KURZUS: Műszaki diagnosztika

MODUL: Előadások

6. hét: Hőkamerás vizsgálatok- Termovízió

| A lecke tanulásának a célja: A műszaki diagnosztika egyik vizsgálati módszere, a hősugárzás mérése. A módszer fontosságát az adja, hogy a meghibásodások egy jelentős százalékában már a folyamat elején hőmérséklet emelkedéssel járnak együtt, akár villamos rendszerekről, akár mechanikus gépekről, berendezésekről ejtünk szót. Az érintés nélküli mérési módszer nem befolyásolja a mérendő mennyiséget és segítségével még a tényleges meghibásodás előtt fel lehet készülni a probléma megoldására. A mérések elméleti tudnivalóival is megismerkednek a hallgatók, majd a gyakorlati példák következnek.
Szükségesen elsajátítandó: A lecke kiemelkedő fontosságú része a termovíziós mérési eljárás elmélete és gyakorlata. A lecke megtanulása után a hallgató képes lesz akár önállóan használni a mérés során a termovíziós mérőkészüléket.
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90 perc szükséges.
Termovízió
Az esetek többségében a testek felületének hőmérsékletét kívánjuk megmérni. A mérés feltétele hőkamerával, hogy a vizsgált részre közvetlenül rálásson a készülékünk. A hősugárzás és hőmérséklet arányát több tényező befolyásolja: sugárzási együttható, visszavert sugárzás és a közvetítő közeg hőátbocsájtása. Ezek értékei függ a testek anyagától, felületétől.
Hőmérséklet mérési módszerek
A fizikai mennyiségek közül a második leggyakrabban mért mennyiség. Nézzünk néhány hőmérséklet mérési lehetőséget:
Hőtáguláson alapuló folyadéktöltésű hőmérők - általában higanyt alkalmazunk, pontosságuk 0,01 K is lehet akár. Hőtáguláson alapuló gáztöltésű hőmérők - nemesgáz töltésűek, pontosságuk 0,01 K is lehet akár. Hőtáguláson alapuló szilárd hőmérők - kettős fém (bimetall) vagy rudas hőmérők, pontosságuk 0,5-3 % is lehet. Hőmérséklet mérése villamos jellel - ellenállás (platina vagy nikkel) Hőmérséklet mérése villamos jellel - hőelem Hőmérséklet mérése villamos jellel - termisztor
Higany és Gáztöltésű hőmérők
1. ábra
Bimetál és Platina hőmérők
2. ábra
Az 1. ábra folyadék és gáztöltésű hőmérőket mutat, míg a 2. ábra bimetál és platina hőmérőket. Pontosságuk széles határok között mozoghat, igényektől függően megválaszthatóak.
Az infrakamerák működési elve
Az infravörös sugárzást 1800-ban Herschel angol csillagász azonosította először. Korábbi tanulmányokból ismert lehet az a kísérlete, miszerint a hóra kitett különböző színű textil darabok süllyedésének sebességét vizsgálva megállapította, hogy azok eltérőek. A további kísérletek során egy elsötétített helységbe bevezetett napsugarat prizmával a színeire bontott, majd az odahelyezett hőmérő sorozattal kereste az egyes színek termikusságára jellemző adatokat. Az eredmény az lett, hogy a vörös szín mellett, már az emberi szem által nem érzékelhető tartományban találta meg a magasabb hőmérsékleteket, és ezzel felfedezte az infravörös sugárzást, amit IR (infrared) rövidítéssel azonosítunk
Az infravörös sugárzás optikai tulajdonságai teljes mértékben azonosak a fény optikai tulajdonságaival. Az egyetlen lényeges eltérés csupán az, hogy azok szemmel nem érzékelhetőek.
Elektromágneses spektrum
3. ábra
A környezetünkben található tárgyak mindegyike, amely az abszolút nulla foknál melegebb valamilyen mértékben, infravörös tartomány hullámhosszába eső sugárzást bocsát ki magából. A sugárzás intenzitása több paramétertől is függ. Az első és legfontosabb a hőmérséklet, amely abszolút nulla foktól mért skála negyedik hatványával arányos. A második az emissziós tényező, más néven feketeségi fok, amely mint szorzótényező nulla és egy közötti értékű lehet. Ez egy a tárgy felületének sugárzási tulajdonságait megadó anyagi jellemző. Nincs szoros összhangban a fizikailag azonosítható színnel, annak ellenére, hogy általában a sötétebb színű tárgyak emissziós tényezője magasabb. Meglepő, de a természetben előforduló anyagok közül az egyik legmagasabb értékű emissziós tényezővel rendelkező tárgy az élő emberi bőr, azaz pl. egy kéz. (Meglepő, hogy mennyire "kéznél van" egy kalibrációs lehetőség.) Ugyancsak szokatlanul magas értékű emisszióval rendelkezik pl. a különben vakítóan fehérre meszelt fal is.
Az infrakamerák felhasználási lehetőségei
A hőképek alapján a vizsgált berendezésen megfigyelhető felületi hőfoltok segítségével jól azonosíthatóak a berendezésben meglévő hőforrások. Ezek egy része jó, üzem meleg állapotra jellemzőek, de gyakori az, hogy a jó, üzemi állapottól eltérő, helyi hőforrásokra visszavezethető melegfolt hibahelyre utal. Villamos berendezések esetében a helyi túlmelegedés jellemzően a megnövekedett átmeneti ellenállás miatt következik be, de előfordul az is, hogy átvezetés, szivárgó áram, vagy mágneses tér miatti indukció miatt figyelhető meg indokolatlan helyi túlmelegedés. A villamos berendezésekben az áram hőhatása mellett a mechanikai eredetű, rezgés miatti melegedések is azonosíthatóak. Gyakori vizsgálati lehetőség a forgó, mozgó gépészeti berendezések esetén a helyi, megnövekedett súrlódás miatti túlmelegedés. Jellemző a csapágy és motorhibák azonosítása, a ki-egyensúlyozatlanságra vagy pl. tengelykapcsolók esetében az egytengelyűség hiányára visszavezethető melegedési ok.
Épületek vizsgálata során elterjedten alkalmazzák a hőképeket az épületek hőszigetelés hibáinak azonosítására, a hőhidak behatárolására.
Nem különösen gyakori, de fontos módszer a hőképek épület-gépészeti diagnosztikai vizsgálatra való felhasználása, ugyanis pl. a kazánok belsőfali samottbélés kezdődő átégése külső falon jól azonosítható, de hasonlóképpen fűtési rendszerekben a csővezetékek belsőfali korróziójának kimutatására is számos példa akad.
Szintén épületgépészeti eljárás a hideg és meleg vizes rendszerekben a lyukadási helyek falbontás, aljzat felbontás vagy talaj kiásás nélküli lokalizálása.
A módszer terepi viszonyok között alkalmas pl. árvízi állapotban a várhatóan feltörő buzgárok helyének azonosítására, a töltés védett oldali átázási helyeinek megfigyelése alapján.
Kevéssé ismert az infrakamerák régészeti célú hasznosítása, akár épületekben, akár szabadtérben.
Jelentős az infrakamerák katonai célú felhasználása is.
A hőképek diagnosztikai célú készítése során az első lépés a hiba, illetve a hibahely azonosítása. Ugyanakkor nem hagyható figyelmen kívül az sem, hogy az egyes hibahelyek, hibatípusok nem azonos veszélyeket jelentenek, és önmagában az azonosítás nem elegendő a szükséges intézkedések meghatározásához. A lényeges kérdés az, hogy mi a hiba, a második pedig az, hogy milyen sürgős az elhárításához szükséges beavatkozás.
A 3. ábra szemlélteti az elektromágneses sugárzás hullámhossztartományát. Kiemelve belőle a látható fény tartományát.
A berendezések várható élettartamának kiszámítása
A váratlan műszaki meghibásodások megelőzésére a korszerű karbantartási eljárások előszeretettel alkalmazzák a műszaki diagnosztikai mérési módszereket. Ezek jellemző közös tulajdonsága az, hogy a hibahelyeket, a hiba várható bekövetkezését azonosítani tudják, de a bekövetkezés időpontjáról, azaz a javítás, megelőzés, karbantartás biztonságosan meghatározott határidejéről információt nem szolgáltatnak.
Egy-egy konkrét ipari hibahely azonosításakor a karbantartók, üzemviteli szakemberek első kérdése rendszerint az, hogy mi a teendő, milyen sürgős az intézkedés, mikorra várható a hiba bekövetkezése. Legtöbb esetben ezekre a kérdésekre csupán csak "gyakorlatból" becsült adatokkal lehet válaszolni.
Az egyik módszer a termovíziós diagnózis, azaz a hőképek alapján való hiba azonosítási eljárás, amelynek segítségével ma már nem csak a hiba helye, hanem a bekövetkezés várható időpontja is meghatározható.
Az infrakamera gyakorlati alkalmazása
A hőképek segítségével azonosítható jellegzetes hibákról bemutató példasorozat készül. Ezek a gyakorlati mérésekből vett példákkal a kamerák kezelését és használatát már tapasztalt személyektől a gyakorlatban is megismerhetik a hibaazonosítások módszereit. A gyakorlati oktatásban terepi mérésekkel és magyarázatokkal lehet segíteni a kellő gyakorlat megszerzésében.
A hőfényképes hiba diagnosztika alkalmazásának lehetőségei
A Műszaki Diagnosztika a műszaki meghibásodások folyamatával, és ezek műszeres mérésével, többek között a hibaprognózisok készítésével is foglalkozik. E témakörön belül kerül sor többek között a hőképek alapján azonosítható hibák értékelésére, illetve a hőképek alapján történő hibaprognózis készítés ismertetésére. Megjegyzendő az, hogy a hibaprognózis készítés mellett az ismeretek lehetőséget adnak a bekövetkezett műszaki meghibásodások, üzemzavarok, káresemények okainak utólagos meghatározására is, így pl. egyes tűzesetek okának szakértői vizsgálat alapján történő meghatározására.
A leírás a széles körben alkalmazott vizsgálati területből a felvonó meghibásodások témakörével foglalkozik, és konkrét, lefolytatott vizsgálatokból származó felvonóipari példák ismertetésére koncentrált.
Az első bemutatott példa egy felvonó vezérlőszekrényben elhelyezkedő, a felvonó motorját megtápláló áramkör mágnes kapcsolóját mutatja be a 4. ábra.
Felvonó vezérlőszekrényének fotója és termovíziós felvétele
4. ábra
A hagyományos nézeti és az ugyanazon területről készített infra kép alkotta képpáron jól azonosítható az, hogy a HSS jelzésű mágnes kapcsoló felső részén elsősorban a középső fázisban lévő bekötés, valamint a W jelű mágnes kapcsoló felső részén a jobb oldali fázisban a bekötési pont túlmelegedett. A hiba a két vezeték egyidejű csatlakoztatása során kialakult csökkent felület miatti megnövekedett átmeneti ellenállás helyi melegedését mutatja be. A kötéspontok nem voltak lazák!
A hibahely miatt a kötéspontban a felmelegedés a kötéspont, illetve a mágnes kapcsoló leégését eredményezheti. Ugyanakkor ennél az eredménynél súlyosabb következmény is előállhat, mivel az átmeneti ellenállás nem csak melegedést eredményez, hanem feszültségesést is, ami miatt a felvonó motor háromfázisú megtáplálásában esetleg jelentős aszimmetria állhat elő, amely tipikusan a motor leégéséhez is vezethet.
A megtáplálásban megfigyelhető áramfelvétel aszimmetria a három azonos biztosító eltérő áramfelvételéből, és az ezzel együtt járó eltérő melegedéséből is esetenként jól azonosítható. Ez a jelenség figyelhető meg a következő képpáron (5. ábra.)
Azonos biztosítékok eltérő áram felvételekkel
5. ábra
Az áramkörben kialakuló megnövekedett átmeneti ellenállás természetesen megfigyelhető minden laza kötéspont esetében, de jellemzően az esetek túlnyomó többségében nem maga a kötéspont lazulás, hanem a valamely ok miatt lecsökkent áramvezető keresztmetszet okozza a melegedést. Ez jól azonosítható egy szintén felvonó gépházbeli kábel saruzási pontjának nézeti és hőképe segítségével.
A 6. ábra hőképén igen jól azonosítható, hogy a melegedés epicentruma nem a csavarkötés pontban, hanem az egyik kábelen, a kábel végén a préselési pontban jelentkezik.
A kábelvég préselési pontjánál a legmelegebb
6. ábra
A következő példa egy budapesti irodaházban bekövetkezett tüzeset-esemény tűzoltóság számára elkészült vizsgálati jelentéséből származik.
Az épület teljes felújítása során beépítésre került összesen 12 db új, lényegében azonos típusú és gyártmányú felvonó. Az átadást követően alig több mint egy év elteltével a központi biztonsági rendszer az egyik felvonó üzemzavarát naplózta, egy olyan éjszakai időpontban, amikor az épületben személyforgalom órák óta nem is volt. A biztonsági őrök a jelzéssel különösebben nem törődtek, beavatkozást akkor nem tartottak szükségesnek, ezért azonnali intézkedésre nem is került sor. Mint-egy 20 perc elteltével ugyanakkor a gépházbeli füstérzékelő riasztó jelzésére a tűzoltóság is kivonult, és eloltotta a kigyulladt felvonó tülkét.
A kiégett lift fülkéje
7. ábra
A 7. ábra a kiégett lift fülkéről készült az oltás után. Hamar megállapítható volt az, hogy a tűz a fülke mennyezeti részén kialakított fénycsöves világítási rendszerből indult ki, amely éjszaka, forgalommentes állapotban is bekapcsolt volt. A lefolytatott szakértői vizsgálat során egyértelműen azonosítható volt az, hogy a tűz keletkezési helye az egyik fénycsőarmatúra gyújtójának túlmelegedése volt a 8. ábra képén is láthatóan.
Elégett armatúra gyújtó
8. ábra
A fénycsőgyújtó külső háza nem a tűz miatt olvadt meg, hanem a belső, áramköri érintkezőn átfolyó áram hőhatása miatt, amely jól láthatóan magát az üvegcső alkatelemet is megolvasztotta. Az a hőhatás, amely képes volt az üveget is megolvasztani, természetszerűen képes volt az indokolatlanul közel felszerelt plexi burkolóelemet is meggyújtani.
A kérdés mindezek után csak az volt, hogy a fénycsőgyújtó mi miatt károsodott. A jelenség rekonstrukciója a másik, azonos típusú felvonófülke vizsgálatával történt meg. A 9. ábra képpáron jól megfigyelhető a fénycső üzemi állapotában kialakuló melegedés. Ezen a képen a gyújtó melegedése nem azonosítható.
SI egységek előtagjai
9. ábra
Ugyanakkor a teljes mennyezeti világítási térben egy második jellegzetes hőforrás is azonosítható volt, a fojtók melegedése a 10. ábra segítségével.
Fojtók melegedése
10. ábra
A vizsgálat összesített eredményeként megállapítható volt az, hogy a mennyezeti térbe igen szűk helyre beépített hat darab fénycső hőteljesítménye miatt a légtér olyannyira felmelegedett, hogy az éjszakai órában megnövekedett feszültség miatt, valamint a fülkemozgás légárammal történő, valamint a fülke az ajtónyitások miatti szellőzés elmaradása miatt olyan mértékben túlmelegedett, hogy az már elérte a fénycsőgyújtó bimetál bekapcsolási hőmérséklet értékét, emiatt a rosszul záródó érintkezőjén átfolyó áram előidézte a túlmelegedést.
A jelenség típushibának volt minősíthető, amelyet a gyártó képviselői akkor nem fogadtak el. A bizonyíték ezt követően 9 nap múlva az épületbeli másik fülke hasonló körülmények között történő kiégésével automatikusan rendelkezésre állt. Ennek ellenére egyes szkeptikusok még mindig kételkedtek.
Az igény a többi felvonó infrakamerás ellenőrzésére szinte automatikusan megfogalmazódott, amelyet követően azonosításra került egy további lehetséges eseményt generáló hibahely, amelynek képe és infraképe a következő képpáron figyelhető meg.
A gépházbeli kábelbekötési ponton megfigyelt túlmelegedés az egyik fázisban már elérte a 88 °C értéket és idővel nyilvánvalóan várható volt a kérdéses pont és kábel begyulladása a 11. ábrán.
Egy adott bekötés túlmelegedése
11. ábra

| Önellenőrző kérdések
1. Lehet üvegen keresztül pontosan hőmérséletet mérni termovízióval?
| igen, átlát rajta
| az üvegtől függ
| nem
| bizonyos fényviszonyok esetén
2. Melyik mennyiséget mérjük ritkábban?
| idő
| hőmérséklet
3. Melyik a magasabb hőmérsékletű sugárzás?
| ultraibolya
| infravörös
4. Melyik a magasabb frekvenciájú sugárzás?
| infravörös
| utraibolya
5. Melyik látható fény hullámhossz tartományhoz van közelebb az ultraibolya?
| zöld
| sárga
| barna
6. Melyik fénynek 550 nm a hullámhossza?
| sárga
| kék
| vörös
| kék
7. Az érintés nélküli mérési módszer befolyásolja-e a mérendő tárgy hőmérsékletét?
| igen
| nem
| körülményektől függ
| egyik előző válasz sem
8. Szükséges-e a normál fénykép a termokép mellé?
| mérendő tárgytól függ
| igen
| nem
| a mért tárgy felületétől függ
9. Egy családi ház hőszigetelését mikor érdemes vizsgálni termovízióval?
| Télen este, éjjel
| Nyáron este, éjjel
| Nyáron nappal
| Télen napközben
10. Használható-e gyógyászati diagnózisra a termovízió?
| igen, gyulladások kimutatására
| nem
| nem elég pontos
| még nem dolgoztak ki eljárást a sugárzás miatt