Newsletter

Aktualne wydanie

okładka11 2014

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

Współpraca

 00 RT Jub-Ban 160x600 Glaswelt Polen

 

Foto-galerie

Wydanie Specjalne

 

  20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

  

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

Nowe e-produkty

  

mozliwosci SS 205x285

 

  

20141212zycenia swiateczne3

 

 

Termografia w podczerwieni w hutniczym przemyśle szklarskim

Termografia jest nazwą naukową techniki rejestracji obrazów, polegającej na detekcji promieniowania w paśmie podczerwieni i w efekcie zamianie tego promieniowania na obraz widzialny. 

Dzięki temu możemy obserwować i oceniać rozkład temperatur oraz ich wartości na zewnętrznej powierzchni badanego obiektu.

 

Zasady pomiaru termograficznego
    Nazwą stosowaną potocznie jest „termowizja”, która, inaczej mówiąc, polega na mierzeniu fal elektromagnetycznych, emitowanych przez ciała o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego. Zatem każdy obiekt, którego temperatura jest większa od 0 K jest źródłem promieniowania podczerwonego oznaczonego w skrócie „IR” (infrared).



    Badania termowizyjne wykonuje się przy użyciu kamer termowizyjnych. Kamera termowizyjna to urządzenie elektroniczne przetwarzające widmo niewidzialnego promieniowania podczerwonego z powierzchni odległych obiektów w odpowiednie sygnały elektryczne przetwarzane następnie na sygnały wizualne. W pomiarach termowizyjnych wykorzystuje się zatem podstawowe prawa, parametry i zjawiska fizyczne takie jak: ciepło, temperatura, emisyjność, energia, widmo promieniowania, prawo Plancka i prawo Stefana-Boltzmanna. Poniżej omówiono niektóre z nich.



Ciepło
    W większości przypadków część zamienionej pracy zostaje zamieniona na ciepło.



    Następnie zaczyna się proces wyrównywania temperatury w danym układzie. Ciepło przekazywane jest ośrodkom o niższej temperaturze drogami:
- przewodnictwa (wewnątrz ciała),
- konwekcji (unoszenie ciepła, swobodne i wymuszone),
- promieniowania cieplnego.



Temperatura
    Jest umowną wielkością fizyczną skalarną, charakteryzującą stan równowagi termodynamicznej. Umowności tej dowodzi występowanie skal empirycznych: Celsjusza, Fahrenheita, a także skal bezwzględnych: Kelwina, pomiędzy którymi występują poniższe zależności:



    W technikach termografii brak jest jakiegokolwiek oddziaływania układu odbiorczego na powierzchnię, brak jest bowiem między nimi kontaktu cieplnego. Jednak interpretacja wyników pomiaru uwzględnić musi cechy promienne powierzchni, otoczenia, ośrodka przenoszenia promieniowania oraz cechy urządzenia odbiorczego. Jedną z nich jest emisyjność.


Współczynnik emisyjności
    Jest istotnym parametrem mającym wpływ na wynik pomiaru termograficznego. Związany jest bowiem ściśle ze stanem powierzchni badanego obiektu. Dla ciała doskonale czarnego emisyjność wynosi zawsze 1. Oznacza to, że ciało takie pochłania całą energię, nie odbija jej ani też jej nie przepuszcza.



    W rzeczywistości obiekty odbiegają od tego modelu, dlatego przy pomiarach należy uwzględnić tą odchyłkę poprzez wprowadzenie współczynnika emisyjności. Jego wartość określa możliwość wysyłania promieniowania IR przez dane ciało.



Prawa promieniowania termografii w podczerwieni

Widmo promieniowania

    Materia świata w sposób nieprzerwany wysyła i pochłania promieniowanie elektromagnetyczne. Termicznemu wzbudzeniu przejść elektronów towarzyszy wysyłanie kwantowanej energii w postaci fotonów. Energia „W” takiego promieniowania zależy od długości fali promieniowania i może być opisana równaniem:



W którym:
h = 6.63 x 10-23 [Js] – Stała Plancka
c = 3 x 108 [m/s] – prędkość światła
λ [m] – długość fali





Fale podczerwone „IR”: 0,76 µm ÷ 1000 µm
Termografia wykorzystuje zakres: 2 µm ÷ 13 µm



Prawo Plancka

    Pozwala wyznaczyć widmowy rozkład monochromatycznej emitancji promienistej ciała czarnego. Dla każdej długości fali emitowana energia wzrasta wraz ze wzrostem temperatury (wiec także emitowane jest promieniowanie z obszaru widzialnego). Z obniżeniem temperatury zakres widma odpowiadający maksymalnej emisji energii przesuwa się w kierunku fal dłuższych (oko ludzkie dopasowane jest do odbioru promieniowania słonecznego – źródła bardzo wysokotemperaturowego bo ok. 6000 K, a maksimum energii promieniowane jest w paśmie: 0,4 ÷ 0,8 µm).



Prawo Stefana-Boltzmanna
    Określa zależność pomiędzy emitancją promienistą do półprzestrzeni ciała czarnego a temperaturą bezwzględną.



gdzie:
σ = 5,6693 x 10-8 [Wm-2K-4] – Stała Stefana Boltzmanna



Elementy kamery termowizyjnej

Układ optyczny podczerwieni

- zwierciadlany (układ luster skracających obiektyw przy zachowaniu drogi światła równej ogniskowej),
- refrakcyjny (układ soczewek zwierciadeł pryzmatów płytek płasko-równoległych),
- mieszany (kompilacja powyższych).



Detektory promieniowania IR

    Detektor jest urządzeniem zamieniającym promieniowanie podczerwone na wielkość fizyczną. W kamerze termowizyjnej detektory tworzą najczęściej matrycę liniową lub prostokątną, która przetwarza promieniowanie podczerwone na mapę temperatury.



    Detektory promieniowania mogą być wykonane z następujących materiałów: kadmowy tellurek, antymonek indu, krzemki platyny, selenek ołowiu, siarczek ołowiu. Matryce chłodzone są najczęściej: ciekłym azotem lub termoelektrycznie.



    Uzyskanie ekstremalnych wykrywalności małych różnic energii sygnałów promiennych wiąże się z potrzebą minimalizacji szumów własnych detektora. W tym celu konieczne jest znaczne obniżenie jego temperatury. Stosowane są trzy typy układów chłodziarek:
- otwarte, napełniane ciekłym azotem,
- kriogeniczne zamknięte,
- termoelektryczne.



    Obecnie wprowadza się matryce bolometryczne, niewymagające chłodzenia, a tylko stabilizacji temperatury.



Metody prowadzenia obserwacji przy użyciu kamer termowizyjnych

    Badania termowizyjne należą do metod nieniszczących i bezkontaktowych. Przy ich wykonywaniu należy uwzględniać następujące parametry:
- orientację badanego obiektu względem stron świata,
- nasłonecznienie,
- odległość kamery od badanego obiektu,
- temperaturę otoczenia,
- cechy promienne obiektu (współczynnik emisyjności).



    Monitoring termowizyjny znajduje zastosowanie w przemysłach hutniczych (metalurgicznym, szklarskim), budownictwie, elektroenergetyce, elektronice, motoryzacji, przemyśle zbrojeniowym i medycynie.



Przykłady zastosowań w hutniczym przemyśle szklarskim

    Fot. 1 i termogramy 1A i 1B przedstawiają sklepienie pieca do topienia szkła gospodarczego pokrytego materiałem izolacyjnym i odpowiadający mu obraz termograficzny fragmentu sklepienia wykonany w dwóch zakresach pomiarowych: 75°C÷200°C i 195.1°C÷350°C. Badanie miało na celu ocenę stanu technicznego izolacji termicznej w aspekcie lokalnych defektów i uszkodzeń materiałów ogniotrwałych sklepienia pieca. Komputerowa obróbka obrazu termograficznego pozwoliła na wyznaczenie wartości temperatur w analizowanych obszarach.

 

 

   Na fot. 2 i termogramie 2 przedstawiono obraz sklepienia pieca do topienia szkła stosowanego do produkcji włókien szklanych. Sklepienie pieca pokryto arkuszami blachy stalowej. Wykonany obraz termograficzny pozwala na ocenę jakości połączeń arkuszy, a wyznaczone temperatury, dostarczają informacji na temat stanu cieplnego sklepienia.

 

 
 

    W taki sam sposób można dokonywać pomiaru rozkładu temperatury w innych interesujących nas obszarach. Poniższy termogram 3 obrazuje dno pieca do topienia szkła gospodarczego z rozkładem temperatur na jego powierzchni zewnętrznej.



    Badanie takie ma często na celu analizę stanu technicznego dna oraz ewentualną ocenę zagrożenia wycieku stopionej masy szklanej, wynikającą z korozji materiałów ogniotrwałych.



    Piec do topienia szkła przeznaczonego do produkcji fryty szklanej (fot. 3) oraz metoda frytowania szkła do postaci fryty ceramicznej (fot. 4) polegająca na wylewaniu stopionego szkła pomiędzy dwa walce chłodzone wodą. Obraz termograficzny strugi stopionego szkła przedstawia termogram 5. Monitoring stopionej masy szklanej pomaga dobierać odpowiednie parametry i kontrolować procesy technologiczne wytopu i frytowania.

 

 

 
 

    Główna zaletą termografii jest to, że należy ona do metod badawczych nieniszczących. Dzięki niej można wykrywać wady i defekty materiałowe, dokonywać oceny procesów cieplnych statycznych i dynamicznych bez konieczności zatrzymywania produkcji, maszyn, urządzeń, co w przypadku przemysłu szklarskiego niesie ze sobą wymierne korzyści.

 

Najczęściej pomiary prowadzi się rejestrując termogramy ścian bocznych pieców szklarskich w miejscach najbardziej zagrożonych, tj. na poziomie i powyżej lustra szkła, gdzie agresywne działanie stopionej masy szklanej na materiały ogniotrwałe jest największe. Na granicy styku trzech ośrodków, tj. bloków materiałów ogniotrwałych, lustra szkła i atmosfery pieca, korozja materiałów ogniotrwałych jest największa. Skutkuje to ich ubytkiem w tym obszarze, a tym samym postępującym zmniejszeniem grubości bloków ogniotrwałych. W wyniku tego, uzyskane obrazy termograficzne dostarczają informacji, które pozwalają przedsięwziąć odpowiednie działania zapobiegawcze.

 

 
 
 

    Oprócz tego badaniom poddaje się również inne fragmenty pieca, takie jak sklepienie, ściany boczne, przepust i dno. Badanie dna pieca pozwala uzyskać rozkład temperatury na jego całej zewnętrznej powierzchni, zlokalizować obszary lokalnych przegrzań i dokonać czynności zapobiegających wystąpieniu awarii. Z praktyki bowiem znane są przypadki wycieku stopionej masy szklanej, które niejednokrotnie były powodem pożarów, dotkliwych poparzeń i zranień.



    Dlatego też, doceniając zalety płynące ze stosowania kamer termowizyjnych, wiele przedsiębiorstw zaopatruje się w ten drogi sprzęt diagnostyczny, a metody badań stają się bardziej powszechne i znajdują coraz szersze zastosowania.

 

Tomasz Zduniewicz
ISCMOiB
Oddział Szkła w Krakowie
 
patrz też: 
- Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 6 , Józef Osiadły,  Świat Szkła 5/2010
Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 5 , Józef Osiadły , Świat Szkła 12/2009
- Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 4 , Józef Osiadły, Świat Szkła 10/2009   
- Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 3 , Józef Osiadły, Świat Szkła 9/2009     
- Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 2 , Józef Osiadły,  Świat Szkła 6/2009        
- Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 1 , Józef Osiadły,  Świat Szkła 5/2009  
 

patrz też numer specjalny: Termowizja w przemyśle szklarskim i budownictwie

 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
   
 
więcej informacji: Świat Szkła 6/2008
 
 

 

 

part em

Wydawca:

part chik part omii part ss logo 212x50 mg part tr

Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Prywatności Cookies. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce internetowej.

Aby zaakceptowac pliki cookies z tej storny oraz ukryć ten komunikat kliknij: