Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Rôzne

Využitie termovízie v diagnostike sušiarní

23-10-2019
doc. Ing. Ivan Vitázek, CSc. | ivan.vitazek@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Pri pozberovej úprave sa využívajú moderné komplexné linky s vysokými výkonnosťami i časovým využitím. Najmä v jesennom období sú často v nepretržitej prevádzke a preto je vhodné mať možnosť jednoducho a pritom spoľahlivo bezkontaktnou kontrolou povrchových teplôt overiť stav zariadení. Tu nachádza uplatnenie termovízna technika.

Sušenie zrnín patrí v prípade zvýšenej vlhkosti (napr. kukurica na zrno) k najdôležitejším činnostiam pozberového spracovania a považuje sa za súčasť ich výrobného postupu. Na tomto mieste sa každoročne venujeme problematike čistenia, sušenia a skladovania zrnín a boli publikované príspevky zamerané na popis technológií sušenia a skladovania, na požadované technické vybavenie a bezpečnosť týchto zariadení, uvedené boli podmienky skladovania, požiadavky na prevádzku síl a manipuláciu so zrninami, zaoberali sme sa inováciami v konštrukcii a vybavení sušiarní a naposledy bola venovaná pozornosť teplotám pri sušení zrnín.

Sušenie zároveň patrí k energeticky náročným procesom a i ostatné zariadenia pozberového spracovania, skladovania a manipulácie zaťažujú energetickú bilanciu výrobcu, príp. spracovateľa. Pri činnosti týchto zariadení vzniká množstvo tepla (nie vždy užitočne), mení sa teplota jednotlivých uzlov a táto by mala byť v určitých medziach daných výrobcom. Nevhodná teplota (obyčajne vyššia) môže predznamenávať blížiacu sa poruchu, nesprávnu činnosť alebo neefektívnu prevádzku. Pri nadobúdacej cene moderných sušiarní spolu so skladovacími kapacitami a nákladoch na ich prevádzku je účelné venovať pozornosť práve možnosti jednoduchej kontroly povrchových teplôt vybraných komponentov pomocou termovízie.

V nasledujúcom texte budú stručne uvedené základné pojmy z oblasti termovízie a príklady jej využitia pri diagnostike vybraných komponentov sušiarní.

Základy termovízie

Ako prvý objavil infračervené žiarenie Sir Wilhelm Herschel už v roku 1800. Objavil ho experimentovaním s hranolom, ktorý dopadajúce svetlo rozložil na jednotlivé farby, teda časti elektromagnetického spektra. Pomocou obyčajného teplomera so začiernenou bankou potom odmeral teplotu jednotlivých farieb. Týmto spôsobom zistil postupný nárast teploty spektra od fialovej až po červenú a objavil, že pri umiestnení teplomera za viditeľné červené spektrum je bod maxima teploty pomerne ďaleko od červenej farby. Toto pásmo dnes nazývame „infračervené pásmo“. Danou problematikou sa zaoberali i ďalší vedci. Prvý termografický systém bol vyrobený až v roku 1964 (švédska firma AGA - dnes FLIR Systems).

Termovízia umožňuje bezdotykové meranie teploty na povrchu daného objektu. Je to metóda snímania tepelného žiarenia objektov v infračervenej oblasti elektromagnetického spektra. Všetky objekty, ktorých teplota je vyššia od absolútnej nuly (-273,15 °C), vyžarujú infračervené žiarenie. Termovízia umožňuje plošné meranie povrchovej teploty objektov na väčšie vzdialenosti. S úspechom sa používa všade tam, kde využitie tejto technológie je účelné.

Termografia je nedeštruktívna metóda založená na zobrazení a vyhodnotení tepelného poľa povrchu daného objektu. Zobrazenie tepelného poľa sa nazýva termogram. Termografia sa delí na pasívnu a aktívnu. Aktívna termografia je založená na riadenej stimulácií tepelnej vlny v telese, následným snímaním rozloženej teploty termografickou kamerou na povrchu telesa a analýzou signálu. V súčasnej dobe je termografia veľmi obľúbenou technikou, ktorá prevádza vyžarované infračervené žiarenie povrchu meraného objektu na obrazový signál. Signál sa zobrazuje na displeji v rade farebných odtieňov znázorňujúcich určitý teplotný rozsah.

Termogram je vlastne snímka, ktorá zobrazuje teplotné polia získané termokamerou. Termovízne snímky znázorňujú teploty priradením farebnej palety rôznym teplotám. Jednu snímku je možné zobraziť v rôznych farebných paletách, a tým zvýrazniť rôzne miesta na snímke. Termovízne snímky môžu byť rádiometrické a nerádiometrické.

Emisivita povrchu je číslo z intervalu od 0 do 1 a je to pomer energie vyžarovanej objektom pri jeho danej teplote k energii vyžarovanej ideálnym čiernym telesom pri rovnakej teplote. Absolútne čierne teleso má emisivitu 1,0. Svetlejšie a lesklejšie telesá majú emisivitu blížiacu sa k 0. Pre správne meranie je nutné priradiť zodpovedajúcu hodnotu emisivity k jednotlivým materiálom. Na nastavenie emisivity meraného objektu existujú rôzne metódy.

Najjednoduchšie je vyhľadať emisivitu veľmi často používaných materiálov v príslušných tabuľkách. Tabuľky emisivity tiež pomáhajú správne nájsť pásmo vlnových dĺžok pre daný materiál a tým zvoliť správny merací prístroj. Hlavne v prípade kovov by sa hodnoty v týchto tabuľkách mali používať iba orientačne, pretože povrchové podmienky, ako napr. leštenie, alebo naopak zaoxidované a znečistené povrchy môžu ovplyvniť emisivitu viac než materiály samy o sebe. Tak napr. hliník silne oxidovaný má emisivitu 0,2 (93 °C), hliník vysoko leštený 0,09 (100°C); meď leštená 0,03 (40 °C), meď oxidovaná 0,76 (130 °C). Emisivita sa mení i s teplotou (preto je uvedená teplota v zátvorke, pri ktorej bola určená emisivita; uvádza sa pri vyšších nárokoch na presnosť merania). Emisivita závisí teda okrem základného materiálu a stavu povrchu aj od teploty a ďalej od uhlu pohľadu a vlnovej dĺžky. Aj z tohto dôvodu nájdeme pre ten istý materiál niekedy aj značne odlišné hodnoty emisivity.

V súčasnej dobe vyrábané termovízne systémy umožňujú bežne zobraziť teplotné polia na povrchu meraného objektu v rozsahu teplôt -20 °C až 2000 °C. Pri teplotnom rozlíšení okolo 0,1 °C a viac (závisí od teploty meraného objektu), aby termovízny systém mohol zobraziť teplotné pole od uvedených nízkych teplôt, musí spĺňať určité vlastnosti a musí obsahovať také komponenty a časti, aby dané teplotné pole bol schopný registrovať, tzv. ,,vidieť“.

Prevažná väčšina termovíznych systémov sa skladá z 3 nasledujúcich modulov:

  1. Modul optiky:
    • zameriava žiarenie na IČ detektor,
    • prevádza optický rozklad (vodorovný a zvislý),
    • obsahuje referencie teploty;
  2. Modul detektora:
    • prevádza žiarenie na elektrický signál
  3. Elektronika a softvér:
    • prevádza analógový signál detektora na digitálny,
    • prevádza signál na teplotu,
    • vytvára obraz,
    • užívateľské funkcie.

Rozlíšenie detektora je u najlacnejších kamier asi 80×80 obrazových bodov a v špičkových termokamerách až 1024×1024 bodov. Pri hodnotení veľkosti plochy detektora je potrebné mať na pamäti, že dvojnásobný rozmer detektora znamená štvornásobnú plochu snímky, a tým aj štvornásobný počet obrazových bodov. Ďalším dôležitým parametrom je teplotná citlivosť, ktorá u dobrých kamier môže dosahovať až 50 mK (rozlíši rozdiel teplôt od 0,05 °C). Vybavenejšie termokamery ponúkajú prelínanie termogramu a bežnej fotografie do jednej snímky, a to ako vo výreze (obraz v obraze), tak aj podľa určeného rozsahu teplôt teplotného poľa (napr. červenou možno zobraziť miesta s poruchou).

Bezdotykové meranie teploty - pri bezdotykovom meraní teploty sa využíva vyžarovanie v infračervenej oblasti žiarenia meraného telesa. V rozsahu teplôt od - 40 °C vyššie vyžaruje každý predmet infračervené žiarenie s vlnovou dĺžkou od 0,8 do 30 μm. Prístroje, ktoré určujú teplotu vyhodnotením tepelného žiarenia, sa nazývajú pyrometre. Využívajú rovnaký princíp (infračervené žiarenie) na snímanie teploty ako termovízne systémy. Odlišujú sa však tým, že snímajú len jeden optický bod, ktorého veľkosť je závislá od optických vlastností daného pyrometra. Bezkontaktné teplomery nachádzajú uplatnenie

hlavne v prevádzkach, kde je treba urobiť jednoduchú revíziu daného zariadenia za plnej prevádzky (ručné pyrometre) alebo trvalé sledovanie teplôt spolu so záznamom do externého PC alebo zapisovača (stacionárne pyrometre). Prevažná väčšina týchto pyrometrov je vybavená laserovým zameriavačom pre jednoduché zacielenie meraného objektu. Potom stačí len na displeji prístroja, alebo na monitore PC, prečítať meranú hodnotu. Aj tu je potrebné dodržiavať určité zásady a postupy pre dosiahnutie spoľahlivých výsledkov.

Oblasti využitia termovízie v technike sušenia

Ako už bolo uvedené, sušiarne predstavujú významný spotrebič tepla, sú najviac tepelne namáhané a rôzne časti sušiarne vykazujú rôzne teploty. Dosahovať parametre deklarované výrobcom je možné pri dodržaní uvádzaných podmienok (vonkajšie parametre – najmä teplota a vlhkosť okolitého vzduchu), dodržaním technologického predpisu (teplota sušiaceho prostredia, teplota materiálu, výstupná vlhkosť usušeného materiálu) a dobrým technickým stavom sušiarne. Tu na rýchlu diagnostiku jednotlivých komponentov sušiarne je možné s výhodou použiť práve termovíziu. Jedná sa o rýchle určenie teplôt, resp. diagnostiku jednotlivých prvkov v elektrorozvádzačoch, v ovládacích skriniach s elektronikou, teploty ventilátorov a elektromotorov, príp. teplotu plynových armatúr a povrchové teploty pracovných častí.

Obr. 1 a 2

Obr. 1: Termogram elektrorozvádzača

Obr. 2: Termogram panelu s elektronikou

Obr. 3 a 4

Obr. 3: Termogram ventilátora
(s vyznačením max. teploty)

Obr. 4: Termogram elektromotora

Obr. 5 a 6

Obr. 5: Termogram plynovej armatúry

Obr. 6: Reálny obrázok plynovej armatúry

Uvedené príklady využitia termogramov pre rýchle posúdenie stavu vybraných zariadení vyžadujú príslušné technické vybavenie a zaškolenú obsluhu. Každoročne sú organizované semináre, kde špecializované firmy ponúkajú okrem poradenstva aj zaškolenie. V ponuke sú rôzne termokamery čo do technického vybavenia, tak i rôznej cenovej úrovne a od rôznychvýrobcov. Prehľad v tejto oblasti je možné získať napr. na strojárskom veľtrhu (Nitra, Brno). Pre posudzované tepelné zariadenia a komponenty považujeme za vhodné zariadenie s rozsahom teplôt do 1200 oC (napr. kontrola zdroja tepla) a rozlíšením detektora 320×240 pixelov (kontrola vonkajších plôch). Pre bežné posúdenie povrchovej teploty postačuje i jednoduchšie zariadenie. Nám sa osvedčila napr. termokamera Flir T-335. Okrem toho musí byť nastavená správna emisivita pre skúmaný povrch (ktorý je cieľom skúmania), musíme poznať teplotu a vlhkosť okolitého vzduchu, vzdialenosť od meraného objektu a v niektorých prípadoch je dôležitá aj tzv. odrazená zdanlivá teplota. Základné informácie získame z displeja prístroja (nastaviť je možné napr. buď bod alebo oblasť merania a ďalšie pokročilé nastavenia), pre archiváciu a bližšie skúmanie je potrebné snímky z termokamery spracovať pomocou dodávaného programu od výrobcu termokamery. Tu je možné dodatočne, okrem iného, upresniť hodnoty emisivity pre rôzne povrchy (na jednom termograme je obyčajne viac rôznych povrchov) a získať tak presnejšie výsledky. Takto získané termogramy je možné použiť na zhodnotenie stavu posudzovaného zariadenia, celku alebo súčiastky a spracovať protokol z merania s komentárom.

Obr. 7

Obr. 7: Termokamera Flir T-335

Dodržanie správneho postupu merania je z hľadiska relevantných záverov z merania celkom zásadné. Nie je však možné popísať nejaký obecne platný správny postup, pretože ten závisí od meraného objektu a podmienok merania, ako napr. teploty okolia, vlhkosti vzduchu, intenzity prúdenia vzduchu, prítomnosti výrazných tepelných žiaričov v mieste merania a pod. Vhodne vyškolená a prípadne i skúsená obsluha je preto vítaná. Pre bežnú diagnostiku však postačujú základné poznatky pre obsluhu zariadenia a vyhodnotenie získaných informácií.

Výrobcovia sušiarenskej techniky venujú pozornosť inováciám v oblasti konštrukcie zariadení, technológie sušenia, regulácie a ovládania s využitím súčasných trendov diaľkového pripojenia a taktiež možnostiam využitia dostupných zdrojov tepla v danej lokalite. Prevádzkovateľ by mal zabezpečiť prevádzku zariadení pri plnej funkčnosti a energetickej a ekonomickej výhodnosti. Na jednoduchú a rýchlu diagnostiku môže využiť i dostupnú termovíznu techniku.

Termografia sa dnes využíva v mnohých oblastiach, nielen v technike. Ceny zariadení (pyrometre, termokamery) sú už dostupné a v porovnaní s cenou pozberovej linky nepredstavujú významnú položku. Ako bolo uvedené, nastavenie termokamery vyžaduje určité vedomosti, ale výpovednosť a rýchlosť výsledkov zo získaných termogramov umožňuje posúdiť stav zariadenia bez prerušenia prevádzky a včas diagnostikovať možnosť vzniku prípadnej poruchy alebo chodu zariadenia mimo prevádzkových hodnôt. Ak zvážime výkonnosti sušiarní, zvýšené náklady na energie pri nesprávnej prevádzke, ceny náhradných dielov a servisu, náklady na vlastnú a rýchlu diagnostiku nemusia byť neopodstatnené.