La Termografia Nelle Manutenzioni Predditive A.a. 2009/2010
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- Words: 1,271
- Pages: 48
Il controllo termografico nella manutenzione predditiva Corso di Controlli non Distruttivi su Impianti a Fune 27/10/2009
Edoardo Marega – [email protected] 22 Ottobre 2009
La Termografia • La termografia è un tipo di acquisizione di immagini nel campo dell' infrarosso. • Con il termine termografia si intende la visualizzazione bidimensionale della misura di irraggiamento emesso da un corpo.
27/10/2009
Principi fisici Tutti gli oggetti ad una temperatura superiore allo zero assoluto emettono radiazioni nel campo dell'infrarosso. Questa relazione è numericamente quantificabile grazie alla Legge di Planck.
27/10/2009
Fondamenti: Corpo nero Superficie radiante-assorbente ideale capace di: • Assorbire tutte le radiazioni incidenti; • Emettere più di ogni qualunque altra superficie reale alla stessa temperatura; • Emettere una radiazione di tipo diffuso
27/10/2009
Fondamenti – Legge di Plank Potere emissivo di un corpo nero
C1 Enλ = ⎛ C2 ⎞ ⎤ 5⎡ λ ⎢ exp ⎜ ⎟ − 1⎥ ⎝ λ ⋅Τ ⎠ ⎦ ⎣ λ : Lunghezza d’onda T : Temperatura (K) 27/10/2009
Fondamenti – segue…
Andamento di Enλ al variare della frequenza.
27/10/2009
Fondamenti – segue…
Legge di Wien:
λmax ⋅ T = const 27/10/2009
Fondamenti – segue… Integrando la legge di Plank su tutto lo spettro ottengo la legge di Stefan-Boltzmann:
∞
En = ∫ Enλ d λ 0
En = T σ 4
σ = 5.67 ⋅10 [W m K ] −8
27/10/2009
2
4
Considerazioni – Sol. di Plank Ora il valore dell'energia non è più una costante, ma cresce all'aumentare della frequenza della radiazione che la contiene, permettendo di avere un valore finito dell'energia totale. NB: all’epoca non c’era modo di verificarne l’esattezza, anche lo stesso Plank si dichiarava “perplesso” pur essendo davanti ad un modello in grado di riprodurre esattamente i dati sperimentali 27/10/2009
In pratica… Spettro elettromagnetico
27/10/2009
In sintesi •
Un corpo emette fotoni (IR) se sopra lo zero assoluto
•
L’energia emessa dipende dalla frequenza
•
Corpi a frequenza differente emettono differenti energie
•
Un corpo ha una quantità FINITA di energia da emettere
27/10/2009
La Termocamera La termocamera rileva le radiazioni nel campo dell' infrarosso dello spettro elettromagnetico e compiono misure correlate con l'emissione di queste radiazioni. OVVERO Questo strumento è in grado di rilevare le temperature dei corpi analizzati attraverso la misurazione dell’intensità di radiazione infrarossa emessa dal corpo in esame.
COME??? 27/10/2009
La Termocamera Schema a blocchi generale del funzionamento di una termocamera
27/10/2009
Corpo macchina • Magnesio, materiale resistente agli ambienti nei quali viene introdotta • Protezione dagli urti accidentali • Deve essere dimensionata in modo da resistere nel range di temperatura nel quale viene adoperata 27/10/2009
Corpo macchina Flir B400 – B460 • Edilizia • Termotecnica • Risparmio energetico Caratteristiche: Isolamento Umidità Punto rugiada 27/10/2009
Corpo macchina Argus 4 • Pronto intervento: ricerca di focolai punti caldi pianificazione di interventi
27/10/2009
Corpo macchina Flir GasFIndIR • 0,5Kg di SF6 ha lo stesso impatto sul riscaldamento del globo di 11 ton di CO2, ha un potere di riscaldamento globale 23900 volte superiore del CO2 ed ha un tempo di permanenza in atmosfera di 3200 anni. 27/10/2009
Lente Forma:
Materiali: • Diamante (sintetico) • Germanio 27/10/2009
Thermopile Array Sensore microbolometrico
È un sensore che trasforma la radiazione infrarossa in un impulso elettrico proporzionale
27/10/2009
Switch È il dispositivo atto a leggere ed interpretare pixel dopo pixel uscente dall’array e ne associa la carica elettrica uscente.
27/10/2009
Amplificatore L’amplificatore riceve il segnale dello switch e lo amplifica. NB: il segnale in ingresso ed uscita è ANALOGICO! …ma ai nostri fini serve un segnale digitale, qundi… 27/10/2009
Convertitore A/D Dispositivo atto a convertire il segnale ANALOGICO in uno DIGITALE
…10100101000 0101011101010 1011010111010 1111010000101 0101111010101 01000101001… 27/10/2009
Memoria Riceve ed immagazzina il segnale digitale proveniente dal convertitore. È un buffer È una memoria più veloce di quella impiegata come memoria di massa per immagazzinare i dati utili ai fini delle indagini
27/10/2009
Scheda d’immagine • GPU dedicata alla ricostruzione dell’immagine partendo dal singolo BIT. • Associa i bit provenienti da tensioni alte alle temperature alte e vice versa in base ad una scala cromatica.
27/10/2009
Temperature ALTE
BIANCO
Temperature BASSE
NERO
OUTPUT • Schermo: visore LCD • Memoria: salvataggio delle informazioni su memoria flash. 2 file per ogni indagine
27/10/2009
Formato output • BMP: fotografia dell’oggetto • IMG: file contenente l’immagine termografica e tutti i dati relativi FORMATI: • da 120x140 a 160x160 pixel: termocamere adatte a misure indicative nella manutenzione predittiva • da 240x240 a 324x324 pixel: termocamere per manutenzione e la maggior parte delle applicazioni • da 500x500 e superiori: Termocamere alta risoluzione 27/10/2009
Esempio
Termografia per la ricerca di infiltrazioni 27/10/2009
Frequenza di acquisizione • • •
inferiore a 33Hz: fenomeni statici. non per misurazioni in ambito di manutenzione meccanica o con organi rotanti in movimento. da 33Hz a 60 Hz: per analisi di eventi brevi e rapidi da 60Hz a 2KHz:per analisi particolari come lockin, analisi strutture
La frequenza di acquisizione è un parametro fondamentale nell'utilizzo della termocamera, se si cerca di misurare la temperatura di un oggetto in movimento (o ugualmente l'operatore muove lo strumento durante la misurazione) e lo strumento non ha una frequenza di acquisizione sufficiente, si ha un fenomeno di "smearing" sull'immagine che impedisce di avere una misura di temperatura accurata. A parita' di costo sono sicuramente più convenienti le termocamere con frequenza di acquisizione uguale o superiore ai 60 Hz, perché ricoprono una maggior parte di applicazioni. 27/10/2009
Applicazioni • • • • •
Programma APOLLO (1961 – 1972) Bellico e difesa Sicurezza Edilizia … siderurgico, industriale, chimico, artistico, aeronautico, automobilistico, ambientale…
27/10/2009
Indagini non distruttive • La termografia trova campo nella manutenzione predittiva. • L’esecuzione della prova è più veloce dei termometri a contatto (termocoppie) • Da una singola acquisizione ottengo una ricostruzione 2D dell’andamento della temperatura superficiale dell’oggetto… 27/10/2009
e non solo…
Dati ottenibili Per ogni acquisizione ottengo: • Dati standard sull’apparecchiatura: s/n, data, ora, titolo, range, filtro, obiettivo… • Parametri oggetto IR: emissività, distanza dell’oggetto, temperatura riflessa ed atmosferica, umidità relativa, temperatura di riferimento, temperatura esterna dell’ottica 27/10/2009
Elaborazione I programmi permettono di analizzare punti, aree e linee delle immagini acquisite ed ottenere per ognuna di esse i parametri precedentemente descritti. Il tecnico può esprimere il suo giudizio sull’analisi effettuata. Anche in questo caso si rilascia un certificato della prova. NB: non esiste uno standard normativo. 27/10/2009
Difettologie riscontrabili • Difetti di origine meccanica: strisciamenti, usure, ecc… • Test per conformità (ES: Wartsila) • …qualunque altro caso in cui una variazione di temperatura sia da valutare… 27/10/2009
Ricapitolando: Grazie alla tecnologia abbiamo in mano per “soli” 5.000€ – 75.000€ uno strumento, tutto sommato compatto, in grado di darci istantaneamente decine di valori precisi sulla temperatura superficiale dell’oggetto in esame.
MA… 27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Impianti a fune Non è prescritto un controllo periodico su elementi costituenti gli impianti a fune in generale, tuttavia possono essere condotti su richiesta del gestore dell’esercizio. La termografia può essere usata nel campo degli impianti a fune per: • Strisciamenti ceppi freno • Usura dei cuscinetti • Surriscaldamenti locali • Larga applicazione nel controllo dei contatti elettrici • Coibentazione del motore termico • Surriscaldamento delle gole delle pulegge in caso di “effetto paranco” • Varie ed eventuali: dispersioni termiche delle stazioni, ecc… 27/10/2009
Impianti a fune
27/10/2009
Impianti a fune
27/10/2009
Impianti a fune TEMPERATURAMAX ESTERNACUSCINETTO ANTERIORE ASSE VELOCE (C°)
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00 1 27/10/2009
6
11
16
21
26
NUMERO CAMPIONE
31
36
41
Edoardo Marega – [email protected] 22 Ottobre 2009
La Termografia • La termografia è un tipo di acquisizione di immagini nel campo dell' infrarosso. • Con il termine termografia si intende la visualizzazione bidimensionale della misura di irraggiamento emesso da un corpo.
27/10/2009
Principi fisici Tutti gli oggetti ad una temperatura superiore allo zero assoluto emettono radiazioni nel campo dell'infrarosso. Questa relazione è numericamente quantificabile grazie alla Legge di Planck.
27/10/2009
Fondamenti: Corpo nero Superficie radiante-assorbente ideale capace di: • Assorbire tutte le radiazioni incidenti; • Emettere più di ogni qualunque altra superficie reale alla stessa temperatura; • Emettere una radiazione di tipo diffuso
27/10/2009
Fondamenti – Legge di Plank Potere emissivo di un corpo nero
C1 Enλ = ⎛ C2 ⎞ ⎤ 5⎡ λ ⎢ exp ⎜ ⎟ − 1⎥ ⎝ λ ⋅Τ ⎠ ⎦ ⎣ λ : Lunghezza d’onda T : Temperatura (K) 27/10/2009
Fondamenti – segue…
Andamento di Enλ al variare della frequenza.
27/10/2009
Fondamenti – segue…
Legge di Wien:
λmax ⋅ T = const 27/10/2009
Fondamenti – segue… Integrando la legge di Plank su tutto lo spettro ottengo la legge di Stefan-Boltzmann:
∞
En = ∫ Enλ d λ 0
En = T σ 4
σ = 5.67 ⋅10 [W m K ] −8
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2
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Considerazioni – Sol. di Plank Ora il valore dell'energia non è più una costante, ma cresce all'aumentare della frequenza della radiazione che la contiene, permettendo di avere un valore finito dell'energia totale. NB: all’epoca non c’era modo di verificarne l’esattezza, anche lo stesso Plank si dichiarava “perplesso” pur essendo davanti ad un modello in grado di riprodurre esattamente i dati sperimentali 27/10/2009
In pratica… Spettro elettromagnetico
27/10/2009
In sintesi •
Un corpo emette fotoni (IR) se sopra lo zero assoluto
•
L’energia emessa dipende dalla frequenza
•
Corpi a frequenza differente emettono differenti energie
•
Un corpo ha una quantità FINITA di energia da emettere
27/10/2009
La Termocamera La termocamera rileva le radiazioni nel campo dell' infrarosso dello spettro elettromagnetico e compiono misure correlate con l'emissione di queste radiazioni. OVVERO Questo strumento è in grado di rilevare le temperature dei corpi analizzati attraverso la misurazione dell’intensità di radiazione infrarossa emessa dal corpo in esame.
COME??? 27/10/2009
La Termocamera Schema a blocchi generale del funzionamento di una termocamera
27/10/2009
Corpo macchina • Magnesio, materiale resistente agli ambienti nei quali viene introdotta • Protezione dagli urti accidentali • Deve essere dimensionata in modo da resistere nel range di temperatura nel quale viene adoperata 27/10/2009
Corpo macchina Flir B400 – B460 • Edilizia • Termotecnica • Risparmio energetico Caratteristiche: Isolamento Umidità Punto rugiada 27/10/2009
Corpo macchina Argus 4 • Pronto intervento: ricerca di focolai punti caldi pianificazione di interventi
27/10/2009
Corpo macchina Flir GasFIndIR • 0,5Kg di SF6 ha lo stesso impatto sul riscaldamento del globo di 11 ton di CO2, ha un potere di riscaldamento globale 23900 volte superiore del CO2 ed ha un tempo di permanenza in atmosfera di 3200 anni. 27/10/2009
Lente Forma:
Materiali: • Diamante (sintetico) • Germanio 27/10/2009
Thermopile Array Sensore microbolometrico
È un sensore che trasforma la radiazione infrarossa in un impulso elettrico proporzionale
27/10/2009
Switch È il dispositivo atto a leggere ed interpretare pixel dopo pixel uscente dall’array e ne associa la carica elettrica uscente.
27/10/2009
Amplificatore L’amplificatore riceve il segnale dello switch e lo amplifica. NB: il segnale in ingresso ed uscita è ANALOGICO! …ma ai nostri fini serve un segnale digitale, qundi… 27/10/2009
Convertitore A/D Dispositivo atto a convertire il segnale ANALOGICO in uno DIGITALE
…10100101000 0101011101010 1011010111010 1111010000101 0101111010101 01000101001… 27/10/2009
Memoria Riceve ed immagazzina il segnale digitale proveniente dal convertitore. È un buffer È una memoria più veloce di quella impiegata come memoria di massa per immagazzinare i dati utili ai fini delle indagini
27/10/2009
Scheda d’immagine • GPU dedicata alla ricostruzione dell’immagine partendo dal singolo BIT. • Associa i bit provenienti da tensioni alte alle temperature alte e vice versa in base ad una scala cromatica.
27/10/2009
Temperature ALTE
BIANCO
Temperature BASSE
NERO
OUTPUT • Schermo: visore LCD • Memoria: salvataggio delle informazioni su memoria flash. 2 file per ogni indagine
27/10/2009
Formato output • BMP: fotografia dell’oggetto • IMG: file contenente l’immagine termografica e tutti i dati relativi FORMATI: • da 120x140 a 160x160 pixel: termocamere adatte a misure indicative nella manutenzione predittiva • da 240x240 a 324x324 pixel: termocamere per manutenzione e la maggior parte delle applicazioni • da 500x500 e superiori: Termocamere alta risoluzione 27/10/2009
Esempio
Termografia per la ricerca di infiltrazioni 27/10/2009
Frequenza di acquisizione • • •
inferiore a 33Hz: fenomeni statici. non per misurazioni in ambito di manutenzione meccanica o con organi rotanti in movimento. da 33Hz a 60 Hz: per analisi di eventi brevi e rapidi da 60Hz a 2KHz:per analisi particolari come lockin, analisi strutture
La frequenza di acquisizione è un parametro fondamentale nell'utilizzo della termocamera, se si cerca di misurare la temperatura di un oggetto in movimento (o ugualmente l'operatore muove lo strumento durante la misurazione) e lo strumento non ha una frequenza di acquisizione sufficiente, si ha un fenomeno di "smearing" sull'immagine che impedisce di avere una misura di temperatura accurata. A parita' di costo sono sicuramente più convenienti le termocamere con frequenza di acquisizione uguale o superiore ai 60 Hz, perché ricoprono una maggior parte di applicazioni. 27/10/2009
Applicazioni • • • • •
Programma APOLLO (1961 – 1972) Bellico e difesa Sicurezza Edilizia … siderurgico, industriale, chimico, artistico, aeronautico, automobilistico, ambientale…
27/10/2009
Indagini non distruttive • La termografia trova campo nella manutenzione predittiva. • L’esecuzione della prova è più veloce dei termometri a contatto (termocoppie) • Da una singola acquisizione ottengo una ricostruzione 2D dell’andamento della temperatura superficiale dell’oggetto… 27/10/2009
e non solo…
Dati ottenibili Per ogni acquisizione ottengo: • Dati standard sull’apparecchiatura: s/n, data, ora, titolo, range, filtro, obiettivo… • Parametri oggetto IR: emissività, distanza dell’oggetto, temperatura riflessa ed atmosferica, umidità relativa, temperatura di riferimento, temperatura esterna dell’ottica 27/10/2009
Elaborazione I programmi permettono di analizzare punti, aree e linee delle immagini acquisite ed ottenere per ognuna di esse i parametri precedentemente descritti. Il tecnico può esprimere il suo giudizio sull’analisi effettuata. Anche in questo caso si rilascia un certificato della prova. NB: non esiste uno standard normativo. 27/10/2009
Difettologie riscontrabili • Difetti di origine meccanica: strisciamenti, usure, ecc… • Test per conformità (ES: Wartsila) • …qualunque altro caso in cui una variazione di temperatura sia da valutare… 27/10/2009
Ricapitolando: Grazie alla tecnologia abbiamo in mano per “soli” 5.000€ – 75.000€ uno strumento, tutto sommato compatto, in grado di darci istantaneamente decine di valori precisi sulla temperatura superficiale dell’oggetto in esame.
MA… 27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Problemi e difficoltà
27/10/2009
Problemi e difficoltà
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Problemi e difficoltà
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Problemi e difficoltà
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Problemi e difficoltà
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Problemi e difficoltà
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Problemi e difficoltà
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Problemi e difficoltà
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Problemi e difficoltà
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Impianti a fune Non è prescritto un controllo periodico su elementi costituenti gli impianti a fune in generale, tuttavia possono essere condotti su richiesta del gestore dell’esercizio. La termografia può essere usata nel campo degli impianti a fune per: • Strisciamenti ceppi freno • Usura dei cuscinetti • Surriscaldamenti locali • Larga applicazione nel controllo dei contatti elettrici • Coibentazione del motore termico • Surriscaldamento delle gole delle pulegge in caso di “effetto paranco” • Varie ed eventuali: dispersioni termiche delle stazioni, ecc… 27/10/2009
Impianti a fune
27/10/2009
Impianti a fune
27/10/2009
Impianti a fune TEMPERATURAMAX ESTERNACUSCINETTO ANTERIORE ASSE VELOCE (C°)
90,00
80,00
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