ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ-2 Υ: ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΙ ΕΛΕΓΧΟΙ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ-2 Υ: ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΙ ΕΛΕΓΧΟΙ ΥΠEΡΥΘΡΗ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής & Διοίκησης Τομέας Υλικών, Διεργασιών και Μηχανολογίας Αναπλ. Καθ.:Π.Ν. Μπότσαρης Εργαστήριο Κωνσταντίνος Α. Λυμπερόπουλος, Μηχανολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π, M.Sc., Υ/Δ Νοέμβριος 2014

2 Εισαγωγή Θερμογραφία ; Τι είναι ; Για να γίνει άμεσα αντιληπτή η έννοια της θερμογραφίας, μπορεί κανείς να σκεφτεί ως εξής Η φωτογραφία περιγράφεται ως η «απεικόνιση του φωτός» Η θερμογραφία περιγράφεται ως η «απεικόνιση της θερμότητας» Φωτογραφία Θερμογραφία Τα ποτήρια φαίνεται να είναι όμοια... Όμως η αλήθεια είναι...

3 Εισαγωγικές έννοιες Γενικά, ο όρος θερμογραφία αναφέρεται στο σύνολο των τεχνικών καταγραφής της επιφανειακής θερμοκρασίας ενός αντικειμένου, ανεξάρτητα από το φυσικό φαινόμενο στο οποίο βασίζονται. Ειδικότερα, ο όρος υπέρυθρη θερμογραφία (Infrared Thermography) αφορά: Στην ανίχνευση της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα αντικείμενο και η οποία είναι ανάλογη της θερμοκρασίας του, και Στην «αποτύπωση αυτής» σε θερμική εικόνα (μέσω συστημάτων υπέρυθρης απεικόνισης) Η υπέρυθρη ακτινοβολία (ανακαλύφθηκε το 1800, από τον Sir William Herschel) είναι μία ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μεγαλύτερου μήκους κύματος από αυτό του ορατού φωτός και μικρότερου από το αντίστοιχο των ραδιοκυμάτων. Με απλά λόγια, είναι ένα μη ορατό φως, πέρα (infra-) από το κόκκινο (-red). Tο κόκκινο χρώμα είναι το τελευταίο τμήμα του ορατής περιοχής του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος

4 Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα περιλαμβάνει όλες τις ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες: τις ακτίνες γ, τις ακτίνες x, την υπεριώδη ακτινοβολία, την λεπτή περιοχή του ορατού φωτός, την υπέρυθρη ακτινοβολία, τα κύματα terahertz και τα μικροκύματα. Οι περιοχές αυτές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος σχετίζονται και διαφοροποιούνται μεταξύ τους, βάσει του μήκους κύματος της ακτινοβολίας τους.

5 Υπέρυθρη ακτινοβολία Η πρωταρχική πηγή της υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι η θερμότητα ή θερμική ακτινοβολία. 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 θερμότητα), τη μέση και τη μακρινή υπέρυθρη ακτινοβολία. Καθημερινά παραδείγματα μέσης και μακρινής υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι η θερμότητα, που αισθανόμαστε από την ηλιακή ακτινοβολία, από μια φωτιά, από μια θερμάστρα ή ένα θερμοπομπό κ.λπ.

6 Θερμική ακτινοβολία Η υπέρυθρη ακτινοβολία αποτελεί μέρος της θερμικής ακτινοβολίας. Όλα τα σώματα με θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν (0οΚ ή -273οC), εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία, ακόμα και τα αντικείμενα που νομίζουμε ότι είναι πολύ κρύα (όπως οι κύβοι πάγου). Όσο μεγαλύτερη θερμοκρασία έχει ένα σώμα τόσο περισσότερη θερμική ακτινοβολία εκπέμπει. Επιπλέον κάθε σώμα μπορεί να δέχεται ακτινοβολία από όλα τα γύρω σώματα που έχουν θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν.

7 «Βλέποντας» την υπέρυθρη ακτινοβολία Τώρα, έχοντας υπόψη τα παραπάνω, μπορεί να εξηγηθεί σε γενικές γραμμές η θερμική εικόνα που παρουσιάστηκε πριν: Το περιεχόμενο του ποτηριού στα αριστερά βρίσκεται σε υψηλότερη θερμοκρασία, από ό,τι αυτό στο ποτήρι δεξιά και συνεπώς εκπέμπει μεγαλύτερο ποσό υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η διαφορά αυτή απεικονίζεται με αντίστοιχη διαφορά στη χρωματική απόδοση του κάθε ποτηριού στη θερμική εικόνα (μπλε=ψυχρό, κόκκινο=θερμό).

8 Υπέρυθρη ακτινοβολία και μέλαν σώμα Είδαμε λοιπόν ότι, όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία ενός αντικειμένου, τόσο μεγαλύτερο είναι το πόσο της υπέρυθρης ακτινοβολίας ως ακτινοβολία μέλανος σώματος που αυτό εκπέμπει. Σαν μέλαν σώμα θεωρείται αυτό, που σε συγκεκριμένη θερμοκρασία Τ απορροφά όλη την προσπίπτουσα σε αυτό ακτινοβολία. 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.

9 Θερμική ενέργεια και θερμότητα Ο όρος θερμική ενέργεια είναι αλληλένδετος με τον όρο θερμότητα. Η θερμότητα αναφέρεται στη μεταφορά ενός ποσού ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, από ένα αντικείμενο σε ένα άλλο. Η μέτρηση αυτής της μεταφοράς ενέργειας περιγράφεται με τον ευρέως γνωστό όρο θερμοκρασία. Χωρίς αυτή τη μεταφορά, δεν υφίσταται ούτε θερμότητα, ούτε θερμοκρασία. Η υπέρυθρη (θερμική) ενέργεια, καθώς δεν ανήκει στην ορατή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, είναι αόρατη στον άνθρωπο. Μπορεί ωστόσο να γίνει αισθητή και να μετρηθεί, όπως φάνηκε και στο παράδειγμα με τα ποτήρια που προηγήθηκε.

10 Μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας Η μεταφορά θερμότητας μπορεί να γίνει με ποικίλους μηχανισμούς, εκ των οποίων οι τρεις βασικότεροι παρουσιάζονται στην παρακάτω εικόνα και είναι οι εξής: Μεταφορά με αγωγή Μεταφορά με συναγωγή Μεταφορά με ακτινοβολία Συναγωγή Ακτινοβολία Αγωγή

11 Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία (Q) από την επιφάνεια ενός πραγματικού σώματος σε μια απόλυτη θερμοκρασία Τ, είναι πάντα μικρότερη από αυτή του μέλανος σώματος (Εb) και δίνεται από τη σχέση (Νόμος Stefan Boltzmann): Q = ε E b = ε σ T 4 όπου σ = (σε W / m2 K4) η σταθερά Stefan-Boltzmann και το ε ονομάζεται συντελεστής ικανότητας εκπομπής (emissivity factor), είναι αδιάστατο μέγεθος και κυμαίνεται μεταξύ του μηδενός και της μονάδας. Ο συντελεστής ικανότητας εκπομπής ορίζεται ως το πηλίκο της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από 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, για το οποίο ε=1.

12 Συντελεστής εκπομπής (emissivity) Στα μη αγώγιμα υλικά (όπως πλαστικό, ξύλο κ.λπ.) ο συντελεστής εκπομπής (ε) είναι μεγαλύτερος από 0.6 ενώ στα αγώγιμα υλικά αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Σε ματ επιφάνειες το ε πλησιάζει σε τιμές κοντά στη μονάδα. Αντίθετα, σε λείες και καθαρές μεταλλικές επιφάνειες το ε είναι πολύ μικρό, ενώ αλλάζει με την αλλαγή της φυσικής κατάστασης η χημικής σύστασης της επιφάνειας (οξειδωμένη μεταλλική επιφάνεια). Εκτός από το υλικό, ο συντελεστής εκπομπής εξαρτάται και από τη γωνία, που παρατηρείται το υπο εξέταση 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.

13 Εκπομπή, ανάκλαση, μεταφορά Έστω ότι ένα σώμα εκπέμπει ένα ποσό Q θερμικής ακτινοβολίας. Όπως συμβαίνει για κάθε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, προσπίπτοντας στην επιφάνεια ενός υλικού, η θερμική ακτινοβολία θα απορροφηθεί κατά ένα μέρος Q a, θα ανακλαστεί κατά ένα μέρος Q r και θα μεταφερθεί μέσα από αυτό κατά ένα μέρος Q t.

14 Εκπομπή, ανάκλαση, μεταφορά Αν θεωρηθούν οι αντίστοιχοι συντελεστές απορρόφησης ε a, ανάκλασης ε r και μεταφοράς ε t, τότε θα ισχύει: ε a + ε r + ε t = 1 (1) Από τη στιγμή που τα περισσότερα υλικά στη φύση είναι αδιαφανή ή στην καλύτερη περίπτωση ημιδιαπερατά στη θερμική ακτινοβολία, το εt μπορεί να παραλειφθεί, οπότε η παραπάνω εξίσωση γίνεται: ε a + ε r = 1 (2)

15 Εκπομπή, ανάκλαση, μεταφορά Θυμίζοντας τον ορισμό του μέλανος σώματος, όπως αυτός διατυπώθηκε σε προηγούμενα: μέλαν σώμα θεωρείται αυτό, που σε συγκεκριμένη θερμοκρασία Τ απορροφά όλη την προσπίπτουσα σε αυτό ακτινοβολία. Με άλλα λόγια, για το μέλαν σώμα ισχύει ε r = 0 και η εξίσωση (2) γράφεται πλέον: ε a = 1 (3) Συνεπώς, αφού για το μέλαν σώμα η συντελεστής ικανότητας εκπομπής είναι ε=1, θα ισχύει: ε a = ε = 1 = Ε / Ε blackbody (4) Όπου Ε είναι η εκπεμπόμενη ακτινοβολία για οποιοδήποτε ημιδιαπερατό ή αδιαφανές υλικό και Ε blackbody η εκπεμπόμενη ακτινοβολία του μέλανος σώματος.

16 Επιθεωρήσεις υπέρυθρης θερμογραφίας

17 Προσεγγίσεις υπέρυθρης θερμογραφίας Σε μία επιθεώρηση υπέρυθρης θερμογραφίας, μπορούν να εφαρμοστούν δύο είδη (προσεγγίσεις) θερμογραφίας: Η παθητική προσέγγιση (Passive Thermography) Η ενεργητική προσέγγιση (Active Thermography) Ενεργητική θερμογραφία Παθητική θερμογραφία

18 Αξιολόγηση σφαλμάτων ΔΤ = 73.9oC Προτεραιότητα 4

19 Αξιολόγηση σφαλμάτων ΔΤ = 40.5oC Προτεραιότητα 3

20 Αξιολόγηση σφαλμάτων Τmax = 105.9oC Προτεραιότητα; Πρέπει να ελεγχθεί η ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας του ρουλεμάν (προδιαγραφές κατασκευαστή)

21 Αξιολόγηση σφαλμάτων ΔΤ = 22.2oC Προτεραιότητα 3

22 Αξιολόγηση σφαλμάτων Ειδική περίπτωση: εδώ η διαφορά θερμοκρασίας ΔΤ χρησιμοποιείται για να δείξει επίπεδο στάθμης ρευστού σε δεξαμενή

23 Αξιολόγηση σφαλμάτων Υποεπιφανειακή υγρασία

24 Αξιολόγηση σφαλμάτων Με επισκευασμένη μόνωση Πρόσοψη κατοικίας με ελλειπή μόνωση

25 Αξιολόγηση σφαλμάτων

26 Ανάλυση και κόστος αγοράς Η ανάλυση των εικόνων μιας θερμοκάμερας είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή των οπτικών καμερών, όντας συνήθως της τάξεως των 160x120 ή 320x240 εικονοστοιχείων (pixels). Επίσης, το κόστος αγοράς μιας θερμογραφικής κάμερας υπερβαίνει κατά πολύ το αντίστοιχο κόστος για μία κοινή κάμερα ορατού φωτός (ενδεικτικά: , ,00 ).

27 Ερωτήσεις?