Soudobá špičková termografická technika

Soudobá špičková termografická technika

Termografická technika a její využití zaznamenaly zvláště v poslední době velký rozmach, především díky dosažené technické úrovni i její poměrné dostupnosti. Termografická technika, označovaná také jako termovize (Thermovision^® a Thermovision^TM jsou registrovaná a ochranná známka firmy FLIR Systems), často zkráceně také THV, se používá v mnoha oborech lidské činnosti, od lékařství, přes technické obory až po vojenství, a to při řešení úloh spojených s výzkumem a vývojem, diagnostikou, kontrolou výrobních procesů atd. V příspěvku zaměřeném na „civilní“ termografické systémy jsou spolu se současnými principy používanými v termografické technice stručně představeny dva vybrané výrobky firmy FLIR Systems.

FLIR Systems – přední světový výrobce termovizních systémů

Když v roce 1965 představila švédská firma AGA Infrared Systems první průmyslově použitelný termografický systém AGA Thermovision® 665, byl to v podstatě začátek využívání termografické techniky mimo vojenské aplikace, a to v široké oblasti použití v energetice, v různých průmyslových odvětvích, petrochemii, stavebnictví, výzkumu, v lékařství atd. Po uvedení prvního termografického systému na trh se tato technika, i díky vývoji nových mikroelektronických prvků a komponent, velmi rychle rozvíjela. V současnosti je termografická technika využívána v mnoha oborech lidské činnosti a je nabízena různými výrobci.

Největší světový výrobce těchto systémů, firma FLIR Systems (dále jen FLIR; firma vznikla spojením tří dříve konkurenčních firem Agema, Inframetrics a FSI), nyní nabízí termografické systémy v několika různých provedeních, včetně systémů určených pro prediktivní diagnostiku, pro výzkum a vývoj, pro sledování a řízení technologických procesů apod. Technika pro vyjmenované oblasti použití je vyráběna v různých typech, které se liší nejen technickými specifikacemi, ale i cenou. Záměrem tohoto příspěvku je představit poslední technologie, které firma FLIR používá při výrobě termografické techniky určené především pro prediktivní údržbu a kontrolu (technika je označována jako PM – Predictive Mantenance, a nově jen P), pro výzkum a vývoj (označení SC – Scientific, nově S) a pro monitorování stavu strojů a zařízení (ThermoVision Alert). Systémy SC (S) jsou v podstatě systémy PM (P) doplněné digitálním výstupem. Umožňují záznam s následnou analýzou tepelných obrazů (termogramů), běžně zaznamenávaných s frekvencí 50 Hz/60 Hz, některými systémy až 750 Hz.

Činnost obecného termografického systému

Informace o zobrazovaném objektu a prostředí, kterým je obklopen – pozadí a atmosféra popsaná jako primární parametrické pole (ppp), jehož vlastnosti se mohou měnit v prostoru a čase –, je systémem zobrazujícím infračervené záření (infračervený systém) rozložena na jednotlivé elementární plošky a v určitém časovém intervalu zobrazena jako tepelný obraz – termogram. Podle způsobu rozkladu ppp v prostoru a čase se termografické systémy využívající rozklad dělí na systémy s úplným rozkladem (skenovací systémy – viz obr. 1 a obr. 2) či s částečným rozkladem (skenování v řádku nebo sloupci). Systémy s úplným ani s částečným rozkladem firma FLIR již nevyrábí. Jinou možností, jak získat termogram, je použít systém bez rozkladu vstupní informace (neskenovací systémy, systémy s mozaikovým detektorem – viz obr. 3 a obr. 4).

Rychlost, s jakou systém dokáže transformovat ppp na jeho obraz (termogram), rozděluje termografické systémy na tzv. rychlé, pracující v „reálném čase“ (obrazová frekvence u systémů firmy FLIR je 50 (PAL)/60 Hz (NTSC), a pomalé (obrazovou frekvenci představují jednotky či méně obrazů za sekundu). Rychlost vzorkování obrazového toku je u infračervených systémů dána časovou konstantou detektoru a konstrukcí kamery a u systémů používajících optickomechanický rozklad také mechanickými vlastnostmi rozkládacího mechanismu.

Rychlé systémy jsou někdy v literatuře označovány jako systémy FLIR (Forward Looking Infra-Red).

Základním prvkem termografického systému je detektor, resp. infradetektor. Detektory používané v současné době lze přibližně rozdělit na:

• fotonové (nejčastěji se používají fotokonduktivní detektory – fotoodpory a fotovoltaické detektory – fotodiody), které radiační tok objektu mění přímo na elektrický signál; tyto detektory jsou chlazené (většinou je používán uzavřený Stirlingův chladič),

• tepelné, v nichž radiační tok vyvolává změnu teploty a změna teploty změnu odporu, která se poté vyhodnocuje; tepelné detektory nevyžadují chlazení,

• feroelektrické a pyroelektické, u nichž změny radiačního toku způsobují změny kapacity detektoru; detektory sice nevyžadují chlazení, ale zato je nutná optická modulace vstupní informace a obecně jde o detektory nevhodné pro radiometrické účely (měření teplot),

• chlazené fotokonduktivní detektory QWIP (Quantum Well Infrared Photon), v současnosti již s mozaikou až 640 × 480 obrazových bodů (pixel).

Termografické systémy FLIR

Firma FLIR vyrábí termografické (dále jen THV) systémy ve dvou základních řadách s označením:

• SW (Short Wave) se spektrální citlivostí 3,5 až 5 mm,
• LW (Long Wave) se spektrální citlivostí 7,5 až 13 mm, popř. 8 až 9 mm.

Systémy THV firmy FLIR jsou osazeny detektory v mozaikovém uspořádání (Focal Play Array – FPA) s obrazovou frekvencí 50/60 Hz (PAL/NTSC). V kamerách řady SW se používají chlazené platinokřemíkové (PtSi) detektory FPA s rozlišením 256 × 256 obrazových bodů, v kamerách řady LW nechlazené mikrobolometrické detektory FPA s rozlišením 160 × 120 nebo detektory dnes již čtvrté generace s rozlišením 320 × 240 obrazových bodů. V kamerách řady LW se spektrální citlivostí 8 až 9 mm se používají chlazené detektory FPA QWIP. Teplotní citlivost systémů THV řady SW při teplotě 30 °C je menší než 0,07 °C a měřicí rozsah je –10 až +2 000 °C. Teplotní citlivost některých systémů THV řady LW s nechlazenými detektory (320 × 240 obrazových bodů) je menší než 0,08 °C při měřicím rozsahu –40 až +2 000 °C. Teplotní citlivost systémů THV řady LW s chlazeným detektorem FPA QWIP je 0,02 °C při měřicím rozsahu –20 až +2 000 °C.

Jak již bylo uvedeno, systémy THV jsou konstruovány pro různá použití a vyrábějí se v mnoha typech. Vzhledem k rozsahu příspěvku byly ze široké nabídky firmy FLIR vybrány a jsou dále podrobněji popsány dva radiometrické systémy THV s nechlazeným detektorem FPA určené pro prediktivní kontrolu. Jeden z nich lze charakterizovat jako systém určený pro rychlé a snadné použití (ThermaCAM^TM E2), druhým je velmi výkonný systém určený pro komplexní měření v terénu (ThermaCAM^TM P60). Oba tyto systémy, stejně jako mnohé další (E1, EM, P10, P40, S40 a S60), zavedla firma FLIR do výroby v roce 2002.

ThermaCAM^TM E2
ThermaCAM E2 (obr. 5) je v současné době nejmenší (a pravděpodobně i nejlevnější) systém THV s nechlazeným mikrobolometrickým detektorem FPA s rozlišením 160 × 120 obrazových bodů, jenž je určen především pro měření v terénu. Jeho vybrané technické charakteristiky jsou uvedeny v tab. 1. Některé detaily a způsob použití této kamery TMV jsou ukázány na obrázcích (obr. 6 až obr. 7).

Tab. 1. ThermaCAM^TM E2 – základní technické údaje

ThermaCAM^TM P60
ThermaCAM P60 (obr. 8, obr. 9) je velmi výkonný radiometrický systém THV s nechlazeným mikrobolometrickým detektorem FPA čtvrté generace s rozlišením 320 × 240 obrazových bodů určený, obdobně jako ThermaCAM E2, především pro měření v terénu (obr. 10). Základní technické údaje ThermaCAM P60 jsou uvedeny v tab. 2. V případě potřeby je možné nejen vykonat základní změření teplot či oteplení přímo „v terénu“, ale také měření následně vyhodnotit, včetně zpracování příslušné zprávy pomocí již připraveného softwaru.

Pro tvorbu zpráv o měření včetně komplexního rozboru je nabízen program ThermaCAM^TM Reporter se zabudovaným modulem průvodce procesem tvorby zprávy (wizard), který umožňuje pro různé případy vytvářet vlastní specifické šablony. Tento vyhodnocovací software nabízí rozsáhlé samostatné vyhodnocení termogramů s využitím až 141 měřicích funkcí (až 99 bodů, až dvaceti oblastí v podobě libovolných n-úhelníků, až dvaceti různých profilů a dvě různé izotermy). U všech měřicích funkcí je možné měnit tzv. parametry (emisivita a koeficient transmise atmosféry). Je-li termogram doplněn zvukovým záznamem, lze si každý záznam v programu Reporter přehrát a při tvorbě zprávy připojit ke každému termogramu poznámky namluvené operátorem během měření.

Využití systémů THV FLIR ThermaCAMTM

Jak již bylo uvedeno, systémy THV se používají v mnoha oblastech lidské činnosti. Obecně nejčastěji se v celosvětovém měřítku používají v energetice. Prvním systémem THV používaným v československé energetice byl výrobek AGA Thermovision 680. Tento systém s opticko-mechanickým rozkladem byl využíván od roku 1970 především pro měření na rozvodech (zejména v rozvodnách vn, vvn a zvn) elektrické energie. Do konce roku 2002 byly jen do ČR dovezeny desítky systémů THV s mozaikovým detektorem (dnes od firmy FLIR), z nichž většina je používána organizacemi zabývající se výrobou a rozvodem elektrické energie (nejsou započítány systémy, které nepoužívaly mozaikový detektor, tj. systémy řady 700, 800 a 400). Kamery ThermaCAM jsou používány při práci na venkovních vedeních i ve venkovních a vnitřních rozvodnách. Vzhledem k velkému optickému i teplotnímu rozlišení použitého detektoru jsou tyto systémy vhodné také pro měření na větší vzdálenosti, jako např. na prvcích a komponentách rozvodu elektrické energie (svorky, spojky, kontakty apod.), pro kontrolu chladičů transformátorů a izolátorových řetězců i pro kontrolu magnetických obvodů točivých strojů atd. Využití může být mnohostranné a záleží pouze na obsluze daného systému THV ThermaCAM, k čemu všemu ho použije.

Tab. 2. ThermaCAM^TM P60 – základní technické údaje

Závěr

Cílem příspěvku bylo přiblížit novou moderní termografickou techniku firmy FLIR Systems. Omezený rozsah článku umožnil podrobněji představit pouze dva ruční systémy určené pro měření v terénu.

V samotném závěru je třeba také připomenout, že termografie obecně je disciplína, ve které je důležitým předpokladem úspěchu v podobě správného výsledku měření nejen dokonalá technika, ale i nezbytná znalost obecných principů a zákonů (např. problematiky záření černého tělesa, zákonů Kirchhoffova, Planckova, Stefanova-Bolzmannova apod.) i samotného řešeného problému či aplikace termografické techniky na řešení daného problému.

Ing. Jiří Svoboda,
TMV SS spol. s r. o.