Η ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΩΝ ΩΣ ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΟ ΜΕΣΟ ΣΤΗΝ ΠΡΟΒΛΕΠΤΙΚΗ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ

Transcript

1 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 1 Η ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΩΝ ΩΣ ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΟ ΜΕΣΟ ΣΤΗΝ ΠΡΟΒΛΕΠΤΙΚΗ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ ΦΩΤΗΣ ΤΣΟΥΚΑΛΗΣ Μηχανολόγος Μηχανικός Μ.Β.Α. 1. ΙΣΤΟΡΙΚΑ Η υπέρυθρη ακτινοβολία ανακαλύφτηκε το 1800 από τον αστρονόμο William Herschel ( ), ο οποίος γνώριζε ότι το ηλιακό φως εκπέμπει θερμότητα και ότι αποτελείται από τα χρώματα του ορατού φάσματος. Ήθελε να μάθει το ποσό της θερμότητας, που εκπέμπει κάθε διαφορετικό χρώμα του ορατού φάσματος και γι αυτό επινόησε και πραγματοποίησε ένα πείραμα, όπου μέτρησε την θερμοκρασία του κάθε χρώματος που προερχόταν από την ανάλυση του ηλιακού φωτός από ένα πρίσμα. Παρατήρησε ότι η θερμοκρασία αυξανόταν καθώς μετατόπιζε το θερμόμετρο από το ιώδες (βιολετί) στο κόκκινο χρώμα. Επίσης η θερμοκρασία είχε την υψηλότερη τιμή πέρα από το κόκκινο χρώμα, σε μια περιοχή όπου δεν υπάρχει ορατό φως. Με αυτό τον τρόπο ανακάλυψε την ύπαρξη ακτινοβολίας έξω από την περιοχή του ορατού φάσματος (πέρα από ερυθρό χρώμα), η οποία ανιχνεύτηκε από το θερμικό αποτέλεσμα. Ο Herschel ονόμασε αυτή τη μη ορατή ακτινοβολία «θερμαντικές ακτίνες» ( calorific rays ). Είναι αυτή, που ονομάζουμε σήμερα υπέρυθρη ακτινοβολία (infrared radiation). 2. ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΦΑΣΜΑ (ELECTROMAGNETIC SPECTRUM) Περιλαμβάνει το σύνολο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (συμπεριλαμβανομένου και του ορατού φωτός), με μήκη κύματος από μηδέν έως άπειρα μέτρα. Σε κάθε περιοχή

2 2. (electromagnetic spectrum) ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 2 µ µ ( µ µ µ ), µ µ µ µ μηκών κύματος µ. αντιστοιχούν διαφορετικοί µ τύποι µ ακτινοβολιών, που μπορούμε να δούμε µ µ µ µ 1. µ στο σχήμα 1. Καθώς κινούμαστε προς µ τα µ δεξιά της. γραφικής παράστασης το μήκος µ κύμα- τος αυξάνει. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη κάθε ακτινοβολίας αναλύονται στον πίνακα µ µ µ µ Σχήμα 1 : Απεικόνιση του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος Πίνακας 1 : Χαρακτηριστικά μεγέθη ακτινοβολιών ηλεκτρομαγνητικού φάσματος Είδος ακτινοβολίας Μήκος Κύματος (m) Συχνότητα (Hz) Ενέργεια (J) Ράδιο κύματα , Μικροκύματα 0, Υπέρυθρη ακτινοβολία , Ορατό φως 0, , Υπεριώδης ακτινοβολία 0, Ακτίνες Χ Ακτίνες Γ

3 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 3 3. ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (THERMAL RADIATION) Όλα τα σώματα εκπέμπουν συνεχώς ενέργεια εξαιτίας της θερμοκρασίας τους. Αυτή η ενέργεια ονομάζεται θερμική ακτινοβολία. Η ακτινοβολούμενη ενέργεια, που εκπέμπεται από ένα σώμα μεταφέρεται στο γύρω χώρο με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών 3 κυμάτων, σύμφωνα με τη θεωρία του Maxwell. Το μήκος κύματος της θερμικής ακτινοβολίας λ, και η συχνότητα μετάδοσής µ µ µ, µ, της ν, συνδέονται με µ τη σχέση : : c όπου c η ταχύτητα c διάδοσης της ακτινοβολίας στο μέσο µ μετάδοσης µ ( (γύρω ). χώρος). µ µ Αν θεωρηθεί ότι δεν παρεμβάλλεται κάποιο µ υλικό μέσο στη διάδοση της ακτινοβολίας, τότε η ταχύτητά της ισούται με την ταχύτητα διάδοσης του φωτός στο c o = 2, m/s. κενό µ µ µ, c o = 2,9979 µ m/s. µ µ µ µ µ Στις περισσότερες µ 10τεχνικές -7-4 εφαρμογές µ. στις συνηθισμένες µ µ θερμοκρασίες, µ το κύριο μέρος µ της θερμικής. ενέργειας, που εκπέμπεται από ένα σώμα κυμαίνεται σε µ µ µ µ μήκη κύματος από 10-7 µ έως 10-4 µ μέτρα. Γι αυτό το λόγο, το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού ( µ 5487 o C). µ µ µ µ φάσματος που καθορίζεται µ 10-7 από 3. την 10-6 παραπάνω περιοχή μηκών κύματος ονομάζεται µ, µ µ µ θερμική µ ακτινοβολία.., µ µ µ 0, , µ, µ Ο ήλιος µ εκπέμπει µ θερμική ακτινοβολία. από την επιφάνειά του (θερμοκρασίας περίπου 5487 o C). Το κύριο µ μέρος µ µ αυτής της ενέργειας κυμαίνεται µ μεταξύ (-273,15 των μηκών C 0 κύματος ), από 10 µ µ, µ µ µ µ -7 έως μέτρα, έτσι το τμήμα αυτό του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος είναι ( ). µ µ µ γνωστό σαν ηλιακή µ ακτινοβολία. Μέρος µ. της ηλιακής ακτινοβολίας, µ µ μεταξύ των μηκών µ µ κύματος µ. από 0, έως 0, μέτρα, είναι ορατή με το μάτι και ονομάζεται ορατή ακτινοβολία. µ µ µ Όλα τα σώματα. με θερμοκρασία µ πάνω από το µ απόλυτο μηδέν µ µ (-273,15 ο µ C ή 0 ο Κ), µ ( εκπέμπουν ). θερμική ακτινοβολία, µ ακόμα και τα αντικείμενα µ, που νομίζουμε, ότι είναι µ πολύ... µ µ µ µ κρύα (όπως οι κύβοι µ πάγου). Όσο μεγαλύτερη ( θερμοκρασία έχει ένα 1 µm). σώμα τόσο περισσότερη θερμική ακτινοβολία εκπέμπει. Επιπλέον κάθε σώμα μπορεί να δέχεται ακτινοβολία µ µ. µ µ,... µ από όλα τα γύρω σώματα µ που έχουν θερμοκρασία µ πάνω από το µ απόλυτο μηδέν. µ µ. µ µ, µ µ µ.

4 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 4 Τα σώματα διακρίνονται σε ημιδιαπερατά και αδιαφανή ως προς τη μετάδοση της ακτινοβολίας. Ημιδιαπερατά είναι τα σώματα, που η εκπεμπόμενη θερμική ακτινοβολία προέρχεται από όλη τη μάζα τους (το εσωτερικό τους και την επιφάνειά τους). Τέτοια σώματα είναι το γυαλί σε υψηλές θερμοκρασίες, τα αέρια, οι ατμοί κ.λπ. Αδιαφανή είναι τα σώματα, που η εκπεμπόμενη θερμική ακτινοβολία προέρχεται μόνο από την επιφάνειά τους (από πάχος περίπου 1 μm). Η ακτινοβολία, που εκπέμπεται από το εσωτερικό τους εξασθενεί χωρίς να μπορέσει να φτάσει στην επιφάνειά τους. Τέτοια σώματα είναι τα μέταλλα, το ξύλο κ.λπ. Ένα σώμα είναι δυνατόν να συμπεριφέρεται σαν ημιδιαπερατό για συγκεκριμένη περιοχή θερμοκρασιών και σαν αδιαφανές για άλλες θερμοκρασίες. Όπως το γυαλί, που σε υψηλές θερμοκρασίες είναι ημιδιαπερατό, ενώ σε χαμηλές και σε μέτριες θερμοκρασίες γίνεται αδιαφανές. Σαν μέλαν σώμα θεωρείται αυτό, που σε συγκεκριμένη θερμοκρασία Τ απορροφά όλη την προσπίπτουσα σ αυτό ακτινοβολία σε όλα τα μήκη κύματος, χωρίς ανάκλαση, μεταφορά ή διάχυση. Για δεδομένη θερμοκρασία και μήκος κύματος, κανένα άλλο σώμα δεν μπορεί να εκπέμψει περισσότερη θερμική ακτινοβολία από το μέλαν σώμα. Στην πράξη δεν υπάρχουν μέλανα σώματα, είναι ιδεατά και χρησιμοποιούνται στους υπολογισμούς και τη σύγκριση της εκπεμπόμενης θερμικής ενέργειας από τα πραγματικά σώματα. Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία (Ε b ) από την επιφάνεια του μέλανος σώματος σε μια απόλυτη θερμοκρασία Τ, για όλα τα μήκη κύματος, ανά μονάδα επιφανείας και χρόνου δίνεται από το νόμο του Stefan-Boltzmann : Ε b = σ. Τ 4 (σε W / m 2 ) όπου σ = (σε W / m 2 K 4 ) η σταθερά Stefan-Boltzmann. Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία (Q) από την επιφάνεια ενός πραγματικού σώματος σε μια απόλυτη θερμοκρασία Τ, είναι πάντα μικρότερη από αυτή του μέλανος σώματος (Ε b ) και δίνεται από τη σχέση : Q = ε. E b = ε. σ. T 4 όπου το ε ονομάζεται συντελεστής εκπομπής (emissivity) είναι αδιάστατο μέγεθος και κυμαίνεται μεταξύ του μηδενός και της μονάδας. Ο συντελεστής εκπομπής ορίζεται ως το πηλίκο της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από

5 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 5 ένα πραγματικό σώμα θερμοκρασίας Τ προς την εκπεμπόμενη ακτινοβολία του μέλανος σώματος της ίδιας θερμοκρασίας. Μας δείχνει κατά πόσο η συμπεριφορά ενός πραγματικού σώματος μοιάζει με τη συμπεριφορά του μέλανος σώματος. 4. Η ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (INFRA-RED RADIATION) Μέρος της θερμικής ακτινοβολίας, που εκπέμπει ένα σώμα είναι η υπέρυθρη ακτινοβολία. Είναι αμέσως μετά το ερυθρό χρώμα της ορατής ακτινοβολίας, στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, με περιοχή μηκών κύματος από 0, έως 10-3 μέτρα. Χωρίζεται σε επιμέρους περιοχές σε σχέση με την απόστασή της από την περιοχή του ερυθρού χρώματος της ορατής ακτινοβολίας : Κοντινή (SW) με μικρό μήκος κύματος, από 0, έως (σε μέτρα). Μέση (MW) με μεσαίο μήκος κύματος, από έως (σε μέτρα). Μακρινή (LW) με μεγαλύτερο μήκος κύματος, από έως 10-3 (σε μέτρα). Η πρωταρχική πηγή της υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι η θερμότητα ή θερμική ακτινοβολία. Όπως έχει ήδη αναφερθεί παραπάνω, όσο μεγαλύτερη θερμοκρασία έχει ένα σώμα τόσο περισσότερη ακτινοβολία εκπέμπει. Την υπέρυθρη ακτινοβολία (θερμική ακτινοβολία) όλων των μηκών κύματος (κοντινή, μέση, μακρινή) δεν μπορούμε να τη δούμε με τα μάτια μας. Μπορούμε όμως να αισθανθούμε με το δέρμα μας (σαν ζέστη), τη μέση και τη μακρινή υπέρυθρη ακτινοβολία. Καθημερινά παραδείγματα μέσης και μακρινής υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι η θερμότητα, που αισθανόμαστε (με ζέστη) από την ηλιακή ακτινοβολία, από μια φωτιά, από μια θερμάστρα ή ένα θερμοπομπό κ.λπ. Μια εφαρμογή είναι οι ειδικές λάμπες εκπομπής υπέρυθρου φωτός, που χρησιμοποιούνται για να ζεσταίνουν τα φαγητά στα εστιατόρια και fast food. Αυτό το υπέρυθρο φως είναι μακρινή υπέρυθρη ακτινοβολία, που γίνεται αισθητή σαν ζέστη σε κοντινή απόσταση από τις λάμπες αυτές. Μερικές εφαρμογές κοντινής υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι διάφορες συσκευές, που έχουν σαν αρχή λειτουργίας τους, την εκπομπή κοντινής υπέρυθρης ακτινοβολίας, η οποία όπως αναφέραμε παραπάνω, δεν γίνεται αισθητή από το δέρμα μας ούτε ορατή από τα μάτια μας. Τέτοιες συσκευές είναι τα τηλεκοντρόλ των τηλεοράσεων, οι Η/Υ, που

6 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 6 μέσω ειδικών θυρών υπερύθρων στέλνουν σήματα σε διάφορες περιφερειακές συσκευές, οι ανιχνευτές των συστημάτων συναγερμού κτιρίων κ.λπ.. 5. ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ (INFRA-RED THERMOGRAPHY) Είναι η τεχνική, που μετράει τη θερμότητα (υπέρυθρη ακτινοβολία) που εκπέμπει ένα σώμα (αντικείμενο) και εμφανίζει την κατανομή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του σώματος (αντικειμένου). Οι μετρήσεις γίνονται με ειδικές κάμερες, που ανιχνεύουν την υπέρυθρη ακτινοβολία (infra-red cameras), χωρίς να έρθουν σε επαφή με το αντικείμενο. Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην εστίαση της υπέρυθρης ακτινοβολίας, που εκπέμπεται από ένα αντικείμενο, από τον οπτικό φακό. Μέσω αυτού, η υπέρυθρη ακτινοβολία περνάει στον ανιχνευτή υπερύθρων, ο οποίος στέλνει τα δεδομένα στους ηλεκτρονικούς αισθητήρες, όπου γίνεται η μετατροπή των δεδομένων αυτών σε έγχρωμη θερμική εικόνα. Με αυτή τη διαδικασία, η ένταση της ακτινοβολίας μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα και αυτό σε έγχρωμη θερμική εικόνα, που εμφανίζεται σε ειδική οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD). Η εικόνα αυτή λέγεται θερμογράφημα (thermogram), στην οποία τα θερμότερα σημεία παρουσιάζονται με εντονότερα χρώματα. Από ένα θερμογράφημα μπορούμε να δούμε, όχι μόνο την κατανομή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια ενός σώματος αλλά να προσδιορίσουμε και να εκτιμήσουμε τη σοβαρότητα των προβλημάτων θερμότητας. Επίσης, από το θερμογράφημα, επεξεργαζόμενο με το κατάλληλο λογισμικό Η/Υ, μπορούν να εξαχθούν σημαντικά ποσοτικά και ποιοτικά συμπεράσματα, καθώς και γραφικές απεικονίσεις (θα αναφερθούμε λεπτομερέστερα παρακάτω). Για να είναι ένα θερμογράφημα αξιόπιστο, πρέπει κατά τη διεξαγωγή των μετρήσεων να λαμβάνονται υπόψη και οι συνθήκες του συγκεκριμένου περιβάλλοντος (σκόνες, υγρασία, εκπομπή αερίων, ατμοί, ταχύτητα ανέμων για εξωτερικούς χώρους κ.λπ.), με κατάλληλες ρυθμίσεις ή και με την τοποθέτηση κατάλληλων φίλτρων στις κάμερες, έτσι ώστε να μην επηρεάζεται η ακρίβεια των μετρήσεων. Άλλοι παράγοντες, που επηρεάζουν τις μετρήσεις, είναι οι ιδιότητες της επιφάνειας του μετρούμενου σώματος και ο

7 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 7 συντελεστής εκπομπής. Όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο 3, ο συντελεστής εκπομπής ( ε ) παίρνει τις τιμές από 0 έως 1. Στα μη αγώγιμα υλικά (όπως πλαστικό, ξύλο κ.λπ.) ο συντελεστής εκπομπής είναι μεγαλύτερος από 0,6 ενώ στα αγώγιμα υλικά αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Σε λείες και καθαρές μεταλλικές επιφάνειες ο ( ε ) είναι πολύ μικρός, ενώ αλλάζει με την αλλαγή της φυσικής κατάστασης η χημικής σύστασης της επιφάνειας (οξειδωμένη μεταλλική επιφάνεια). Ο συντελεστής εκπομπής εξαρτάται από τη γωνία, που παρατηρείται το σώμα, το μήκος κύματος και τη θερμοκρασία. Έτσι σε κάθε μέτρηση, για τη σωστή και ακριβή απεικόνιση της κατανομής της θερμοκρασίας στο θερμογράφημα, πρέπει να επιλέγεται και η σωστή τιμή του ( ε ) για κάθε περίπτωση. 6. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΥΠΕΡΥΘΡΗΣ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΊΑΣ 6.1 Στις ηλεκτρομηχανολογικές εγκαταστάσεις Οι μετρήσεις θερμοκρασίας είναι απαραίτητες, για την αξιοπιστία τους, την ασφάλεια και την αποφυγή ξαφνικών βλαβών (brakedowns). Στις περιπτώσεις, όπου δεν είναι εφικτό το αισθητήριο του μετρητικού οργάνου να έλθει σε επαφή με το επιθυμητό σημείο, που θέλουμε να μετρήσουμε, τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την υπέρυθρη θερμογραφία. Συνήθως την υπέρυθρη θερμογραφία την εφαρμόζουμε για να πάρουμε μετρήσεις από τμήματα του εξοπλισμού που : Βρίσκονται υπό τάση ηλεκτρικού ρεύματος. Κινούνται, περιστρέφονται ή δονούνται (άξονες, έδρανα, κινητήρες κ.λπ.). Η θερμοκρασία παρουσιάζει ανομοιόμορφη κατανομή και απότομες αλλαγές (καυστήρες, εναλλάκτες θερμότητας, τύμπανα ξήρανσης κ.λπ.). Υπάρχουν στερεά υγρά και αέρια σε υψηλές θερμοκρασίες (λέβητες, φλογοθάλαμοι, καπνοδόχοι, δίκτυο ατμού, δεξαμενές, αεραγωγοί κ.λπ.). Βρίσκονται σε σημεία, που δεν μπορούμε να τα πλησιάσουμε (κάτω από την επιφάνεια

8 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 8 του εδάφους, σε μεγάλο ύψος, όπως μεγάλες δεξαμενές, υπόγεια δίκτυα, μονώσεις σωληνώσεων και δεξαμενών κ.λπ.) Άλλες εφαρμογές ανίχνευσης και επεξεργασίας της υπέρυθρης ακτινοβολίας Στα κτίρια για ανίχνευση : α) σημείων των δομικών στοιχείων, όπου υπάρχουν απώλειες θερμότητας και καταστροφή της μόνωσης, β) διαρροών σε σωληνώσεις, που βρίσκονται εντός δαπέδων και τοίχων, γ) σημείων υγρασίας και διαρροών στις στέγες. Στη διαστημική τεχνολογία, όπου δορυφόροι καταγράφουν και επεξεργάζονται την εκπεμπόμενη και την ανακλώμενη ακτινοβολία από πλανήτες, γαλαξίες, κομήτες και δίνουν ακριβείς εικόνες από την επιφάνειά τους. Στην αεροναυπηγική, για ανίχνευση βλαβών στα διάφορα συστήματα των αεροσκαφών, ανίχνευση υγρασίας και πάγου στα πτερύγια ελέγχου των αεροσκαφών σε εσωτερικά σημεία που δεν είναι ορατά. Στις δυνάμεις καταστολής (αστυνομία-στρατός), για ανίχνευση και εντοπισμό τρομοκρατών, εχθρικών στόχων και ιδίως την νύκτα. Στην ανεύρεση εγκλωβισμένων ανθρώπων (σε δάση, σε πυρκαγιές κτιρίων κ.λπ.). Σε περιβαλλοντολογικές εφαρμογές, όπως εντοπισμό και έλεγχο διαρροών λιπαντικών, χημικών ουσιών, πετρελαίου, εντοπισμό και έλεγχο πυρκαγιών από αέρα, παρακολούθηση μετεωρολογικών φαινομένων κ.λπ. Στην Ιατρική, για εκτίμηση τραυμάτων, για διάγνωση και εκτίμηση διαφόρων ασθενειών (αρθρίτιδα, καρκίνων μαστού κ.λπ.), για τον έλεγχο διακύμανσης της θερμοκρασίας στα διάφορα μέρη του ανθρωπίνου σώματος κ.λπ. Αξίζει να σημειωθεί, ότι το φίδι κροταλίας έχει αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας, με τους οποίους μπορεί να ανιχνεύσει ζώα για την τροφή του, τα οποία βρίσκονται σε κοντινή απόσταση και είναι κρυμμένα από φυσικά εμπόδια, ακόμα και στο σκοτάδι. 7. ΠΡΟΒΛΕΠΤΙΚΗ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ

9 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 9 Η Θερμογραφία υπερύθρων εξελίσσεται στο πλέον αξιόπιστο διαγνωστικό εργαλείο, που χρησιμοποιείται στην προβλεπτική συντήρηση (predictive maintenance) του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού. Με αυτή τη μέθοδο μπορεί να ελεγχθεί γρήγορα και αποτελεσματικά, εξοπλισμός εσωτερικού χώρου (όπως μετασχηματιστές, χειριστήρια μηχανών, πίνακες υποδιανομών, διακόπτες, ασφαλειοδιακόπτες, ρελέ, ακροδέκτες, πηνία, κινητήρες κ.λπ.), αλλά και εξωτερικού χώρου (όπως υποσταθμοί, μηχανισμοί παρεμβολής, μετασχηματιστές, εναέρια δίκτυα κ.λπ.). Κάθε τμήμα του εξοπλισμού, που μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια, πριν υποστεί βλάβη, παρουσιάζει συνεχώς αυξανόμενη θερμοκρασία, που δεν είναι ορατή από το ανθρώπινο μάτι. Μέσω της θερμογραφίας υπερύθρων ανιχνεύουμε τα σημεία του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού, που πρόκειται να δημιουργηθεί βλάβη, τα οποία δεν ανιχνεύονται με άλλο τρόπο, έτσι μπορούμε προγραμματίζοντας να προβούμε έγκαιρα σε διορθωτικές ενέργειες πριν το τελικό στάδιο της βλάβης και την ολοκληρωτική καταστροφή του εξοπλισμού. Μια βλάβη σε ηλεκτρολογικό εξοπλισμό έχει τα παρακάτω αποτελέσματα : Ξαφνικό σταμάτημα παραγωγικής διαδικασίας. Κίνδυνος πρόκλησης ατυχήματος σε εργαζόμενους. Κίνδυνος πρόκλησης βραχυκυκλώματος και πυρκαγιάς με περαιτέρω απώλειες περιουσιακών στοιχείων. Αντικατάσταση τμήματος του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού. Ένα άλλο πλεονέκτημα της θερμογραφίας υπερύθρων, είναι ότι οι μετρήσεις πραγματοποιούνται, ενώ ο ηλεκτρολογικός εξοπλισμός είναι υπό φορτίο (πλήρη λειτουργία), χωρίς το διαγνωστικό όργανο (κάμερα υπερύθρων) να έλθει σε επαφή με τον εξοπλισμό. Μπορούμε λοιπόν, εύκολα και άμεσα, να ελέγξουμε τμηματικά όλο τον ηλεκτρολογικό εξοπλισμό υπό φορτίο, από ασφαλή απόσταση και με ασφαλή τρόπο να κάνουμε την διάγνωση μέσω του θερμογραφήματος. Από τον έλεγχο αυτό θα προκύψουν ότι πρέπει να επισκευαστούν μόνο αυτά τα σημεία του εξοπλισμού που υπάρχει πιθανότητα μελλοντικής βλάβης. Με τη χρήση της θερμογραφίας υπερύθρων σαν διαγνωστικό εργαλείο της προβλεπτι-

10 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 10 κής συντήρησης του ηλεκτρικού εξοπλισμού, καταργούμε τους παραδοσιακούς τρόπους συντήρησής του, με σημαντική μείωση του κόστους συντήρησης, αύξηση της διαθεσιμότητας και της αξιοπιστίας του και το κυριότερο αποφυγή κινδύνου πρόκλησης ατυχήματος σε ανθρώπινο δυναμικό και σε εξοπλισμούς. Για παράδειγμα, η συστηματική σύσφιξη όλων των ακροδεκτών μιας ηλεκτρολογικής εγκατάστασης, αφ ενός απαιτεί μεγάλο αριθμό εργατοωρών, αφ ετέρου μπορεί να καταλήξει σε καταστροφή των ακροδεκτών (λόγω της υπερβολικής ροπής σύσφιξης). Αποτέλεσμα αυτού είναι το πολύ μεγάλο κόστος συντήρησης για τον ηλεκτρολογικό εξοπλισμό, χωρίς όμως να έχουμε επιτύχει αύξηση της αξιοπιστίας του. Επειδή η αύξηση του βαθμού επικινδυνότητας σχετίζεται με τις ανιχνευθείσες ανόδους της θερμοκρασίας, με τη χρήση της θερμογραφίας υπερύθρων μπορούμε να διαβαθμίσουμε τον κίνδυνο βλάβης στα συγκεκριμένα σημεία του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού και να προγραμματίσουμε το χρονικό περιθώριο επέμβασης για επίλυση των προβλημάτων, πριν από τη δημιουργία απωλειών του εξοπλισμού και διακοπή της λειτουργίας του. Τα προβλήματα, που παρατηρούνται στον ηλεκτρολογικό εξοπλισμό τα οποία μπορούν να εξελιχθούν σε βλάβη είναι τα παρακάτω : α) Χαλαρές συνδέσεις (σε ακροδέκτες, ασφάλειες κ.λπ.), που οφείλονται σε μικρότερη ροπή σύσφιξης από αυτή που απαιτείται. Σε αυτή την περίπτωση μειώνεται το εμβαδόν επιφανείας στο οποίο το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να διαρρεύσει και παρατηρείται αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης επαφής. Αυτό προκύπτει και από τη σχέση : R = ρ. ( l / S ) [σε Ω] όπου : R η ηλεκτρική αντίσταση [σε Ω ] ρ η ειδική αντίσταση σε [ σε Ω mm 2 / m] l το μήκος του αγωγού [ σε m ] S η διατομή του αγωγού [ σε mm 2 ] Όταν η ηλεκτρική αντίσταση αυξάνεται, η παραγόμενη θερμότητα από ένα σώμα αυξάνεται και κατά συνέπεια και η θερμοκρασία. Αυτό προκύπτει και από τη σχέση : Q = 0,24. R. I 2. t [ σε cal ] όπου : Q η παραγόμενη θερμότητα [ σε cal ]

11 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 11 R η ηλεκτρική αντίσταση [ σε Ω ] I η ένταση του ηλεκτρ. ρεύματος [σε Α] T ο χρόνος [ σε sec ] Αν μια χαλαρή σύνδεση παραμείνει, τότε θα παρατηρηθεί σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας, με καταστροφή της σύνδεσης και του εξοπλισμού, που βρίσκεται κοντά στη σύνδεση. Το αποτέλεσμα θα είναι (εκτός του σταματήματος της παραγωγικής διαδικασίας) η πρόκληση βραχυκυκλώματος και ηλεκτρικού τόξου, με άμεσο κίνδυνο ανάπτυξης πυρκαγιάς και ηλεκτροπληξίας των ανθρώπων, που βρίσκονται κοντά στο σημείο αυτό. β) Οξείδωση που δημιουργείται στο σημείο σύνδεσης. Σε αυτή την περίπτωση έχουμε αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης, ανάλογα με το μέγεθος της οξείδωσης. Αν η οξείδωση συνεχιστεί, θα παρατηρηθεί υπερβολική αύξηση και της θερμοκρασίας, με τα αποτελέσματα που αναφέρθηκαν παραπάνω. γ) Υπερφορτωμένο κύκλωμα, που δημιουργείται όταν έχει τοποθετηθεί αγωγός μικρότερου διαμετρήματος από αυτόν που έχει σχεδιαστεί, ή όταν κάποια συσκευή του κυκλώματος (π.χ. ηλεκτροκινητήρας) παρουσιάζει υπερφόρτωση. Στην περίπτωση ενός υπερφορτωμένου κυκλώματος θα έχουμε αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης και κατά συνέπεια αύξηση της θερμοκρασίας. Αν το φαινόμενο αυτό συνεχιστεί θα παρατηρηθεί αλλοίωση και σταδιακή καταστροφή της μόνωσης του αγωγού, με αποτέλεσμα, την πρόκληση βραχυκυκλώματος και ηλεκτρικού τόξου με τους γνωστούς συνεπακόλουθους κινδύνους. δ) Κακή ποιότητα γήρανση υλικών κατασκευής και μόνωσης των στοιχείων του εξοπλισμού (διακοπτών, ρελέ, θερμικών, πηνίων κ.λπ.) που προκαλούν σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας με τα γνωστά αποτελέσματα. ε) Μείωση της διηλεκτρικής σταθεράς του μονωτικού υλικού των τυλιγμάτων στους μετασχηματιστές και τους κινητήρες. Συνέπεια αυτού του φαινομένου, η υπερθέρμανση των στοιχείων αυτών. Με τη θερμογραφία υπερύθρων ανιχνεύουμε εύκολα και έγκαιρα το πρόβλημα, πριν δημιουργηθεί η βλάβη με απώλεια του συγκεκριμένου εξοπλισμού, που έχει υψηλό κόστος και με ξαφνικό σταμάτημα της παραγωγικής διαδικασίας. Στη συνέχεια, παραθέτουμε, σε φωτογραφία (όπως είναι ορατή με το ανθρώπινο μάτι) και σε θερμογράφημα, τμήματα ηλεκτρολογικού εξοπλισμού που παρουσιάζουν κάποιο

12 µ µ µ µ µ. µ, ( µ µ ) ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ µ µ, 2005 µ µ ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ µ 12 µ. πρόβλημα. 10 µ µ. 10 Πρόβλημα στην ένωση (επαφή) ανάμεσα στην ασφάλεια και στη βάση της (ασφαλειοθήκη). µ ( ) µ ( ). µ µ. Όχι σωστή διάταξη στα τυλίγματα του μοτέρ. µ µ. µ µ Πρόβλημα σύσφιγξης του ακροδέκτη µ µ µ µ Υπάρχει πρόβλημα στη σύνδεση αγωγού με το φις 8. µ µ µ µ, µ µ pixels. µ µ µ. 8.

13 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ Το θερμογράφημα, που είναι η θερμική ψηφιακή απεικόνιση ενός αντικειμένου αποτελείται από pixels. Αυτά περιέχουν το χρώμα, που είναι ανάλογο της θερμοκρασίας της στοιχειώδους επιφάνειας του αντικειμένου, στην οποία αντιστοιχεί. Η αντιστοίχιση των χρωμάτων γίνεται αυτόματα από το ηλεκτρονικό σύστημα της 11 κάμερας, έτσι ώστε στο θερμογράφημα να είναι εύκολα αντιληπτή η θερμοκρασιακή 11 κατανομή µ στη επιφάνεια του µ αντικειμένου. µ µ, µ µ µ µ Οι τιμές µ της θερμοκρασίας µ. µ προκύπτουν µ έμμεσα µ από µ την εφαρμογή µ, µµ αλγορίθμων στις μετρούμενες µ µ µ τιμές µ της έντασης µ µ της ακτινοβολίας. µ µ Οι εξελιγμένες. µ κάμερες μπορούν να µ. µ µ µµ επεξεργαστούν µ µ µ το θερμογράφημα µ µ µ µ με τη βοήθεια µ του ενσωματωμένου µ µ. µ λογισμικού που µ µ µ. µ µ µ διαθέτουν. µ µ Έτσι, μπορούμε µ µ επιτόπου µ µ µ. στο σημείο μέτρησης µ µ να µ βγάλουμε µ σωστά συμπεράσματα. µ µ µ µ µ. µ ( µ µ ) µ µ µ Επίσης, οι κάμερες µ / αυτές έχουν µ µ. τη δυνατότητα αποθήκευσης µ µ πολλών µ µ μετρήσεων (θερμογραφημάτων). µ ( µ µ ) και εύκολης μεταφοράς τους σε Η/Υ, για περαιτέρω επεξεργασία µ / µ µ µ για επιστημονικά. τεκμηριωμένες αναφορές. Μερικές από µ τις δυνατότητες που προσφέρουν τα διάφορα λογισμικά στην επεξεργασία του θερμογραφήματος µ είναι : µ µ : µ µ : Σημειακή µ μέτρηση µ θερμοκρασίας µ SP01 SP SP02 µ µ µ SP SP02 Μέτρηση θερμοκρασίας κατά μήκος + SP02 µ µ γραμμής µµ σε οποιαδήποτε διεύθυν- ση. Απεικονίζεται σε διάγραμμα το. µ µµ µ - µ µµ µ. LI01 θερμοκρασιακό µµ. προφίλ µµ κατά μήκος - µ µ LI01 της γραμμής. µµ. µ - AR02 Μέτρηση θερμοκρασίας σε καθορισμένη µ o - AR01 µ. περιoχή µ ορθογωνικού - ή AR02 µ µ o µ µ - - AR01 κυκλικού µ. σχήματος. µ,, Μπορούν µ να - µ µ. µ µ βγουν αριθμητικές µ, τιμές, της µ θερμοκρασίας όπως μέγιστη, ελάχιστη, - µ. µ µ. µ μέση τιμή για κάθε περιοχή. µ. µ µ. µ µ. µ, µ µ - µ,. µ, µ µ - µ, µ µ. µ

14 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 14 Ισοθερμοκρασιακή κατανομή. Βρίσκονται και επισημαίνονται οι περιοχές της επιφά νειας, που έχουν την ίδια θερμοκρασία. Ιστορικό αρχείο αναφορών μετρήσεων, σε επιλεγμένες επιφάνειες κρίσιμου εξοπλισμού, για σύγκριση και παρακολούθηση της εξέλιξης της βλάβης. Ανάλογα με τη σοβαρότητα του προβλήματος έχει καθοριστεί διαβάθμιση του κινδύνου, που στις αναφορές μετρήσεων, παριστάνεται με χρωματιστά τετράγωνα που εξηγούνται παρακάτω : Μικρός κίνδυνος : Πολύ μικρή πιθανότητα για πρόκληση βλάβης στο άμεσο χρονικό διάστημα. Να γίνει προγραμματισμός για επισκευή-αντικατάσταση στην ετήσια προγραμματισμένη συντήρηση. Ενδιάμεσος κίνδυνος : Να προγραμματιστούν διορθωτικές παρεμβάσεις (επισκευή-αντικατάσταση) εντός ενός μηνός. Κίνδυνος για πρόκληση βλάβης σε σύντομο χρονικό διάστημα : Πρέπει να γίνουν οι ενέργειες, για αντικατάσταση των στοιχείων, που βρέθηκε υψηλή θερμοκρασία (από 80 0 C έως C) εντός δύο έως τεσσάρων ημερών. Άμεσος κίνδυνος (να προκληθεί σοβαρή βλάβη) : Πρέπει να γίνουν, το συντομότερο δυνατόν, παρεμβάσεις για αντικατάσταση των τμημάτων του εξοπλισμού, που παρουσιάζουν πολύ υψηλή θερμοκρασία. (άνω των C).

15 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Παράδειγμα Εντύπου Αναφοράς Μέτρησης Ηλ/κου Εξοπλισμού Στοιχεία Επιχείρησης : µ 8 Θερμογράφημα Φωτογραφία µ µ µ µ µ µ µ µ µ 0.98 µ µ SP C LI01 max C LI01 min C µ µ Θερμοκρασιακό προφίλ: Ο άξονας x είναι ανάλογος Δεδομένα που σχετίζονται με το θερμογράφημα με το μήκος της γραμμής LI01 µ Είδος ανίχνευσης ερμηνεία της μέτρησης : µ µ Σημαντική θέρμανση του αγωγού στο κάτω μέρος της δεξιάς πλευράς του διακόπτη. µ µ µ Ωστόσο, η κύρια αιτία είναι εσωτερικά του διακόπτη ( SP01 µ στους +92 C). 0.98Η θερμοκρασία µ µ παρατηρείται ανάμεσα της σταθερής επαφής SP01 και της κινούμενης επαφής της C φάσεως LI01 max C αυτής στο κάτω μέρος του διακόπτη. Πρόβλημα LI01 σύσφιξης. min C Διαβάθμιση κινδύνου : Συστάσεις υποδείξεις / Χρονικά περιθώρια : Αντικαταστείστε τον διακόπτη. Η παρέμβαση να γίνει εντός τριών (3) ημερών Διορθωτικές ενέργειες από την επιχείρηση : Ενέργειες-συντηρήσεις Ημερομηνία Ονοματεπώνυμο Υπογραφή

16 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΑΝΑΛΥΣΗ-ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΑΛΛΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ 9.1. Μηχανολογικός Εξοπλισμός Συνήθως, τα περιστρεφόμενα μέρη παρουσιάζουν βλάβη εξαιτίας μη σωστής λίπανσης, μη σωστής ευθυγράμμισης ή αζυγοσταθμίας. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις οι θερμοκρασία αρχίζει να ανεβαίνει, καθώς οι βλάβη στα έδρανα μεγαλώνει μέχρι το οριστικό 14 σταμάτημα. Το θερμογράφημα μπορεί να ενεργήσει συμπληρωματικά στην κύρια διαγνωστική μέθοδο που είναι η ανάλυση ταλαντώσεων Μονώσεις Εγκαταστάσεων 9.2 Υπερθέρμανση εδράνου ρότορα του κινητήρα Με τη μέθοδο αυτή μπορούν να βρεθούν τα σημεία, όπου υπάρχει απώλεια θερμότη- µ µ µ τας από λέβητες, ατμογεννήτριες, συστήματα διανομής ατμού, ακόμα και σε υπόγεια δί- µ, µ, µ µ µ, µ κτυα.. Στους κλιβάνους μπορούν να µ ανιχνευτούν ρωγμές, διάβρωση µ, ή μείωση του πάχους µ µ. του πυρίμαχου κελύφους τους. Με ανοικτότερο χρωματισμό φαίνεται η περιοχή της περιβλήματος µ µ που παρουσιάζει τις μεγαλύτερες απώλειες µ θερμότητας. µ µ.

17 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Διαγνωστική Κτιρίων Με τη θερμογραφία μπορούμε να ανιχνεύσουμε και να εντοπίσουμε με ακρίβεια τα σημεία του κτιρίου που υπάρχουν : α) Απώλειες θερμότητας λόγω κακής ή καταστρεμμένης μόνωσης. Στα σημεία αυτά, εκτός του ότι χάνεται θερμική ενέργεια, παρουσιάζονται και υγρασίες που είναι επιβλαβείς για την υγεία των κατοίκων. Με τη μέθοδο αυτή μπορούμε άμεσα να βρούμε τις περιοχές της εξωτερικής τοιχοποιίας, που υπάρχει πρόβλημα στη μόνωση και μπορούμε να επέμβουμε για επισκευή μόνο σ αυτές, έχοντας σημαντικό οικονομικό όφελος. Η περιοχή του εξωτερικού τοίχου, που παρατηρούνται μεγαλύτερες απώλειες θερμότητας, λόγω ελλιπούς μόνωσης, απεικονίζεται στο θερμογράφημα με ανοικτό χρώμα. β) Διαρροές από σωληνώσεις ζεστού νερού, που βρίσκονται εντός δαπέδων και τοίχων (θέρμανση ύδρευση). Επιτυγχάνεται εντοπισμός με ακρίβεια των σημείων διαρροής, λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ του ζεστού νερού και των δομικών στοιχείων. γ) Υγρασίες στις στέγες και σε άλλα δομικά στοιχεία. Όσο μεγαλύτερη είναι η ειδική θερμότητα ενός υλικού, τόσο περισσότερη ενέργεια (θερμότητα) απαιτείται για να θερμανθεί ή να κρυώσει. Αυτό προκύπτει από τη σχέση Q = m. c. dt. Όπου Q η παρεχόμενη θερμότητα, m η μάζα του σώματος, c η ειδική θερμότητα και dt η διαφορά θερμοκρασίας. Η ειδική θερμότητα του νερού είναι (1 Kcal / kg o C) μεγαλύτερη από αυτή των άλλων δομικών υλικών του κτιρίου (τσιμέντο 0.177, χάλυβας 0.12, γυαλί 0.2, ξύλο 0.6 Kcal / kg o C). Έτσι, προκύπτει ότι το νερό αποθηκεύει εύκολα θερμότητα και ζεσταίνεται και κρυώνει αργότερα από τα άλλα δομικά υλικά του κτιρίου. Η θερμογραφία εκμεταλλεύεται τις θερμικές ιδιότητες του νερού και εφαρμόζεται όταν

18 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 18 οι διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ των δομικών υλικών του κτιρίου και του νερού είναι οι μέγιστες δυνατές. Γι αυτό οι μετρήσεις γίνονται συνήθως περίπου μια με δύο ώρες μετά τη δύση του ηλίου και σπανιότερα μετά την ανατολή του ηλίου. Μετά τη δύση του ηλίου, το νερό διατηρεί τη θερμότητά του περισσότερη ώρα από τα υπόλοιπα δομικά υλικά της οροφής κτιρίου, τα οποία έχουν ήδη κρυώσει. Με το θερμογράφημα βρίσκουμε έτσι τα σημεία της οροφής, που έχουν υψηλότερη θερμοκρασία, δηλαδή τα σημεία της οροφής όπου υπάρχει υγρασία. Μετά την ανατολή του ηλίου το νερό εξακολουθεί να έχει χαμηλή θερμοκρασία περισσότερη ώρα από τα άλλα δομικά υλικά της οροφής του κτιρίου, τα οποία έχουν ήδη αποκτήσει υψηλότερη θερμοκρασία. Έτσι, με το θερμογράφημα στην περίπτωση αυτή βρίσκουμε τα σημεία με τη χαμηλότερη θερμοκρασία, δηλαδή, τα σημεία της οροφής που υπάρχει υγρασία. 10. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΠΟΜΠΕΣ : α) G. Gaussorgues, Infrared Thermography, Chapman & Hall, London, 1994 β) M. Necati Ozisik Heat Transfer, a basic approach Mc Graw-Hill International Editions, γ) δ) ε) http : //