Принципы и методы построения датчиков, приборов и систем
УДК 620.179.13
ПРИМЕНЕНИЯ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМОГРАФИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ, СТРОИТЕЛЬСТВЕ И МЕДИЦИНЕ. (Опыт Томского политехнического университета)
В.П. Вавилов, Е.В. Вавилова, В.Г. Демин, Д.В. Попов, В.В. Ширяев
Инфракрасная (ИК) термография объединяет метод и технические средства для дистанционного экспрессного измерения температуры и представления данных в виде черно-белых, цветных и цифровых изображений. Различают два основных применения ИК термографии в промышленности: не-разрушающий контроль; техническая диагностика и контроль технологических процессов. В настоящей обзорной статье описаны результаты многолетних исследований коллектива лаборатории И К термографии Томского НИИ интроскопии в области технической диагностики промышленных объектов, обследования жилых зданий и дымовых труб, а также медицинской диагностики.
ВВЕДЕНИЕ
Техническая диагностика наряду с военной техникой и медициной была одной из первых практических сфер приложения ИК термографии. В англоязычной технической литературе, относящейся к области технической диагностики, используют два термина: "predictive maintenance" и "condition monitoring", что с некоторой натяжкой можно перевести как "техническое обслуживание с прогнозированием" и "исследование технологических установок и процессов". Применительно к ИК термографии это означает анализ температурных (тепловых) распределений на поверхности объектов контроля и принятие решения об их работоспособности. Внедрению ИК термографии способствовали: значительные температурные контрасты, которые возникают на поверхности функционирующих печей, трубопроводов, химических реакторов, энергонаг-руженных установок и т. п.; стационарный характер температурных распределений; интенсивные усилия шведской фирмы AGEMA Infrared Systems (сейчас инкорпорирована в фирму FSI, США).
В НИИ интроскопии Томского политехнического университета исследования по ИК термографии были начаты в 1971 г. Основное внимание уделялось так называемым специальным задачам, а также активному тепловому контролю дефектов в слоистых структурах авиакосмического назначения.
В области активного теплового контроля выполнены основополагающие исследования по тепловой дефектометрии на базе динамической тепловой томографии, предложенной в НИИ интроскопии в 1986 г. [1]. В настоящее время метод тепловой томографии признан ведущими зарубежными исследователями в Канаде, США и Италии и широко применяется при неразрушаю щем контроле композиционных материалов, в частности, углепластика [2—4]. В расчете на зарубежных потребителей коллектив лаборатории ИК термографии НИИ интроскопии переориентировался на создание передового ПО с использованием современной компьютерной техники. Ряд компьютерных программ ("Thermo-Calc-2D", "ThermoCalc-3D", "Ther-midge", "Multilayer", "ThermoStat") поставлены в США, Индию, Финляндию, Германию и Италию.
В новых экономических условиях с уменьшением госбюджетного и хоздоговорного финансирования в военной области все большее внимание стало уделяться областям практического применения ИК термографии в российской промышленности.
В библиографии к данной статье приведены работы сотрудников лаборатории И К термографии НИИ интроскопии, в которых отражены ключевые моменты выполненных многолетних исследований, в том
числе в кооперации с зарубежными соавторами [5—18].
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВИЗОРЫ
Инфракрасную термографическую съемку производят с помощью тепловизоров. Тепловизор есть устройство, предназначенное для регистрации теплового излучения, как правило, в диапазоне 1,5...14 мкм в виде термоизображений (термограмм), которые могут воспроизводиться на стандартном мониторе или накапливаться в цифровой форме. В течение длительного времени основным отличием тепловизоров от телевизионных систем было то, что большинство практических тепловизионных систем использовали одиночный приемник излучения и систему оптико-механического сканирования для развертки пространства. В последние годы с внедрением мозаичных детекторов болометрического типа или на базе квантовых ловушек появились коммерческие тепловизоры, аналогичные по принципу действия телевизионным системам видимого диапазона. Это позволило поднять на новый уровень концепцию спект-розонального исследования объектов в широком диапазоне электромагнитного излучения, включая видимый, ближний и средний ИК спектральные участки.
Тепловизоры подразделяют на две большие группы: 1) измерительные (radiometric) приборы, ряд из
26
Sensors & Systems • № 7.2001
которых сертифицирован Госстандартом РФ и допущен к применению в качестве средств измерения радиационной температуры; 2) показывающие (imaging) приборы, в которых амплитуда отображаемого на мониторе сигнала не связана однозначно с температурой исследуемых объектов. Стоимость приборов первого типа — 18 ООО...100 ООО долл. США, тогда как цена показывающих тепловизоров колеблется от 6000 до 25 000 долл. Показывающие системы пригодны для технической диагностики многих объектов, однако для решения всего круга возникающих задач необходимо измерение абсолютных температур, т. е. использование измерительных тепловизоров.
В бывшем СССР наиболее массовыми были тепловизоры сер. ТВ-03 и "Радуга". В последние годы разработаны новые типы отечественных тепловизоров, например, прибор ИРТИС-200. Однако, по нашим оценкам технические показатели отечественных тепловизоров по-прежнему отстают от аналогичных зарубежных приборов на 10— 15 лет. Основными недостатками отечественных тепловизоров являются: необходимость охлаждения приемника излучения, поскольку практически отсутствуют отечественные неохлаждаемые матрицы, а экспорт передовых западных детекторов ИК излучения затруднен необходимостью наличия экспортной лицензии; низкие метрологические свойства (не решена проблема стабилизации параметров при изменяющейся температуре окружающей среды).
Выставка зарубежных тепловизоров ежегодно проводится на конференции "АэроСенс" в г. Флорида, США. Основной тенденцией 2000 г. была дальнейшая миниатюризация показывающих тепловизоров. В частности, появился тепло-визионный сканер, стыкуемый со стандартной цифровой видеокамерой, что позволило по желанию оператора получать попеременно изображения в видимом или И К диапазонах на одном мониторе. Приборы такого типа наиболее востребованы в военном деле. В области портативных промышленных тепловизоров наиболее известным производителем является фирма FSI (США) со своей перспективной моделью ThemiaCam-595 (прототип этой модели — прибор Themiovi-sion-570 — используется в НИИ интроскопии).
Обобщенные параметры современного портативного тепловизора следующие:
• диапазон измерения температур: -20...+2000 °С;
• температурная чувствительность ~ 0,1 °С;
• спектральный диапазон: 7... 14 мкм;
• основная погрешность (по черному телу) 1%;
• рабочие температуры: —15... + 50 °С;
• формат кадра 320x240 элементов, что соответствует наиболее популярному болометрическому мозаичному детектору; в показывающих тепловизорах уже применяют матрицы 1024x1024 элементов);
• степень цифровой дискретизации сигнала 12...14 бит;
• система записи термограмм: на PCMCI карту памяти (до 1000 изображений);
• масса 2...3 кг;
• питание автономное, от стандартных аккумуляторов.
ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Функционирующие токоведу-щие элементы сложных электротехнических установок всегда имеют температуру выше температуры окружающей среды вследствие действия закона Джоуля-Ленца. Участки аномально высокого электрического сопротивления из-за повышенного энерговыделения характеризуются дополнительным перепадом температуры, который, по сути, является индикатором качества функционирования соответствующего узла. С появлением тепловизоров стала возможной 100% диагностика электрических подстанций (открытых и закрытых распредустройств), линий электропередач, электрических генераторов и других установок.
В мировой практике разработан ряд температурных критериев отбраковки токонесущих элементов по перегреву локальных зон. Наиболее часто используют рекомендации Международной электротехнической комиссии, бывшей фирмы AGEMA Infrared Systems (ныне FSI), а также рекомендации ряда американских организаций (института Ln-fraspection Institute, фирмы John Snell и др.) [19, 20]. В обобщенном виде эти рекомендации сводятся к следующему: узел, имеющий перегрев менее чем на 5 °С по сравнению с окружающей средой (в ряде
случаев по сравнению с соседними электронагруженными участками), может считаться бездефектным; перегрев от 5 до 30 °С означает необходимость дальнейшего наблюдения; перегрев более 30 °С соответствует предаварийной ситуации.
В НИИ интроскопии выполнены работы по инспекции городских электрических подстанций, подстанций ГЭС, а также тяговых железнодорожных подстанций. Различие в напряжении и степени загрузки вносит определенные коррективы в оценку качества узлов. Можно отметить, что в лучшем техническом состоянии находятся тяговые подстанции. Тем не менее, даже здесь первый тепловизионный осмотр позволяет выявить 1...5 перегревов, относящихся к предаварийным.
В настоящее время в РАО " ЕЭС России" разработаны нормативные документы, определяющие порядок и периодичность испытаний электрооборудования тепловизионным методом. Широкое внедрение метода сдерживается нежеланием энергосистем приобретать дорогостоящие тепловизоры, экономический эффект от внедрения которых просчитывается с трудом. Здесь имеет место "вечная" проблема технической диагностики, состоящая в том, что затраты на приобретение дорогостоящего оборудования одномоментны и детерминированы, а возможные аварии носят статистический характер. В то же время, снижение расходов на обслуживание и ремонт оборудования в условиях относительно низкой заработной платы персонала делает срок окупаемости тепловизора достаточно длительным (3—4 года).
Пример И К термограммы дефектного узла ОРУ тяговой подстанции показан на рис. 1. Дефект обнаруживается в виде зоны белого
26 11 89 41
Рис. 1. Перегретый контакт ОРУ тяговой подстанции
Рис. 3. Инфракрасная термограмма
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.