Jak kamery na podczerwień (IR) pomagają w monitorowaniu stanu (CM)?

Kamera termograficzna (kamera na podczerwień lub kamera termiczna) wykorzystuje promieniowanie podczerwone do wykrywania obiektów.

Obrazowanie w podczerwieni odgrywa istotną funkcję w konserwacji predykcyjnej. Kamery monitorują maszyny i urządzenia w celu stworzenia obrazów termicznych, które ujawniają punkty problematyczne. Te punkty problematyczne pomagają wykryć miejsca przyszłych awarii, przegrzania, uszkodzenia maszyny lub urządzenia oraz źródło możliwych obrażeń personelu. Naprawy lub konserwacje mogą być wykonywane w najbezpieczniejszym i najbardziej opłacalnym momencie.

Niezbędnym warunkiem bezpiecznego działania każdej instalacji elektrycznej jest właściwy dobór urządzeń. Konserwacja takich urządzeń musi być zgodna z ustalonymi parametrami w zakresie odprowadzania ciepła we wszystkich trybach pracy oraz łączących je części przewodzących prąd. Wymiana ciepła odbywa się również w instalacjach elektrycznych z obszarów ciepłych do zimnych na trzy sposoby: przez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie.

System termowizyjny / kamera na podczerwień

Każdy obiekt emituje energię w podczerwieni, którą określa się mianem sygnatury cieplnej. Ta energia w podczerwieni jest mierzona i wykrywana przez kamerę na podczerwień (IR) lub kamerę termowizyjną. Kamera przetwarza te dane w podczerwieni na elektroniczny obraz przedstawiający pozorną temperaturę powierzchni mierzonego obiektu. Kamera termowizyjna posiada układ optyczny, który skupia energię w podczerwieni na specjalnym układzie detektora (matrycy) składającym się z tysięcy ułożonych w siatkę pikseli detektora. Sygnał elektroniczny powstaje, gdy każdy piksel w matrycy reaguje na skupioną na nim energię podczerwieni. Jednostka przetwarzająca kamery pobiera sygnał z każdego piksela i stosuje algorytm matematyczny, aby stworzyć kolorową mapę (termograf) temperatury pozornej mierzonego obiektu. Każdej wartości temperatury przypisany jest inny kolor i powstaje matryca kolorów. Matryca ta jest przesyłana do jednostki pamięci kamery, która wyświetla termografię obiektu (obraz termiczny), jak pokazano na Rysunku 1.

Rysunek 1:  System termowizyjny (kamera na podczerwień)

Scenariusz zastosowań kamer na podczerwień do monitorowania stanu

Wykrywając anomalie często niewidoczne gołym okiem, termografia pozwala na podjęcie działań naprawczych zanim dojdzie do kosztownych awarii systemu. Istnieje nieskończenie wiele przypadków zastosowania kamer termowizyjnych w obszarze konserwacji predykcyjnej; niektóre z nich to konserwacja elektryczna i mechaniczna, usługi komunalne i utrata energii. Poniżej przedstawiono kilka wyzwań stojących przed scenariuszem aplikacji przemysłowych.

• Inspekcje instalacji niskiego napięcia:  Inspekcje elektryczne wymagają kamer na podczerwień. Luźne połączenia elektryczne zwiększają opór prądu prowadząc do wzrostu temperatury. W rezultacie komponenty mogą ulec awarii, co prowadzi do nieplanowanych przestojów i obrażeń. Ponadto sprawność sieci elektrycznej maleje przed awarią; w związku z tym energia jest tracona poprzez wytwarzanie ciepła, co prowadzi do niepotrzebnych strat, jak pokazano poniżej.



Rysunek 2(a): Słabe połączenie i wewnętrzne uszkodzenie   (b) uszkodzenie wewnętrznego bezpiecznika

• Inspekcje instalacji wysokiego napięcia:  Kamery na podczerwień są rutynowo stosowane do monitorowania transformatorów energetycznych. Temperatury żeberek chłodzących i połączeń wysokiego napięcia mogą być porównywane, aby można było podjąć działania naprawcze zanim pojawią się poważne problemy. Wyłączniki, przełącznikii linie wysokiego napięcia należą do innych instalacji wysokiego napięcia, które są sprawdzane za pomocą kamery na podczerwień. Obrazowanie w podczerwieni pozwoli zidentyfikować potencjalne obszary problemowe, jak widać na poniższym rysunku.



Rysunek 3(a): Nieprawidłowo zabezpieczone połączenie   (b) kontrola linii wysokiego napięcia

• Konserwacja mechaniczna:  Większość branż produkcyjnych wykorzystuje urządzenia statyczne i obrotowe o krytycznym znaczeniu, które służą jako szkielet operacji; są to na przykład: silniki, rozruszniki, przenośniki, systemy montażowe itp. Dane termograficzne uzupełniają badania wibracyjne w monitoringu urządzeń mechanicznych.



Rysunek 4(a): Podejrzany wałek   (b) przegrzany silnik

Integracja termografii podczerwonej z monitorowaniem stanu

W przypadku wykrywania usterek za pomocą kamery termowizyjnej na podczerwień, poniżej przedstawiono algorytm skanowania monitoringu w podczerwieni dla całego procesu skanowania sprzętu. Skanowanie w podczerwieni jest częścią zintegrowanego systemu monitorowania stanu technicznego, wykorzystującego inne technologie do kompleksowego monitorowania stanu technicznego.

W zależności od potrzeb, proces skanowania maszyny lub urządzenia może być skonfigurowany w ustalonych wcześniej odstępach czasu. Po rozpoczęciu procesu skanowania porównuje on obrazy termiczne zdefiniowanego celu z obrazem bazowym sprzętu w celu wykrycia anomalii termicznych w systemie. Jeśli nie zostanie stwierdzone żadne odchylenie, proces ponownego skanowania rozpoczyna się po określonym przez użytkownika przedziale czasu. Jeśli podczas procesu skanowania zostanie zauważona anomalia, przechodzi się do następnej fazy w celu oceny problemu przy użyciu oprogramowania termowizyjnego IR. Proces diagnozowania rozpoczyna się od określenia charakteru problemu; po jego znalezieniu problem jest porównywany z priorytetem ustalonym przez planistę utrzymania ruchu na liście ważności i alarmów. Jeśli problem jest drastyczny i nieadekwatny, rozwiązanie generuje raport IR dla efektywnego obszaru obiektu docelowego ze wszystkimi niezbędnymi szczegółami gradientu temperatury i wzorcami termicznymi do szczegółowego zbadania i naprawy i dostarcza planiście utrzymania ruchu w celu podjęcia niezbędnych działań naprawczych w tej fazie diagnostycznej.

Rysunek 5: Proces skanowania monitorującego w podczerwieni dla sprzętu

Rysunek 6: Typowe elementy systemu termowizyjnego stosowane w monitorowaniu stanu technicznego

Jeśli charakter problemu nie ma wysokiego priorytetu, jest on dodawany do stosu oczekujących na ponowne skanowanie. W przypadku stwierdzenia anomalii, ale też braku identyfikacji problemu, przeprowadza dalsze badania, stosując testy wibracyjne i ultradźwiękowe sprzętu.