Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Soudobá špičková termografická technika

číslo 1/2003

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. Obr. 1. Termografická technika, označovaná také jako termovize (Thermovision® a ThermovisionTM 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.

Obr. 2.

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. Obr. 3. 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).

Obr. 4.

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.

Obr. 5. Obr. 6. Obr. 7.

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.

Obr. 8. Obr. 9.

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 (ThermaCAMTM E2), druhým je velmi výkonný systém určený pro komplexní měření v terénu (ThermaCAMTM P60). Oba tyto systémy, stejně jako mnohé další (E1, EM, P10, P40, S40 a S60), zavedla firma FLIR do výroby v roce 2002.

ThermaCAMTM 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. ThermaCAMTM E2 – základní technické údaje

Detektor nechlazený FPA, rozlišení 160 × 120 bodů, obrazová frekvence 50/60 Hz
Spektrální citlivost 7,5 až 13 mm
Teplotní citlivost lepší než 0,12 °C při 25 °C
Zorné pole výměnné objektivy 25° × 19°, 12° × 9°, 45° × 36°
Rozsah měřených teplot –20 až +250 °C (s filtrem až +900 °C)
Přesnost ±2 °C nebo ±2 % z naměřené hodnoty ve stupních Celsia
Zobrazení 2,5" monitor typu LCD
Video výstup standardní RCA kompozitní PAL/NTSC
Rozsah provozních teplot –15 +45 °C
Doba uvedení do provozu asi 15 s
Hmotnost max. 0,7 kg (včetně baterie a objektivu 25°)
Krytí/nárazy/vibrace IP54/25 g/2 g
Baterie lithium-ion, doba chodu 1,5 h
Nastavování emisivita, palety, úroveň a rozsah, formát data, času, jazyk aj.
Laserový zaměřovač ano

ThermaCAMTM 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.

Obr. 10.

Pro tvorbu zpráv o měření včetně komplexního rozboru je nabízen program ThermaCAMTM 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. ThermaCAMTM P60 – základní technické údaje

Detektor nechlazený FPA, rozlišení 320 × 240 bodů, obrazová frekvence 50/60 Hz (neprokládaně)
Spektrální citlivost 7,5 až 13 mm
Teplotní citlivost lepší než 0,08 °C při 30 °C
Zorné pole osm výměnných objektivů od 50 mm close-up do 7° × 5,3°
Zaostřování ruční a/nebo automatické
Formát obrazů standardní JPEG se čtrnáctibitovým údajem a standardní (video) JPEG
Ukládání obrazu vyměnitelná karta flash
Zvukový záznam digitální, trvání do 30 s
Rozsah měřených teplot –40 až +500 °C (s filtrem až +2 000 °C)
Přesnost ±2 °C nebo ±2 % z naměřené hodnoty ve stupních Celsia
Měření (módy) až deset bodů a pět oblastí, profil, izotermy
Nastavování a korekce emisivita, odražená teplota, vzdálenost, teplota atmosféry, objektivy aj.
Zobrazení vestavěný hledáček a 4" monitor LCD na panelu dálkového ovládání
Video výstup RS 170 EIA/NTSC nebo CCIR/PAL, kompozitní a S-video
Video kamera vestavěná barevná, 640 × 480 bodů
Rozsah provozních teplot –15 až +45 °C
Doba uvedení do provozu asi 15 s
Hmotnost 2 kg (včetně baterie a panelu dálkového ovládání)
Krytí/nárazy/vibrace IP54/25 g/2 g
Rozhraní USB/RS-232, IrDA
Baterie lithium-ion, doba chodu 2 h
Laserový zaměřovač ano

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.

Obr. 11. Obr. 12.

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.

Literatura:

[1] FLIR Systems: Firemní literatura.

[2] DRASTICH, A.: Netelevizní zobrazovací systémy. Skriptum VUT Brno, 2001.

Inzerce zpět