna emisyjność (=1) odnosi się tylko do teorii i nie występuje w rzeczywistości. Wartość najbliższą maksymalnej emisyjności (>0,95) ma „ciało doskonale czarne”, wykorzystywane do kalibracji kamer1.
Wykryje wadę, awarię, przegrzanie i pożar
Dziedzina techniki, której przedmiot badań stanowią detekcja, rejestracja, przetwarzanie i obrazowanie promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekty, to termowizja. Obraz, który otrzymuje się w wyniku badań termowizyjnych, to termogram. Przedstawia on rozkład temperatury na powierzchni badanego obiektu, co pozwala szybko określić na przykład zakłócenia w pracy urządzeń, przynosząc olbrzymie oszczędności czasu i minimalizując przestoje w pracy. Z tego powodu termowizja znalazła szerokie zastosowanie m.in. w przemyśle, energetyce, budownictwie czy górnictwie.
Za pomocą termowizji można zobrazować stan urządzeń zasilanych energią elektryczną, zlokalizować przegrzanie na złączach oraz wszelkie awarie. Chętnie korzysta z niej sektor energetyczny: kamera termowizyjna wykryje wady i awarie w układach elektrycznych wyprowadzania mocy, prądnic, transformatorów, elementów rozdzielnic, sieci przesyłowych i torów prądowych. Wychwyci stan nagrzania maszyn i urządzeń: łożysk tocznych i ślizgowych, przekładni mechanicznych, reduktorów czy sprzęgieł ciernych. Ma zastosowanie przeciwpożarowe: w kopalniach kamery termowizyjne potrafią zlokalizować samozapłon węgla jeszcze na etapie, gdy inne urządzenia właściwie nie są w stanie wykryć płomieni i dymu2 oraz diagnozują stan łożysk w przenośnikach taśmowych. Ponadto wykorzystanie kamer termowizyjnych podczas akcji ratowniczych pozwala odnaleźć ludzi w zadymionych miejscach.
Pięć niezbędnych parametrów3
Do diagnozowania obiektów na podstawie danych temperaturowych można używać urządzeń tradycyjnych, np. termometrów rtęciowych, termoelementów (zwanych pospolicie termoparami) oraz termometrów oporowych i manometrycznych, jednak wiąże się to z poważnymi ograniczeniami, np. w zakresie temperatur, skomplikowania układów oraz inwazyjności – np. konieczność bezpośredniego styku czujnika z powierzchnią obiektu.
Urządzenia do pomiarów termowizyjnych mają nad wymienionymi zdecydowaną przewagę w wielu aspektach. Wydaje się też, że badanie termowizyjne jest stosunkowo łatwe do przeprowadzenia. W rzeczywistości jednak jego wyniki mają znaczenie wtedy, gdy badanie zostało wykonane z zachowaniem ścisłych procedur, ponieważ pomiar termowizyjny jest funkcją aż pięciu parametrów, zgodnie ze wzorem:
Tob=f (ε, T0, Tatm, ω, d)
gdzie:
To – temperatura otoczenia,
E – emisyjność,
Tatm – temperatura atmosfery,
d – odległość kamery od ciała promieniującego,
w – wilgotność względna.
Wszystkie te czynniki decydują o kształcie obrazu termowizyjnego, czyli emisji i odbiciu ciepła.
Warunki badania termowizyjnego
Współczynnik emisyjności określa zdolność danego ciała do emitowania własnej energii z pominięciem energii odbitej i przepuszczanej, a jego wartość mieści się w przedziale od 0 do 1. Im bliższa 1, tym pomiar jest łatwiejszy i tym dokładniejsze wyniki się otrzymuje. Prawa fizyki w prosty sposób pozwalają wyjaśnić ten parametr, ale w toku badań trudno go określić, dlatego prowadzi się badania nad emisyjnością rozmaitych materiałów i powierzchni4.
Należy zatem ustawić odpowiedni współczynnik indywidualnie względem każdego badanego elementu, a składają się na niego: aktualna temperatura obiektu i jego właściwości materiałowe (np. kolor i stopień obróbki), a także wpływ elementów znajdujących się w otoczeniu. Pomocne są przy tym odpowiednie tabele opisujące parametry dla wybranych materiałów i ich właściwości, a także konieczne użycie termometru kontaktowego poprzez mierzenie w tym samym punkcie, w którym dokonuje się pomiaru kamerą termowizyjną. Inna metoda to wykorzystanie elementu z określoną emisyjnością – np. taśmy z sadzą (emisyjność 0,95). Pomiar należy wykonać najpierw na taśmie, a następnie nakierować kamerę na badany materiał.
Kolejna kwestia: temperatura odbitego promieniowania podczerwonego – czyli RTC – i temperatura otoczenia powinny być takie same po usunięciu wszelkiego rodzaju zakłóceń. Wartość temperatury promieniowania odbitego uzyskuje się, kładąc na lub obok badanego przedmiotu pogniecioną folię aluminiową (stanowi ona ekwiwalent radiatora Lamberta) i ustawiając emisyjność na 1. W ten sposób uzyskuje się informację o promieniowaniu incydentalnym, będącym zakłóceniem dla dokładnych badań termowizyjnych. Tę wartość wprowadza się następnie do kamery jako RTC i w ten sposób otrzymuje dokładny wynik pomiaru.
Jeżeli temperatura zewnętrzna i temperatura elementów w pomieszczeniu istotnie się od siebie różnią, należy przeprowadzić stabilizację działania urządzenia przez jego aklimatyzację. W takim przypadku przed rozpoczęciem badań zaleca się odczekanie od 10 minut nawet do godziny, po to by części kamery uzyskały temperaturę pokojową; wówczas unika się błędu pomiarowego.
Odległość od przedmiotu zależy przede wszystkim od wielkości stosowanego obiektywu, a co za tym idzie, pola widzenia. Wyznaczenie jej umożliwiają też następujące czynniki: najmniejszy punkt pomiarowy (IFOVmeas) i najmniejszy przedmiot dający się zidentyfikować (IFOVgeo). Specjaliści z firmy Conrad Electronics zalecają odległość 2–3 razy większą niż najmniejszy identyfikowany przedmiot.
Warunki środowiskowe i ich wpływ na termogram
Środowisko, w którym umieszczony jest element, bardzo silnie wpływa na wyniki badań. Z tego powodu należy starannie przygotować miejsce diagnozowania.
Trzeba unikać pomiarów w pomieszczeniach przegrzanych, w obrębie silnego pola elektromagnetycznego, a także wobec działania zanieczyszczeń oraz niekorzystnych czynników środowiskowych, takich jak: słońce nagrzewające powierzchnie, obiekty sąsiadujące, które oddają ciepło obiektowi stojącemu w cieniu – i wiatr, który chłodzi (zaleca się unikać badań przy wietrze wiejącym szybciej niż 5 m/s), a także deszcz i opady śniegu. Zrozumiałe jest, że niemiarodajne wyniki uzyskuje się także w pomieszczeniach z włączoną klimatyzacją, zresztą pomiary zakłócane mogą być nawet przez żarówki i inne źródła światła, bo emitują promieniowanie. Wilgotność powietrza w otoczeniu diagnozowanego urządzenia determinuje przepuszczalność promieniowania podczerwonego, emitowanego przez ten element, co oznacza konieczność zachowania odpowiedniej odległości od elementu.
Jeżeli diagnozuje się maszynę elektryczną, to powinna ona pracować na pełnych obrotach, a przynajmniej przy stanie 40% typowego obciążenia. Badania należy robić regularnie, po to by zaobserwować ewentualne zmiany w działaniu konkretnego elementu. Bazę porównawczą powinien stanowić wykres temperaturowy właściwy dla maszyny dopiero co oddanej do użytku albo bezpośrednio po serwisowaniu.
Podstawowe błędy w pomiarach
Błędy pomiarowe są tym większe, im większa jest różnica między temperaturą mierzonego przedmiotu a temperaturą otoczenia i im niższa jest emisyjność, a także w przypadku nieprawidłowego ustawienia emisyjności. Kolejna zmienna, której złe ustawienie może zepsuć wyniki, to RTC (Reflected Temperature Compensation), czyli kompensacja mocy odbitej. RTC można ustawić ręcznie w kamerze termowizyjnej, ale, jak się okazuje, nie każdy to potrafi. RTC może zostać określona przy użyciu wspomnianego już radiatora Lamberta. Wyniki zakłócane są przez: odległość źle dobraną względem wielkości badanego przedmiotu, wpływ środowiska zewnętrznego, o czym była mowa wcześniej, i wreszcie, źle zinterpretowany termogram. Ta ostatnia może wynikać z braku wiedzy na temat kształtu mierzonego przedmiotu, a wtedy pomocne okazuje się porównywanie z rzeczywistym badanym przedmiotem albo choćby jego zdjęciem.
Parametry kamer termowizyjnych5
Rozdzielczość detektora (a nie wyświetlacza) jest cechą decydującą o jakości pomiarów i ona powinna być decydująca przy wyborze kamery. Jest szczególnie ważna w elektrotechnice i elektronice, gdzie liczy się duża dokładność, bo elementy są małe, a odległość kamery od nich duża. Wysoka rozdzielczość to duża liczba punktów pomiarowych, czyli liczba sensorów w matrycy i determinowana przez nie wysoka jakość wynikowego obrazu. Niższa rozdzielczość wymusza robienie wielu mniejszych obrazów i potem łączne ich analizowanie.
Wysoka rozdzielczość detektora oznacza oczywiście wyższą cenę kamery. Chociaż sprzęt wyposażony w detektor o rozdzielczości 60×60 czy120×120 pikseli będzie niedrogi, to lepszy obraz uzyska się za pomocą kamery o rozdzielczości 320×240 pikseli. Z kolei detektory o rozdzielczości 480×360 lub 640×480 albo wyższej zapewniają już wysoką jakość termogramu. Detekcja przebiega wówczas prosto, szybko i wydajnie, co jest zaletą właśnie w zastosowaniach przemysłowych.
Kamery termowizyjne mają też różne inne przydatne funkcje, takie jak:
→ czułość temperaturowa, czyli zdolność kamery do zarejestrowania i zobrazowania różnicy temperatur. Im większa czułość, tym mniejszą różnicę temperatur wykrywa kamera. Mały zakres uwypukla małe różnice temperatur. Duży zakres pokazuje tylko zestawienie stref ciepłych i zimnych. W przypadku dobrego sprzętu różnica temperatur może być liczona nawet w setnych częściach stopnia Celsjusza. Dzięki temu badający jest w stanie uchwycić zakłócenie, usterkę na bardzo wczesnym etapie, zanim temperatura niebezpiecznie wzrośnie;
→ dokładność, czyli zakres pomiarowy, powinna pokrywać się z przedziałem spodziewanych temperatur. Liczy się szybkość reakcji detektora na zmianę temperatury i możliwość inspekcji obiektów w ruchu;
→ zestawienia termogramu z obrazem rzeczywistym, ew. ich łączenie lub wręcz nakładanie na siebie, co jest możliwe dzięki wbudowaniu w kamery termowizyjne kamer cyfrowych;
→ wskaźnik laserowy, jest to pomocny element, który wskazuje, w którą część obiektu jest akurat wycelowany obiektyw kamery;
→ wymienne obiektywy (teleobiektywy);
→ funkcje typu łączność Wi-Fi, dodatkowe interfejsy, lokalizacja dzięki GPS i oprogramowanie do analizowania zapisanych obrazów.
Produkowane są także specjalistyczne urządzenia termowizyjne, przeznaczone do określonych obszarów zastosowań, zgodnie z ich parametrami technicznymi.
Niższe parametry detektora wymuszają ustawienie się w mniejszej odległości od badanego obiektu, wykonanie większej liczby termogramów, co – wraz z następującą potem analizą – trwa oczywiście dłużej. Dłuższe przebywanie w pobliżu obiektu o wysokiej temperaturze, pod wysokim napięciem albo o nietypowej lokalizacji stwarza zagrożenie dla prowadzącego badania. W takim przypadku pracownik powinien być wyposażony w sprzęt ochronny, zależnie od warunków: buty, rękawice, okulary itp.
Zalety badań termowizyjnych
Podczas badania termowizyjnego nie trzeba wyłączać urządzenia ani instalacji.
Pomiar ma charakter bezkontaktowy, nieniszczący, ponieważ jest wykonywany z bezpiecznej odległości. Wyniki otrzymuje się w czasie rzeczywistym i nie wymagają one przetwarzania, a jeśli tak, to tylko w nieznacznym stopniu. Dają pełen obraz sytuacji. Badanie pozwala zawęzić pole detekcji, dzięki czemu precyzyjnie określa się miejsce usterki, a następnie ją diagnozuje i usuwa. Dzięki termowizji można diagnozować urządzenia średniego napięcia z większej odległości, co z kolei nie jest możliwe w przypadku zastosowania mierników innego rodzaju6.
Kamery termowizyjne obsługuje się w łatwy sposób (co – jak już zostało podkreślone – nie neguje faktu, że w użyciu termowizji ważne jest przygotowanie merytoryczne), a pomiar za ich pomocą trwa krótko. Dla działów utrzymania ruchu to szczególnie ważne, ponieważ szybkie wykrycie problemu pozwala na sprawną interwencję, zanim jeszcze skutki tej usterki zdążą zakłócić proces produkcyjny. Na przykład w urządzeniach wysokiego napięcia wykrywa się stany przed-awaryjne, zapobiegając dużym stratom ekonomicznym wynikającym z przerw w dostarczaniu energii elektrycznej.
Interesujące dane statystyczne podaje serwis Utrzymanieruchu.pl, powołując się na Macieja Ochockiego – inżyniera sprzedaży z firmy VIGO System7. Ochocki jako największą zaletę kamer termowizyjnych wskazuje to, że pokazują one rozkład temperatury, czego nie potrafią pirometry. – Ta informacja jest podstawowym źródłem wiedzy o stanie badanego obiektu – tłumaczy ekspert. – Ponadto dzięki nim [kamerom – przyp. AS] możliwe jest przeprowadzenie badania zmian tego rozkładu w czasie, co często jest jedynym sposobem wykrycia usterki. Przykładem może być analiza uszkodzonych płyt z elektroniką. Po uruchomieniu takiej płyty widać najgorętsze punkty oraz zmiany rozkładu temperatury spowodowane nagrzewaniem się uszkodzonych elementów.
Należy podkreślić, że za złą diagnostykę i późniejsze wystąpienie awarii nierzadko odpowiedzialny jest sam operator kamery, nieodpowiednio przeszkolony i w związku z tym popełniający wiele błędów. Jak zauważa autor cytowanego tekstu – wciąż niewiele zakładów decyduje się na szkolenia z zakresu prawidłowego użytkowania kamery termowizyjnej oraz właściwej interpretacji wyników badania termowizyjnego. Szkolenie sprowadza się natomiast do szybkiej demonstracji działania sprzętu, próby testów i pomiarów – w wykonaniu przedstawiciela handlowego, tuż przed przekazaniem kamery zakładowi. To jest zdecydowanie za mało, biorąc pod uwagę fakt, że trzeba opanować także sztukę interpretowania wyników, co – jak podkreśla Maciej Ochocki – jest najtrudniejszym etapem procesu.
Aleksandra Solarewicz – publicystka, od 1997 r. współpracuje z prasą branżową.
1 „Źródła błędów w pomiarach termowizyjnych”, www.fachowyelektryk.pl/technologie/pomiary/608-zrodla-bledow-w-pomiarach-termograficznych.html.
2 R. Ocetkiewicz, „Kamery termowizyjne – jak wybrać najlepszą?”, 7.09.2015 r., www.magazynprzemyslowy.pl/produkcja/Kamery-termowizyjne-jak-wybrac-najlepsza,6286,1.
3 Oprac. na podst.: J. Kozyra, „Zastosowanie pomiarów termowizyjnych w elektroenergetyce”, w: „Logistyka”, nr 2/2010 oraz „Pomiary termowizyjne – jakich błędów unikać podczas procesów diagnostycznych”, 24.05.2018 r., strona firmowa Conrad Electronics: www.conrad.pl/artykuly/guides/pomiary-termowizyjne.
4 Zob. J. Kozyra, „Zastosowanie pomiarów termowizyjnych w elektroenergetyce”, w: „Logistyka”, nr 2/2010.
5 M. Jaworowska, „Termowizja w utrzymaniu ruchu i elektroinstalacji. Jak wybrać kamerę i wykonywać pomiary?”, Automatykab2b.pl, 4.12.2015 r., https://automatykab2b.pl/temat-miesiaca/45893-termowizja-w-utrzymaniu-ruchu-i-elektroinstalacji-jak-wybrac-kamere-i-wykonywac-pomiary.
6 R. Kowalczyk, J. Pacholski, J. Walczak, R. Olbrycht, „Praktyczne zastosowanie badań termowizyjnych przez energetykę zawodową”, w: „Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej”, nr 55, Gdańsk 2017.
7 UR, „Termowizja – niezwykłe możliwości podczerwieni”, Utrzymanieruchu.pl, 13.10.2013 r., www.utrzymanieruchu.pl/index.php?id=47&no_cache=1&tx_ttnews[tt_news]=6914&cHash=4b099bafa9&type=98.
