Ex TIR

EXAMINAREA PRIN TERMOGRAFIERE ÎN INFRAROŞU

1

EXAMINAREA PRIN TERMOGRAFIERE ÎN INFRAROŞU Cuprins: Examinarea prin termografiere în infraroşu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Generalităţi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Terminologie şi noţiuni generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Posibilităţi de aplicare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Aplicaţii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

Generalităţi Definitie, aplicabilitate si avantaje ale termoviziunii: TERMOVIZIUNE / TERMOGRAFIE: METODA DE MASURARE A TEMPERATURII DE LA DISTANTA

Termografia (termoviziunea) este masurarea campului termic prin inregistrarea radiatiilor infrarosii si vizualizarea distributiei de temperatura pe suprafetele observate. Termoviziunea este o metoda nedistructiva si non-contact utila pentru depistarea defectelor in timpul operarii sistemelor industriale, fara intreruperea procesului tehnologic. Metoda de masurare a temperaturii de la distanta termografia (termoviziunea) - a aparut ca o aplicatie a unor tehnici militare in domeniul vietii civile (tehnica, stiinta, medicina) dupa mijlocul anilor 50. Activitatile de conservare a energiei, incluzand utilizarea optima a resurselor energetice primare si secundare, constituie cele mai urgente si eficiente masuri in dezvoltarea unei economii sanatoase. Aceste activitati necesita obtinerea unor informatii corecte asupra performantelor energetice ale echipamentelor, instalatiilor si utilajelor. Informatiile sunt obtinute prin realizarea unor bilanturi sau analize energetice cu suport stiintific si tehnic, pe baza datelor culese la inspectarea obiectivelor respective. Sistemele astfel optimizate pot obtine un certificat energetic ce atesta functionarea eficienta. Echipamentele industriale in care procesele tehnologice impun nivele termice mai inalte in raport cu mediul inconjurator prezinta pierderi energetice care depind de topologia instalatiilor, precum si de calitatea si starea izolatiei acestora. Evaluarea acestor pierderi de energie, care reduc randamentul sistemelor, implica cunoasterea distributiei termice a tuturor componentelor acestora. Aceasta se realizeaza cu ajutorul sistemului de termografie care vizualizeaza distributia temperaturii pe suprafata echipamentelor, prin masurarea radiatiilor IR (infrarosii). 9.2. Terminologie şi noţiuni generale Caracterizarea unui material cu ajutorul undelor termice se bazează pe corelaţia dintre modul de distribuţie a acestor unde şi proprietăţile analizate. Prezenţa unei discontinuităţi determină o anomalie de distribuţie a fluxului termic şi deci de temperatură în materialul examinat. Punerea în evidenţă a acestor anomalii furnizează informaţii utile privind dimensiunile, forma şi poziţia discontinuităţilor. In domeniul termografierii se folosesc o serie de noţiuni specifice, parţial definite în standardul românesc SR 13340 din sept 1996 intitulat: Examinări nedistructive, Termografie in infraroşu. Vocabular, traducere a normei franceze A 09-400-1987. Termografiere în infraroşu – tehnică ce permite obţinerea, cu ajutorul unei aparaturi adecvate, a imaginii termice a unei scene termice observate într-un domeniu spectral din infraroşu. Inţelegând prin imagine termică – o repartiţie structurată a datelor reprezentative ale radiaţiei infraroşii provenind de la o scenă termică şi prin scenă termică – parte a spaţiului-obiect care se observă cu o aparatură de termografie în infraroşu. Domeniul spectral denumit infraroşu (IR) este o bandă din spectrul radiaţiei electromagnetice situată între domeniul vizibil şi cel al undelor radio (fig.13.1).

DEFECTOSCOPIE ŞI IMAGERIE MAGNETICĂ

2

Radiaţia infraroşie Radiaţia ultravioletă 10-3 µm

Radiaţia vizibilă 0,38

Infraroşu apropiat 0,75

Infraroşu mediu 3

Infraroşu îndepărtat 6

Unde radio

Infraroşu extrem 15

30

>1014 µm

Radiaţia infraroşie - un segment al radiaţiei electromagnetice.

Examinare termografică – observare, măsurare şi interpretare a caracteristicilor unei scene termice cu ajutorul unui ansamblu de aparate şi instrumente denumite sistem de termografiere. Sistem de termografiere – ansamblu de aparate care permite recepţionarea şi prelucrarea unei imagini termice. Termogramă – rezultat al transcrierii în temperatură a uneia sau mai multor hărţi de luminanţă (luminanţă – strălucirea obiectelor masurată în cd/m2); imaginea codificată a unei scene termice. Căldură – formă de transfer energetic între două sisteme fără variaţia parametrilor externi; formă de mişcare a materiei, care constă în agitaţia termică a atomilor fluidelor sau în vibraţia dezordonată a atomilor unui solid şi care poate produce ridicarea temperaturii; se exprimă printr-o mărime scalară de aceeaşi natură cu energia mecanică, cu energia electromagnetică etc., numită cantitate de căldură, energie termică sau energie calorică. Temperatură - mărime caracteristică a nivelului energetic al unui corp sau mediu material. Nivelul energetic este dat de agitaţia moleculară a corpului sau mediului. O semnificaţie intuitivă a acestei noţiuni este dată de senzaţia de cald şi de rece. Conductivitate termică - proprietate termofizică a materialelor; reprezintă coeficientul de proporţionalitate din legea lui Fourier care exprimă transferul de căldură prin conducţie. Conducţie termică – proces de tranfer al căldurii dintr-o regiune cu temperatură mai ridicată către o regiune cu temperatură mai coborâtă în interiorul unui mediu sau între două medii diferite aflate în contact fizic direct, sub influenţa unei diferenţe de temperatură, fără o deplasare aparentă a particulelor care alcătuiesc mediile respective. Conducţia este singurul mecanism de transfer de căldură prin corpurile solide opace. Convecţie termică – proces de transfer al căldurii prin acţiunea combinată a conducţiei termice, a acumulării de energie internă şi a mişcării de amestec. Convecţia este cel mai important mecanism de schimb de căldură între o suprafaţă solidă şi un fluid, între care există contact direct şi mişcare relativă. Radiaţie termică – proces prin care căldura este transferată de la un corp cu temperatură ridicată la un corp cu temperatură coborâtă corpurile fiind separate în spaţiu. Schimbul de căldură prin radiaţie se datoreşte naturii electromagnetice a energiei transferate sub formă de cuante de energie. Energia transferată în acest fel este denumită căldură radiantă sau radiaţie termică. Emisivitate – sau factor de emisie – un număr adimensional cu valori cuprinse între 0 şi 1, reprezentând raportul dintre puterea totală de emisie a unui corp oarecare şi puterea totală de emisie a corpului negru. În anexa 13.1 este prezentată emisivitatea diverselor materii şi materiale. Corp negru - un corp perfect care absoarbe integral radiaţia termică primită fiind şi cel mai bun emiţător de radiaţie. 9.3. Posibilităţi de aplicare Din punct de vedere principial metodele de termografiere pot fi grupate în două mari grupe: - metodele de control care necesită o sursă de caldură ca anexă a echipamentului de examinare, denumite metode active (fig. 13.4); - metodele de control care constau în analiza sau măsurarea fluxului termic furnizat de produsul examinat (căldura există sau este produsă independent de procesul de examinare), denumite metode pasive (fig. 13.5).

3

EXAMINAREA PRIN TERMOGRAFIERE ÎN INFRAROŞU

Sursă de căldură Obiect examinat

Termogramă Cameră de luat vederi în

Sursă curent

Defect

de

Cod de culori

Calculator cu placă de achiziţie a imaginilor şi soft specializat

Fig. 13.4. Schema de principiu a termografierii active.

Metodele active se folosesc pentru: - detectarea defectelor în materiale stratificate, acoperite, lipite, compozite (metalice sau nemetalice); - măsurarea grosimilor straturilor de acoperire sau învelişurilor; - caracterizarea materialelor din punctul de vedere al comportamentului termic; - evaluarea structurii materialelor compozite polimerice. Cartelă magnetică Obiect examinat Radiaţie termică

Cameră de luat vederi în Distanţe de la 0 la 103 m Fig. 13.5. Schema de principiu a termografierii pasive.

Metodele pasive au o aplicabilitatea extrem de largă: 







În construcţii: ¤ evidenţierea traseelor pe unde se produc pierderi de căldură în construcţii; ¤ verificarea izolaţiilor; ¤ măsurarea umidităţii sau igrasiei; ¤ detectarea fisurilor şi crapăturilor; În energetică: ¤ verificarea periodică a echipamentelor electrice: transformatoare, linii, întrerupătoare, panouri electrice etc.; ¤ verificarea echipamentelor aferente centralelor electrice; ¤ verificarea maşinilor electrice: motoare, generatoare etc.; ¤ verificarea echipamentelor centralelor nucleare etc. În industria chimică şi petrochimie: ¤ supravegherea proceselor chimice exoterme sau endoterme; ¤ verificarea rezervoarelor de cracare şi a cuptoarelor de piroliză; ¤ verificarea conductelor pentru transportul aburului etc. În sudare: ¤ supravegherea proceselor de sudare, verificarea preîncălzirii etc.

DEFECTOSCOPIE ŞI IMAGERIE MAGNETICĂ

4

Alte domenii:  In industria prelucrătoare: supravegherea funcţionării instalaţiilor de răcire, verificarea funcţionării maşinilor - unelte etc.  In medicină: detectarea tumorilor, dignosticarea infecţiilor etc.  Industria sticlei: verificarea cuptoarelor şi parametrilor de funcţionare.  Electronică: verificarea circuitelor integrate şi a componentelor electronice în funcţiune  Studii ecologice privind poluarea apelor.  Detectarea focarelor de incendii în păduri.  Recensământul animalelor sălbatice.  Paza frontierelor etc. 9.4. Aplicaţii Metoda activă. Examinarea materialelor acoperite Scop: observarea avantajelor şi limitelor acestei metode în raport cu alte metode de examinare şi modul specific de evidenţiere a defectelor în materiale acoperite. Prin termografiere se evidenţiază câmpul termic de suprafaţă. Existenţa unui defect (discontinuitate) reprezintă o barieră termică care perturbă câmpul de suprafaţă. Când încălzirea şi examinarea se fac pe aceeaşi parte, indicaţia de defect apare ca o pată mai caldă (fig.13.6, a). Când încălzirea se face pe o parte şi examinarea pe cealaltă, indicaţia de defect apare ca o pată mai rece (fig.13.6, b). T

încălzire

a

T

“Defect cald”

∆T

“Defect rece”

∆T

detecţie

detecţie

b

încălzire

Fig. 13.6. Defectul – barieră termică: a – examinarea pe aceeaşi faţă; b – examinarea pe faţa opusă.

Etalonul multistrat, (v. fig. 13.7.) – dispozitiv alcătuit din mai multe straturi de bandă adezivă. Sub fiecare strat au fost create defecte tip « lipsă de legătură ». Astfel, fiecare defect este situat, în raport cu suprafaţa, la altă adâncime. Banda adezivă negră prezintă avantajul că are o emisivitate ridicată, apropiată de cea a corpului negru (ε = 1). Cresterea sigurantei cladirilor folosind termoviziunea Prin atributele sale majore, sistematizarea teritoriala si a localitatilor este definitorie prin masurile tehnico-economice si legislative ce se impun a fi luate. În cadrul acestora un capitol distinct se ocupa cu

EXAMINAREA PRIN TERMOGRAFIERE ÎN INFRAROŞU

5

retelele utilitare de apa, de canalizare, de termoficare, de conductoare electrice, de telecomunicatii, de conducte de gaze, precum si retele geodezice, hidrografice, meteorologice etc. Ne vom ocupa în continuare de "Cresterea sigurantei cladirilor si a instalatiilor din cladiri, folosind termoviziunea", un domeniu recent al stiintei si tehnicii. Termoviziunea este o metoda de vizualizare a fluxului intens de fotoni emis în domeniul infrarosu prin folosirea unei duble conversii (foton în domeniul infrarosu – electron – foton în domeniul vizibil). Mai precis, este vizualizat contrastul termic al cladirii, adica diferenta de intensitate a radiatiilor termice emise de cladire fata de mediul înconjurator. Sistemele de termoviziune si-au gasit utilizari din ce în ce mai multe în domeniul civil, de exemplu în determinarea pierderilor de caldura a locuintelor, în proiectarea unor cladiri rezistente la atacuri teroriste, folosind senzori care pot rezista în conditii extreme de caldura si presiune, în industrie, în determinarera temperaturii proceselor metalurgice, în efectuarea unor inspectii la instalatiile electrice aflate sub tensiune, în domeniul militar etc.

Un exemplu de studiu termografic al instalatiilor energetice a fost prezentat recent (februarie 2005). Este vorba de un studiu termic nedistructiv, folosind tehnica termografiei în infrarosu pentru aplicatii de ventilare a caldurii si de conditionare a aerului (HVAC – heating, ventilating and air conditioning). În aceste aplicatii a fost realizata evaluarea formei termice a zidurilor groase, a barierelor cu elementele lor constructive, a conductelor de conditionare a aerului, precum si a sistemelor termice, cablurilor, conductorilor, întrerupatoarelor din instalatiile electrice.

6

DEFECTOSCOPIE ŞI IMAGERIE MAGNETICĂ

A fost studiata si influenta umiditatii asupra comportamentului termic al materialelor de constructie. Rezultatele au aratat relatia dintre evaporarea apei si porozitatea datorata structurii materialului, iar studiul a aratat utilitatea acestei tehnici în detectarea diverselor defecte invizibile din instalatiile energetice si termice. Aplicatiile termoviziunii conduc la o îmbunatatire a sigurantei cladirilor în situatii în care alte metode dau gres, inclusiv în situatii extreme cum ar fi cele legate de atacuri teroriste, dupa cum afirma si profesorul american Julian Jones de la Universitatea Heriot-Watt, "În climatul de azi de amenintari teroriste în crestere, exista o cerere imensa de tehnologie care sa ajute la proiectarea unor cladiri rezistente la atacuri cu bomba." Localizeaza pierderile de energie(caldura) cauzate de conductie si convectie ; se testeaza calitatea materialelor folosite. Acoperisuri: localizeaza zonele cu izolatie deteriorate din cauza apei sau zonele neizolate

EXAMINAREA PRIN TERMOGRAFIERE ÎN INFRAROŞU

7

Alte aplicaţii Au fost prezentate recent si aplicatii ale termoviziunii în infrarosu pentru evaluarea nedistructiva a îmbinarilor. O jonctiune dintre doua materiale similare sau nesimilare reprezinta în general un punct slab al structurii si de aceea necesita o alegere atenta a celei mai adecvate tehnici de îmbinare si o evaluare nedistructiva a partilor îmbinate, oricare ar fi tehnica de îmbinare. Un exemplu de studiu îl constituie aplicarea termografiei în infrarosu pentru evaluarea nedistructiva a trei tipuri de îmbinari: îmbinari fixate adeziv din aluminiu, îmbinari sudate cu laser, din otel inoxidabil, si îmbinari clare fixate mecanic. Pentru aceasta a fost folosita atât termoviziunea cu impulsuri, cât si cea cu modulare, cu stimulare optica. Atentia s-a concentrat în special pe cea de-a doua metoda, deoarece practic imaginile de faza nu sunt afectate de încalzirea neuniforma locala sau de variatia locala a coeficientului de emisivitate, ca imagini termice. O alta aplicatie o constituie masurarea difuziei termice în placi folosind propagarea armonica si uni-dimensionala a undelor termice. Recent a fost realizata o noua abordare a metodei lui Angstrom pentru masurarea difuziei termice. În aceasta metoda, difuzia este determinata din translatia de faza a unui semnal termic periodic în timpul propagarii sale de-a lungul placii. Propagarea poate fi usor monitorizata prin termoviziune în infrarosu. În general, este folosita o sursa fara contact direct pentru a aplica semnalul. Totusi, în sistemul mentionat este folosita o sursa cu contact direct, cu un semnal de oscilatie a temperaturii furnizat pe o portiune a uneia dintre cele doua suprafete principale ale specimenului, unde un contact omogen poate fi produs prin folosirea unei presiuni de contact corespunzatoare. O astfel de practica implica faptul ca masurarile temperaturii suprafetei pot fi folosite pentru a estima difuzia doar dincolo de o anumita distanta fata de sursa, unde frontul de unda al oscilatiei temperaturii în cadrul specimenului devine plan si perpendicular pe suprafetele principale. A fost investigata aceasta distanta, pentru a stabili o regula generala pentru realizarea experimentelor. Pe post de sursa termica a fost folosit un dispozitiv termoelectric bazat pe efectul Peltier. Principala dificultate legata de folosirea sa a reprezentat-o obtinerea unui semnal termic perfect armonic si bine echilibrat. Acest lucru a fost necesar pentru a evita o prelucrare complexa a datelor experimentale, si a putut fi obtinuta prin furnizarea unui curent cu o forma de evolutie în timp corespunzator aleasa. Au fost realizate de asemenea si doua noi tipuri de sisteme de imagine (sisteme de termoviziune în infrarosu) fara racire, bazate pe matrici piroelectrice si bolometrice. Aceste noi sisteme de imagine în infrarosu sunt în plus echipate cu canale TV si pirometrice. În noul sistem stationar cu o focalizare mai mare, canalul opto-electronic este implementat în locul unuia pirometric, realizând detectia optica pâna la o distanta de 1000 m. Sistemele de imagine în infrarosu realizate furnizeaza o observatie eficienta a obiectelor si a zonelor securizate (controlate) în timpul oricarei perioade a zilei. Instrumentele furnizeaza vizualizarea obiectelor ce radiaza caldura si ofera solutii pentru o gama larga de sarcini, incluzând unele foarte importante: siguranta tehnologica (diagnosticarea structurilor, cladirilor, echipamentului de sursa de putere, detectarea scurgerilor de la conductele furnizoare de caldura, precum si a focurilor ascunse); sarcini de cautare si observatie (detectia si observatia obiectelor îndepartate ce radiaza caldura, cum ar fi oameni, mijloace de transport etc.; detectia unor anomalii ascunse etc.).

8

DEFECTOSCOPIE ŞI IMAGERIE MAGNETICĂ

Echipamentul realizat poate fi utilizat pentru inspectia termica a facilitatilor industriale cu saturatie de energie, ca si pentru scopuri de securitate anti-terorism si furnizarea sigurantei tehnologice. De asemenea, au fost prezentate diferite sisteme de termoviziune bazate pe matrici CCD în infrarosu pe SiPt cu bariera Schottky, lucrând în mijlocul domeniului infrarosu. Au fost evaluate problemele legate de realizare, testare si mentenanta si au fost determinati parametrii tehnici si rezultatele experimentale. Un astfel de sistem de termoviziune consta din:  cap de camera în infrarosu cu PtSi,  un mic criostat cu N2 pentru a infuza în sistem azot lichid,  bloc de control al camerei CCD si bloc de conversie analog-digitala a semnalului video,  procesor specific pentru procesarea imaginii cu ajutorul unui computer Power Mac. Principalii parametri si caracteristici sunt:  sensibilitatea temperaturii: 0,07 K  numar de elemente pentru camera CCD: 256-290  dimensiunile câmpului fotosensibil: 9,57-12,8 mmp  frecventa cadrului: 25 Hz  timpul de functionare continua fara infuzare de N2: mai mult de 6 ore. Sensibilitatea ridicata a camerei CCD folosite, precum si reprezentarea spatiala buna, nivelul redus al zgomotului si omogenitatea semnalului video asigura o buna calitate a imaginilor termice. Electronica de citire de la iesire, realizata pe baza de module programate controlate, furnizeaza o functionare flexibila a camerei CCD si o procesare analog-digitala a semnalului video pe 12 canale. Procesorul de imagine realizat pe baza computerului Power Macintosh proceseaza imagini de termoviziune în timp real cu o viteza de pâna la 20 cadre/s. Au fost date exemple de imagini termice din filmul de termoviziune al plecarii unei nave: la 150, 250, 450, 600, 900 si 1800 metri. Diferite aplicatii ale acestor sisteme de termoviziune realizate se întâlnesc în constructii, medicina, energetica, electronica, miscari automate etc. Termoviziunea în infrarosu a fost folosita ca tehnica nedistructiva si fara contact direct si în alte aplicatii, cum ar fi de pilda examinarea proceselor progresive de deteriorare si a mecanismelor de defectare ale specimenelor de beton supuse unor compresii neconfinate statice si unor vibratii de excitare suprapuse. Parametrul care a fost investigat a fost generarea caldurii datorata disiparii intrinseci cauzate de neelasticitatea materialului care a fost excitat dincolo de limita sa rever-sibila stabila. Aceasta tehnica utila permite realizarea unei ilustrari precise a propagarii defectelor care apar în astfel de structuri. De altfel termoviziunea poate fi folosită şi la scanarile termice ale unor persoane, indiferent dacă e noapte sau zi, chiar şi indiferent de anotimp, astfel încât termoviziunea poate fi vazută ca şi cel mai temut inamic al migratiei ilegale de persoane, fiind din ce în ce mai des folosită de poliţia de frontieră, şi nu numai.

EXAMINAREA PRIN TERMOGRAFIERE ÎN INFRAROŞU

9

De exemplu Poliţia de Frontieră Română detine 16 autospeciale dotate cu sisteme de termoviziune. Pe monitoarele din autospeciale, se poate descifra, totodată, şi natura respectivelor organisme. Fiecare autospecială este însoţită de o maşină de intervenţie. Aceste dotari costisitoare - 300.000 de euro pentru o singura autospeciala -, se gasesc in fiecare punct de control al vamii de est, dar si la sectoarele de control ale „zonei verzi“. Aceste date au fost prezentate in cursul unei vizite de doua zile facute de catre chestorul Nelu Pop, inspectorul general al IGPF, care a facut un control al punctelor de frontiera de pe granita de est a tarii. Informatie la secunda Sistemul de comunicare datavoce permite politistilor de frontiera aflati in diferitele puncte ale frontierei, fie puncte de trecere, fie sectoare aflate in „zona verde“, sa coopereze, prin sistem IT, in sensul transmiterii de date de la un punct la altul. Viteza cu care se transmit datele este de ordinul secundelor. Si pentru sistemul data-voce Politia de Frontiera are la dispozitie autoturisme si ambarcatiuni performante, care pot pleca oricand in urmarirea infractorilor. Masinile de teren Nissan, precum si motocicletele pe patru roti de tipul Roush Tehn, permit supravegerea frontierei in zonele greu accesibile. Termoviziune şi termografie în medicină: Trebuie spus că această tehnică modernă de diagnosticare poate fi aplicată cu succes şi în medicina umană sau veterinară, oferind rezultate de mare utilitate ce uşurează depistarea timpurie a bolilor şi permite o evaluare performantă a stării pacienţilor în perioadele pre- şi post-operatorii. Metoda poate fi utilizată în multiple aplicaţii clinice din domeniul sănătăţii, cele mai vizate domenii fiind neurologia, reumatologia, ortopedia şi oncologia, dar nu trebuie omise medicina generală sau medicina internă. Se poate spune că termoviziunea este unică prin capacitatea ei de a permite vizualizarea schimbarilor fiziologice şi a proceselor metabolice. De exemplu, depistarea unor asimetrii în cadrul distribuţiei de temperatură la nivelul suprafeţei corpului poate conduce la depistarea unor boli legate de sistemul nervos simpatic, somatic sau de sistemul vascular. Răspunsul somato - simpatic în cazul unor probleme de sănătate apare în termograma ca o zona mai rece, cu caracteristici diferite, functie de boala. ThV/ThG - IR poate fi utilizată în diagnoză, prognosticuri sau urmărirea unor tratamente prescrise. Din nefericire, multe boli sau disfuncţii aflate într-o faza incipienta de dezvoltare rămân ascunse medicului şi nu oferă semnale de alarmare pacientului.

10

DEFECTOSCOPIE ŞI IMAGERIE MAGNETICĂ

Utilizand tehnica ThV/ThG - IR este posibilă o monitorizare performantă a fenomenelor termice care au loc în corpul uman. Imaginile termice obţinute sunt hărţi color ce permit, pe baza asocierii unor culori sugestive, investigaţii amănunţite asupra pacientului. Primul semn al unei boli sau disfuncţii în organism este dat de o creştere a căldurii în zona respectivă, în consecinţă de o creştere a emisiei de radiaţii infraroşii. În general problemele legate de procesele inflamatorii apar sub forma unor "arii calde". În alte cazuri, scăderea nejustificată a temperaturii unor zone poate fi un semn al unor fenomene negative la nivelul acestora. Astfel, în bolile sistemului nervos periferic temperatura este mai scazută cu aproximativ 1,5ºC, iar în distrofia simpatica cu aproximativ 0,5...10ºC, funcţie de severitatea acesteia. După obţinere, termograma poate fi procesată digital în vederea localizarii exacte a punctelor de stres, focarelor de infecţie sau bolilor. Limitările tehnice şi tehnologice nu au permis în trecut realizarea de aparate şi echipamente destinate evaluării performante şi prezentării în timp real a unor hărti termice care să redea fidel starea termică a sistemelor tehnice sau biologice. Echipamentele de termoviziune/termografie actuale sunt dotate cu sisteme "fără răcire" şi arii de senzori termici de 320x240 puncte, având o rezoluţie termică de 0,08ºC. Trebuie menţionat faptul că orice variaţie de temperatură oferă multiple informaţii pentru medicul care investighează un număr mare de pacienţi şi care trebuie să depisteze maladii sau începuturi ale acestora într-un timp cât mai scurt. În plus, ThV/ThG reprezintă o tehnica de măsurare non-invazivă a radiaţiei infraroşii emise de pacientul aflat sub test şi permite, în urma unei analize termice extrem de scurte, efectuate în timp real, generarea de hărţi termice care se pot dovedi uneori de o importanţă vitală. ThV/ThG permite măsurarea precisă a temperaturii suprafeţei corpului, această caracteristică tehnică poate fi utilizată în observarea schimbărilor de vascularizare ale pielii cauzate de o largă varietate de boli şi disfuncţii. Se poate spune că ThV/ThG - IR realizează aşa-numitul "management al durerii", observarea radiaţiei infraroşii emise de corpul uman fiind singura metoda de imagistică ce permite vizualizarea noţiunii de "durere". Termoviziunea utilizată în medicină prezintă avantaje majore faţă de alte tehnici de diagnoză deoarece echipamentul de măsura nu emite radiaţii dăunătoare pacientului, scanarea termică nu necesită realizarea contactului direct cu corpul uman, disfuncţiile şi bolile sunt detectate rapid, fără internare (în regim ambulatoriu), scanarea termică este non-invaziva, putând fi repetată ori de câte ori este nevoie, permiţând analize în timp real pre- şi post-operatorii utile pentru investigarea evoluţiei stării pacientului. Schimbările în conductivitatea termică a pielii cauzate de arsuri, ulceraţii, etc. sunt detectate ăi monitorizate foarte uşor cu ajutorul termografiei. Utilizarea acestei tehnici de investigaţie poate oferi medicului o informaţie imediată asupra evoluţiei stării pacientului şi răspunsul acestuia la tratamentul aplicat. Un succes recent al termografiei se referă la studiul fluxului sangvin în timpul operaţiilor pe inima . Un exemplu concret de utilizare a termografiei este cel legat de identificarea unor zone cu ţesuturi infectate. Este cunoscut faptul că acestea sunt mai calde cu aproximativ 1...3ºC decât zonele de tesut normal. Utilizand ThV/ThG - IR medicul poate identifica foarte uşor zona infectată (observabilă clar pe imaginea termică) şi poate urmări evoluţia bolii prin termografii repetate la intervale de timp bine stabilite. În domeniul oncologiei, rezultatele cercetărilor efectuate prin ThV/ThG - IR pentru detectarea cancerului mamar au arătat că utilizarea acestei metode oferă foarte bune rezultate. In cazul medicinei veterinare imaginile termice permit vizualizarea mult mai usoara a unor eventuale infecţii deoarece la animale, spre deosebire de oameni, temperatura zonelor infectate poate fi mai mare cu până la 10ºC decât temperatura zonelor neinfectate. Nu trebuie omis sau neglijat nici faptul ca animalul nu poate comunica medicului simptomele bolii, zonele de durere sau senzaţiile resimtite. Domenii de aplicabilitate: 1. Neurologie şi neurochirurgie; 2. Ortopedie; 3. Oncologie; 4. Reumatologie; 5. Stomatologie; 6. Medicina generală şi internă; 7. Balneologie şi medicina recuperatorie; 8. Chirurgie (scanări termice pre- şi post-operatorii); 9. Medicina sportivă;

EXAMINAREA PRIN TERMOGRAFIERE ÎN INFRAROŞU

11

10. Medicina veterinară. Computerizarea sistematizată de prezicere a stărilor unor componenete operţionale într-un mediu de oboseală: Sistemul conţine două tehnici de măsurare bazate pe termoviziune şi termocuple. Utilizând două tehinci, simultan activează distribuţia de temperatură, pe suprafaţa unui obiect, ca de asemenea obiectul poate fi situate chiar şi în interiorul structurii, tot se poate determina variaţiile de temperatură ( ca de exemplu componenetele unui motor tip turbină sau jet, al unui avion). Distibuţia internă a temperaturii a unui componenet al structurii, poate detemina o oboseală a întregului sistem, ceea ce poate duce la defectarea întregului system.Din această cauză distribuţia temperaturii, poate fi folosită la prezicerea stării unui component în diferite stări de funcţionare şi condiţii. De asemenea termoviziunea poate fi utilizată cu o bună acurateţe şi în cazul monitorizării liniilor electrice de tensiune (medie, joasă sau înaltă), chiar dacă aceste linii de transport a energiei sunt aeriene (cele de transport şi distribuţie) sau cele din locuinţe (zidării). De altfel se pot monitoriza distribuţia temperaturii în transformatoarele de tensiune/current sau în sistemele electronice Diagnosticare şi monitorizarea maşinilor electrice, cutii de viteză, diagnosticarea stării sistemelor a maşinilor electice rotative, transformatoarelor şi a echipamentelor electrice de putere. Termografie şi defectoscopie în industrie Termografia - IR reprezintă o tehnică de ultimă oră în domeniul metodelor moderne de diagnosticare în industrie, oferind rezultate de mare precizie ce conduc la reducerea timpului de depistare a defectelor şi evaluare performantă a stării echipamentelor în timpul funcţionării, fără a fi nevoie de oprirea acestora sau de efectuarea unor operaţii mai complicate, cum ar fi demontarea şi transportul lor la un centru de diagnosticare. Metoda poate fi utilizată în multiple aplicaţii tehnice din domeniul industrial, cele mai vizate domenii fiind energetica, electrotehnica, electronica si microelectronica dar nu trebuie omise industria constructoare de maşini, petrolieră sau cea metalurgică / siderurgică. Din nefericire, multe defecte, funcţionări incorecte sau probleme tehnice aflate într-o fază incipientă ramân ascunse specialistului şi nu oferă semnale de alarmare utilizatorului. Utilizând tehnica ThV/ThG-IR este posibilă o monitorizare performantă a fenomenelor termice care au loc la nivelul oricărui echipament, sistem sau instalaţie din mediul industrial. Imaginile termice obţinute sunt hărţi color ce permit, pe baza asocierii unor culori sugestive, investigaţii amănunţite asupra echipamentului testat sau asupra unor zone de interes din cadrul acestuia. Uzual, paleta de culori este asociată cu schimbările de culoare ale fierului la creşterea temperaturii sale. Astfel, culorile alb, galben si roşu corespund temperaturilor mai înalte iar albastru, violet si negru temperaturilor mai coborâte. ThV/ThG-IR este de mare utilitate în practică deoarece permite realizarea aşa numitei “mentenanţe predictive”, sintagmă aplicabilă în toate ramurile industriale dar care poate fi adaptată perfect şi în domenii ca biologia sau medicina. Primul semn al unui defect sau al unei probleme de funcţionare este dat deseori de o creştere a căldurii în zona respectivă, în consecinţă de o creştere a emisiei de radiaţii infraroşii. În alte cazuri, scăderea nejustificată a temperaturii unor zone sau elemente ale unui echipament poate fi un semn al unor fenomene negative la nivelul acestora. Dupa generare, termograma este procesată digital în vederea localizării exacte a punctelor de stres termic şi defectelor. Trebuie remarcat şi faptul că evaluarea unei termograme obţinute în urma scanării unui aparat, sistem sau instalaţii în timpul funcţionării corecte poate oferi informaţii extrem de preţioase cu privire la harta termică normală ce va reprezenta referinţa în evaluarea viitoarelor scanări şi remedierea la timp a unor potenţiale defecţiuni. Limitările tehnice şi tehnologice nu au permis în trecut realizarea de aparate destinate evaluării performante si prezentării în timp real a unor harţi termice care să redea fidel starea termică a sistemelor tehnice sau biologice. La capătul unor îndelungate cercetări fundamentale şi aplicative, specialişti din laboratoare şi companii din domeniul tehnologiilor înalte au reuşit rezolvarea numeroaselor probleme tehnice legate de sistemul optic, senzorul infraroşu, sistemul de răcire (pentru a fi asigurată o temperatură de referinţă cât mai joasă), etc. In prezent, echipamentele de termoviziune / termografie de ultimă generaţie sunt dotate cu sisteme “fără răcire” şi arii de senzori termici de 320 x 240 puncte, având o rezoluţie termică de 0,08ºC. Acestea oferă utilizatorilor o foarte mare cantitate de informaţie, demonstrând excepţională utilitate în industrie şi

12

DEFECTOSCOPIE ŞI IMAGERIE MAGNETICĂ

medicină. Trebuie menţionat faptul că orice variaţie de temperatură oferă multiple informaţii pentru specialistul care realizează evaluarea termică a unui echipament sau instalaţii, lipsa unui mijloc de control al acesteia, în anumite ramuri ale industriei, conducând în peste 90% din cazuri la pagube mari. În plus, ThV/ThG reprezintă o tehnică de măsurare non-invazivă a radiaţiei infraroşii emise de obiectul aflat sub test şi permite, în urma unei analize termice extrem de scurte, efectuate în timp real, generarea de harţi termice care se pot dovedi uneori de o importanţă vitală (în metalurgie/siderurgie, industria de apărare, petrolieră, electronică/microelectronică, etc.). ThV/ThG permite măsurarea precisă a temperaturii suprafeţei corpului, rezoluţia mare fiind un preţios avantaj în detectarea diferenţelor de temperatură ale unor zone unde specialistul are nevoie de informaţii bogate. Se poate spune că ThV/ThGIR permite aşa-numitul “management al defectului”, observarea radiaţiei infraroşii emise de un sistem tehnic în funcţionare fiind uneori singura metodă de imagistică ce permite vizualizarea noţiunilor de “defect” şi “tendinţa de defectare”. În domeniul construcţiilor şi instalaţiilor industriale variaţiile de temperatură oferă informaţii extrem de bogate, acest domeniu beneficiind din plin, în ultimul deceniu, de performanţele atinse de termoviziune/termografie. Izolaţiile efectuate incorect, crăpăturile existente in structura, infiltraţiile, ciupercile etc. apar foarte clar in imaginile termice obţinute cu o cameră de termografie specializată. În ţările avansate termografia este utilizată pe scară largă în inspecţiile monumentelor istorice. De foarte multe ori termografia este singura metodă rapidă de investigare la faţa locului a unei construcţii. Prin simpla scanare a faţadei unei clădiri se pot observa zonele in care pereţii nu oferă o izolaţie corespunzătoare, implicaţiile fiind un consum de energie nejustificat de mare pentru încalzirea încăperilor pe timp de iarnă şi încalzirea excesivă a interiorului clădirii pe timpul verii. În mod asemănător se pot detecta zonele în care etanşeizările nu sunt realizate în mod corespunzător: ferestre, uşi, terase, etc. Similar, umiditatea este detectabilă foarte uşor cu un sistem ThV/ThG-IR. O aplicaţie deosebit de importantă este scanarea suprafeţei barajelor. Apariţia unor crăpături în structura acestora se va putea observa foarte uşor pe o termogramă. Termografierea ţevilor, caloriferelor şi a altor sisteme de încălzire şi climatizare determină gradul de utilizare a acestora. Este important de menţionat că programul de vizualizare şi prelucrare a termogramelor are posibilitatea de a introduce diferite formule, prin acestea putând fi efectuate rapid calcule de determinare a pierderilor existente. Prin scanarea coşurilor şi sobelor se poate verifica dacă izolaţia este corespunzatoare si dacă nu există pericolul declanşării unor incendii. Tot pentru prevenirea incendiilor este necesară şi scanarea instalaţiilor şi echipamentelor electrice: calorifere electrice, frigidere, aparate de aer condiţionat, etc., aceasta aplicaţie fiind tratată pe larg în continuare. Rezultate extrem de utile se obţin prin scanarea instalaţiilor industriale din petrochimie, metalurgie sau siderurgie, unde activitaţile “cu foc continuu” nu permit oprirea procesului tehnologic şi realizarea unor operaţii de testare clasică. Metoda pasivă. Examinarea instalaţiilor electrice Scop: familiarizarea operatorilor cu modul de examinare a unor componente ale instalaţiilor electrice şi evidenţierea rolului mentenanţei preventive. Mentenanţă – totalitatea activităţilor de verificare şi întreţinere care au ca scop reducerea probabilităţii de defectare şi asigurarea unei bune funcţionări pe toată durata de viaţa a unui produs. Mentenanţa poate fi:  corectivă când urmăreşte aplicarea unor corecţii la momentul oportun;  predictivă au previzionară când vizează estimarea comportării unui produs în viitorul imediat sau îndepărtat;  preventivă când activităţile de verificare au ca scop evidenţierea unor imperfecţiuni în stare incipientă pentru a se evita apariţia disfuncţiilor sau pierderilor economice Imaginea termică a componentelor instalaţiilor electrice conţine informaţii globale privind, pe de o parte, funcţionarea normală şi, pe de altă parte, informaţii privind disfuncţiile sau imperfecţiunile materialelor sau asamblărilor. Majoritatea componentelor electrice în funcţiune sunt calde, chiar fără a avea defecte.

EXAMINAREA PRIN TERMOGRAFIERE ÎN INFRAROŞU

13

Ceea ce deosebeşte un defect de o zonă normală este o supraîncălzire a componentei cu defect faţă de cea fără defect (v. fig. 13.8). Deşi pare o banalitate, afirmaţia aceasta are o importanţă deosebită când se examinează linii paralele încărcate diferit. De aceea se recomandă verificarea liniilor în mod succesiv, fiecare circuit funcţionând la o anumită încărcare. Dacă o componentă a unei linii este mai caldă decât o componentă identică a altei linii, această simplă constatare poate conduce la o interpretare eronată. Este deci esenţial ca operatorul să aibă cunoştinţe de specialitate nu numai de termografie ci şi de electrotehnică. Prin supraîncălzirea unei componente se înţelege o valoare a temperaturii θs, stabilită prin relaţia: θs = θt – θ0 unde: θt – este temperatura totală măsurată cu ajutorul camerei IR; θ0 – este temperatura componentei respective, în funcţiune, fără defecte. Temperatura de supraîncălzire, θs, este deci diferenţa dintre temperatura măsurată a componentei defecte şi, respectiv, cea a unei componente care funcţionează normal. Temperatura componentei fără defect, θ0 depinde de sarcină şi de temperatura mediului ambiant. O componentă defectă, de regulă, se supraîncălzeşte din cauza: unor contacte imperfecte, joncţiuni greşit dimensionate sau care au suferit degradări (oxidări) în timp, suprasarcini, deteriorări ale unor izolaţii etc. Specialiştii practicieni au constatat că supraîncălzirile detectate prin termografiere la elementele defecte din instalaţiile electrice se pot clasifica în trei categorii: I θs < 50 C supraîncălzire incipientă. Se recomandă ca elementul respectiv să fie ţinut sub observaţie şi să fie verificat cu ocazia primei reparaţii planificate. II 50 C ≤ θs ≤ 300 C supraîncălzire avansată. Se recomandă intervenţia la prima ocazie când circuitul permite scoaterea acestuia de sub sarcină. III θs ≥ 300 C supraîncălzire gravă. Se impune revizia imediată a elementului defect. Observaţie Categoriile precizate mai sus se referă la o încărcare cuprinsă între 50 şi 100 %. Astfel, dacă o verificare se face la o încărcare de sub 50 %, la valorile de temperatură determinate ca supraîncălzire trebuie aplicată o corecţie.

Fig. 13.8. Vizualizarea imaginii termice a unor contactoare electrice: a – elementul din dreapta s-a supraîncălzit din cauza unui contact imperfect; b – aceleaşi trei contactoare după remedierea defectului.

În domeniul electrotehnic/electronic/energetic utilizarea ThV/ThG-IR este deosebit de importantă deoarece această tehnică de ultimă oră oferă informaţii preţioase cu privire la starea sistemelor şi echipamentelor aflate sub test şi previziuni cu privire la evoluţia lor ulterioară. Termograma în infraroşu

Fotografia în spectrul vizibil

14

DEFECTOSCOPIE ŞI IMAGERIE MAGNETICĂ

Transformator : contact defectuos intre bornă şi bară

Releu : defect interior

Separator : contact defectuos între borna superioară şi bară

Se ştie că orice îmbinare electrică (prin strângere mecanică, lipire, sudură) în contact cu mediul ambiant este supusă la procese de oxidare si formare de săruri (carbonaţi, sulfaţi), straturi ce acţionează ca o barieră în calea de curgere a curentului, rezultatul fiind o creştere a rezistenţei sale electrice (şi, implicit, încălzirea sa). La fel se petrec lucrurile şi cu conexiunile electrice, contactele releelor şi transformatoarelor, conectoarele, alte elemente electromecanice, etc. Supraîncalzirea este un fenomen extrem de periculos în industria electrotehnică şi energetică deoarece conduce la distrugerea termică a izolaţiilor, îmbinărilor sau conexiunilor şi, după un anumit timp, la o posibilă declanşare a unui incendiu. Avantajele principale ale măsurării temperaturii prin evaluarea radiaţiei infraroşii emise sunt acelea că nu este necesar să se realizeze contactul direct cu sistemul/echipamentul măsurat şi că acesta nu trebuie oprit din funcţionare. În acest fel se pot măsura contacte electrice şi conexiuni aflate sub tensiune sau în locuri inaccesibile. În electronică şi microelectronică realizarea de termograme ale modulelor şi echipamentelor conduce la o evaluare exactă a managementului termic la nivelul acestora, putându-se depista încălziri excesive ale procesoarelor, dispozitivelor şi circuitelor active sau pasive. După generarea hărţii termice, specialistul

EXAMINAREA PRIN TERMOGRAFIERE ÎN INFRAROŞU

15

poate decide asupra rezolvării problemelor legate de transferul termic prin plasarea de radiatoare, ventilatoare sau elemente active de răcire. În domeniul transporturilor (auto/navale/aviatice) în ultimii ani ThV/ThG-IR a început să fie utilizată din ce în ce mai mult. Începutul a fost făcut cu inspectarea avioanelor si elicopterelor. În prezent termografia se utilizează pentru identificarea eventualelor fisuri ce pot apare în structura acestora, verificarea funcţionării corespunzătoare a motoarelor, scanarea bordurilor pentru depistarea supraîncălzirii acestora. Până la aplicarea acestor tehnici şi la automobile nu a mai fost decat un pas. În prezent, cu ajutorul sistemelor de termoviziune, se verifică în industria auto funcţionarea corespunzatoare a motorului, sistemele de climatizare, de frânare, de răcire, direcţia, starea generală a caroseriei, gradul de etanşare termică a acesteia, precum şi echipamentul electric. Datorită faptului că nu este necesară efectuarea contactului direct cu corpul măsurat, prin intermediul unui sistem de termoviziune / termografie se pot obţine, în timpul rulării, temperaturile pneurilor de automobil, osiilor si boghiurilor de tren, trenurilor de aterizare ale avioanelor, etc. Se poate observa astfel modul în care sunt solicitate piesele în mişcare şi se pot găsi soluţii pentru a reduce solicitarea acestora. Avantajele termografiei Termografia prezintă avantaje majore faţă de multe alte tehnici de diagnoză deoarece: • echipamentul de măsură nu emite radiaţii dăunatoare specialistului care face evaluarea sau personalului instituţiei aflat în apropiere; • scanarea termică nu necesită realizarea contactului direct cu sistemul, echipamentul sau instalaţia aflate sub test; • defectele, problemele de funcţionare şi tendinţele de defectare sunt detectate rapid, fără oprirea din funcţionare şi fără necesitatea transportului la un laborator specializat; • scanarea termică este o metodă de investigare non-invazivă, non-distructivă, pentru că nu intervine şi nu influenţează în nici un fel materialul, obiectul sau procesul investigat putând fi repetată ori de cate ori este nevoie; Este o tehnică de măsură ultrasensibilă, putând evidenţia variaţiile de temperatură de zecimi de grad, atât spaţial (de la un punct la altul în imagine), cît şi temporal (regimuri tranzitorii ce au loc în intervale de timp de ordinul secundelor până la ore şi zile). • permite analize în timp real înainte şi după intervenţii la echipamente/instalaţii de maximă importanţă, în vederea obţinerii de informaţii utile pentru investigarea evoluţiei în timp a acestora; • scanarea se poate realiza şi asupra unor obiecte aflate în mişcare sau în locuri inaccesibile; • permite evaluarea din punct de vedere termic a unor obiecte/ echipamente periculoase: produse chimice, instalaţii electrice aflate sub tensiune, corpuri fierbinţi; • se pot realiza hărţi termice ale unor suprafeţe mari. Prin folosirea termografiei în infraroşu în mentenanţa instalaţiilor industriale, defectele incipiente pot fi depistate şi corectate cu mult timp înainte de a se manifesta prin avarieri ; astfel se reduc duratele de întrerupere a funcţionării utilajelor, prin eliminarea opririlor neplanificate şi prin optimizarea planificării reparaţiilor şi a operaţiilor de intreţinere planificate. Aceasta are ca efect imediat reducerea cheltuielilor (economii de energie electrică, economii la reparaţiile mijloacelor fixe), reducerea primelor de asigurare, reducerea duratei verificărilor şi inspecţiilor periodice. De asemenea, creşte gradul de utilizare a utilajelor şi se imbunătăţesc condiţiile de protecţie a muncii. În final trebuie spus că sistemele ThV/ThG - IR din generaţiile noi sunt portabile (avand masa sub 3kg, funcţie de tip), fapt care permite ca scanarea termică, vizualizarea imaginilor şi obţinerea termogramelor să fie realizate chiar în locul de funcţionare a echipamentului/instalaţiei. Viteza mare de stocare a datelor, memoria internă (50 de imagini) şi posibilitatea analizei ulterioare a imaginilor în infraroşu, recomandă utilizarea acestor sisteme şi în munca de cercetare. Domeniile principale de aplicabilitate ale acestei spectaculoase şi extrem de eficiente tehnici de investigare sunt: metalurgie, siderurgie, energetică, electrotehnică, electronică/microelectronică, industria petrolieră, industria constructoare de maşini, industria lemnului, aeronautică, industria de apărare.