Thermografie
Een technologie in dienst van preventief onderhoud

Thermografie met behulp van infrarood camera’s is een snel populair geworden hulpmiddel bij preventief onderhoud in de industrie. De apparatuur is niet nieuw, maar de systemen waren duur en omvangrijk, en er waren forse koel- en voedingssystemen nodig. Alleen deskundigen konden de gegevensstroom uit deze apparatuur analyseren. Dankzij de ontwikkeling van nieuwe technologieën is thermografie veel gebruiksvriendelijker geworden, waardoor het toepassingsgebied sterk is vergroot.

Mechanische en elektrische onderdelen hebben de neiging warmer te worden naarmate de fysieke toestand of elektrische eigenschappen teruglopen. Met infrarood camera’s kunnen deze temperatuurverhogingen gedecteerd worden als voorbode van een dreigend defect. Als de juiste plaats van defecten in industriële installaties, krachtcentrales of onderstations bekend is, kunnen preventieve reparaties volgens schema worden uitgevoerd en onnodige en kostbare stroomuitval of grote storingen worden voorkomen.

Conventioneel
Infrarood camera’s maken gebruik van speciaal ontwikkelde sensoren die voor het menselijk oog onzichtbare straling detecteren en omzetten in een zichtbaar beeld. Het infrarode beeld bestaat uit verschillende grijsgradaties die de temperatuurverschillen weergeven of uit pseudo-kleuren, die nader geanalyseerd moeten worden. In het verleden maakten conventionele IR systemen gebruik van één enkele IR sensor met een opto-mechanisch scanmechanisme om het beeld op te bouwen. Het scanmechanisme bouwde het thermische beeld pixel na pixel op als een mozaïek. De mechanische scanapparatuur maakte het systeem groot, zwaar en energieverslindend. Het oplossend vermogen was laag (slechte beeldkwaliteit) omdat de infrarood sensor slechts kortstondig de straling opving van een punt in het blikveld van de scanner.

Focal Plane Array
Nieuwe technologieën voor infrarood systemen hebben de afmetingen en het gewicht van de camera’s gereduceerd en de prestaties en het bedieningsgemak vergroot. Deze zogenaamde "Focal Plane Array" (FPA) technologie brengt thermografie voor preventief onderhoud nu binnen het bereik van nagenoeg iedere industrie.
De "Focal Plane Array" detector bestaat uit een matrix van afzonderlijke IR sensoren (scanners zijn overbodig). Iedere IR sensor "kijkt" naar een punt in het blikveld van de lens. Een gebruikelijk systeem heeft een detector met een matrix van 256 x 256 pixels, met in totaal dus meer dan 65.000 infrarood sensoren. Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de scannende systemen met slechts één sensor element.

ThermaCAM
De komst van snelle microprocessors maakte het mogelijk de grote hoeveelheid gegevens uit FPA camera’s real time te analyseren. De analyseresultaten zijn gemakkelijk te interpreteren. Een volgende stap voorwaarts waren microcoolers, zodat de IR sensoren niet langer met vloeibare stikstof gekoeld hoefden te worden en de afmetingen en het gewicht van de camera konden worden teruggebracht.
De combinatie van deze nieuwe mogelijkheden resulteerde in hoogwaardige thermografische camera’s die in één hand passen. Ze zijn inderdaad net zo klein geworden als de bekende Handy Cam video camera’s.
ThermaCAM systemen leveren beelden met een zeer hoge resolutie. Dit is niet alleen te danken aan een grotere ruimtelijke resolutie, maar ook aan een hogere gevoeligheid. Hierdoor is de camera in staat om kleine en ver afgelegen hotspots te detecteren. Vage, onscherpe thermische beelden, zoals geproduceerd door verouderde scannende systemen, met veelvuldige misinterpretaties als gevolg, behoren definitief tot het verleden. Het passende vermogen van het ThermaCAM FPA systeem is vergelijkbaar met dat van conventionele videobeelden.

Bedieningsvoordelen
Naast het lokaliseren van oververhitte onderdelen, de zogenaamde "hot-spots", genereert de nieuwe generatie camera’s meteen diagnostische informatie. Hoewel het voorheen mogelijk was om een hot-spot in een bepaald gebied te identificeren, was het toch vaak moeilijk om nauwkeurig de exacte plaats van het oververhitte onderdeel op te sporen. Met de nieuwe generatie IR-camera’s kan zelfs een onervaren technicus de juiste plaats van een mogelijk probleem lokaliseren.
FPA camera’s bevatten moderne, energiezuinige componenten zoals ASIC’s (Application Specific Integrated Circuits), de microcooler en LCD zoekers die het energieverbruik van een compleet thermografisch camerasysteem terug brengen tot minder dan 11 Watt. De camera’s kunnen dan ook werken op standaard camcorder accu’s. Geïntegreerde geforceerde luchtkoeling is niet meer nodig, wat niet alleen minder gewicht betekent, maar ook minder kans op stof en andere vervuiling in het camerasysteem. De camera’s zijn spatwaterdicht (IP54).
De kleuren LCDE zoeker, die de oudere beeldbuissystemen heeft vervangen, is minder gevoelig voor vervorming van het beeld op plaatsen met sterke elektromagnetische velden.
Met een kleurenzoeker kan een technicus ter plaatse eenvoudig analyses uitvoeren. Een infrarood beeld is in principe altijd zwart/wit. Door het gebruik van pseudo-kleuren paletten, waarbij een kleur overeenstemt met een bepaalde temperatuur, worden de beelden eenvoudig te interpreteren. Eén van de meest gebruikte manieren om hot-spots te detecteren is met behulp van het "drempel" kleuren pallet. Alle punten in het zichtveld van de camera die warmer zijn dan een ingestelde temperatuur worden felrood weergegeven. Een technicus krijgt zo de hot-spots in oplichtend rood tegen een zwart/wit achtergrond te zien.

Onbegrensde toepassingen
Thermografische instrumenten worden veelvuldig ingezet bij de inspectie van elektrische apparatuur. Defecte verbindingen, vuile, gecorrodeerde of slechte contacten dissiperen warmte. In hoogspanningsystemen of in installaties voor hoogvermogen elektriciteitsdistributie, kunnen defecte onderdelen ernstige schade en verwondingen veroorzaken. Nog voor het eigenlijke defect optreedt, vermindert de efficiency van het systeem omdat energie wordt omgezet in warmteverliezen.
De nieuwe FPA camera’s kunnen temperatuurverschillen van 0,07°C waarnemen. In elektrische systemen gaan storingen vaak gepaard met temperatuurstijgingen van meer dan 50°C. Infrarood camera’s kunnen deze problemen detecteren, ruim voordat echte storingen ontstaan. Omdat kwantitatieve infraroodcamera’s de temperatuur van afzonderlijke componenten met grote nauwkeurigheid kunnen meten, kunnen reparaties zorgvuldig worden gepland.
Met de hoge beeldkwaliteit van moderne radiometrische systemen kunnen zelfs ongelijkmatige belastingen in multifase elektrische installaties worden aangetoond. Een buitensporig warmteverlies in één van de fases vormt een indicatie van een ongelijkmatige belasting.
Hoewel de thermografische inspectie van kritische industriële, elektrische apparatuur belangrijke informatie oplevert voor het preventief onderhoud ervan, zijn er veel meer gebieden waarop deze inspectiemethode kan worden ingezet. Mechanische systemen waaronder lagers, motoren, compressoren en andere apparatuur kunnen worden onderzocht op mogelijke gebreken. De meeste mechanische systemen worden warmer als de smering onvoldoende is of bij overbelasting. Ook hier kan thermografie warmteverliezen in een vroeg stadium opsporen, voordat er onherstelbare schade ontstaat.
Thermografische analyses zoals die met de Inframtrics ThermaCAM™ uitgevoerd kunnen worden, vormen een niet destructieve analyse methode in aanvulling op trillingsanalyse, onderzoek met X-stralen, ultrasoon, enz. Radiometrie heeft als grote voordeel ten opzichte van deze andere methoden voor preventief onderzoek dat de metingen snel en contactloos – dus veiliger – uitgeboerd kunnen worden.

Digitale opslag
Moderne FPA camera’s maken gebruik van recente ontwikkelingen voor de digitale opslag van meetgegevens. Oudere camera’s hebben een 3,5 inch floppydrive voor de opslag van beelden. Deze verbruiken niet alleen veel stroom, maar zijn tevens storinggevoelig en langzaam. FPA systemen met PCMCIA "ImageBANK" geheugenkaarten kunnen zeer snel beelden opslaan en oproepen. Digitale geheugenkaarten hebben minder tijd nodig voor het opslaan van gegevens, hebben een grotere opslagcapaciteit (tot 40 megabyte, wat overeenkomt met 256 infrarood beelden) en kunnen met standaard PC’s, laptops of draagbare computers worden gebruikt. Gedigitaliseerde beelden kunnen zo met specifiek voor de markt voor preventief onderhoud ontwikkelde software tot in detail worden geanalyseerd. Deze programma’s zijn gemakkelijk in gebruik en werken onder Windows 3.1 of Windows 95. Met het Windows OLE2 protocol kunnen snel inspectierapporten worden samengesteld en afgedrukt.
Infrarood beelden van hetzelfde onderdeel, opgenomen op verschillende tijdstippen, kunnen met elkaar vergeleken en geanalyseerd worden om het temperatuurverloop van deze componenten te bestuderen. Met trend analyse kunnen programma’s voor echt preventief onderhoud worden opgesteld; typische "temperatuur mijlpalen" bepalen de acties. Elektrische en mechanische onderdelen kunnen vervangen of hersteld worden voor zij het begeven en het productieproces stilvalt. Het hoeft geen betoog dat hierdoor belangrijke besparingen te realiseren zijn.
Met het voortschrijden van de technologie zijn IR-camera’s voor een steeds grotere groep gebruikers waardevol gebleken. Dat is vooral te danken aan de nieuwe generatie Focal Plane Array IR-systemen, die kleiner, lichter en gemakkelijker te gebruiken en nu ook economische haalbaar zijn.
Thermografie is onbetwist een onmisbaar hulpmiddel geworden bij preventief onderhoud.
H.L.

Thermographie
Une technologie au service de l'entretien préventif

La thermographie à l'aide de caméras infrarouges est devenue un moyen d'entretien préventif particulièrement populaire dans l'industrie. Cet équipement n'est pas nouveau mais les systèmes étaient coûteux et volumineux, nécessitant de considérables systèmes de refroidissement et d'alimentation. Seuls les experts étaient capables d'analyser le flux de données provenant de cet appareillage. Grâce au développement de nouvelles technologies, la thermographie est devenue nettement plus facile à l'utilisation, augmentant ainsi considérablement le domaine d'application.

Les composants mécaniques et électriques ont tendance à chauffer au fur et à mesure que l'état physique ou les caractéristiques électriques diminuent. Les caméras infrarouges permettent de détecter ces augmentations de température comme signe précurseur d'une panne menaçante. Lorsque l'endroit exact d'une panne est connue dans une installation industrielle, dans une centrale électrique ou dans une sous-station, on peut procéder à des réparations préventives selon un schéma établi et éviter ainsi une interruption de courant très coûteuse ou de graves défaillances.

Conventionnel
Les caméras infrarouges ont recours à des capteurs spécialement développés qui détectent des rayonnements invisibles à l'œil humain et qui les transforment en une image visible. L'image infrarouge comprend différentes gradations de gris qui représentent les différences de température ou alors des pseudo couleurs qui doivent être analysées plus en détails. Par le passé, les systèmes IR conventionnels utilisaient un seul capteur IR, pourvu d'un mécanisme de scanning opto-mécanique, destiné à former l'image. Le mécanisme de scanning construisait l'image thermique pixel par pixel, comme une mosaïque. L'appareillage mécanique de scanning rendait le système volumineux, lourd et particulièrement gourmand en énergie. La résolution était faible (mauvaise qualité d'image) parce que le capteur infrarouge ne captait le rayonnement que pendant un bref instant à partir d'un certain point dans le champ de vision du scanner.

Focal Plane Array
Les nouvelles technologies pour systèmes infrarouges ont réduit les dimensions et le poids des caméras tout en augmentant les prestations et la facilité de maniement. La technologie appelée "Focal Plane Array" (FPA) place la thermographie pour entretien préventif à la portée de quasi n'importe quelle industrie.
Le détecteur "Focal Plane Array" comprend une matrice de différents capteurs IR (les scanners sont inutiles). Chaque capteur IR "observe" un point dans le champ de vision de l'objectif. Un système courant dispose d'un détecteur muni d'une matrice de 256 x 256 pixels, comprenant donc au total plus de 65.000 capteurs infrarouges. Il s'agit là d'une amélioration considérable par rapport aux systèmes scannant ne disposant que d'un seul élément de captage.

ThermaCAM
L'arrivée de microprocesseurs rapides a permis l'analyse en temps réel de l'immense quantité de données en provenance des caméras FPA. L'interprétation des résultats d'analyse devient facile. L'autre progrès considérable est venu des micro refroidisseurs. Grâce à leur intégration, on n'est plus dans l'obligation d'avoir recours à l'azote liquide pour le refroidissement des capteurs IR et les dimensions ainsi que le poids de la caméra ont pu ainsi être considérablement réduits.
La combinaison de ces nouvelles possibilités a débouché sur la mise au point de caméras thermographiques de qualité supérieure, maniables d'une seule main. Elles sont finalement devenues aussi petites et maniables que les célèbres caméras vidéo Handy Cam.
Les systèmes ThermaCAM fournissent des images d'une résolution remarquable. Ceci n'est pas uniquement dû à une résolution spatiale nettement supérieure mais également à une sensibilité accrue. Grâce à cela, la caméra est désormais en mesure de détecter des points d'émission de chaleur de petites dimensions et à grande distance. Les images thermiques floues et estompées, telles qu'elles étaient produites par les scanners dépassés, donnant lieu à de nombreuses interprétations fautives, appartiennent définitivement au passé. Le pouvoir d'ajustement du système FPA ThermaCAM est comparable à celui des images vidéo conventionnelles.

Avantages en terme de maniement
En plus de la localisation de composants surchauffés, qu'on appelle les "hot-spots", la nouvelle génération de caméras génère simultanément des informations diagnostiques. Bien qu'il était possible auparavant d'identifier un hot-spot dans une certaine région, il était souvent difficile de localiser avec précision l'endroit exact où se situait le composant surchauffé. Grâce à la nouvelle génération de caméras IR, même un technicien inexpérimenté est en mesure de localiser l'endroit précis d'un problème possible.
Les caméras FPA comprennent des composants modernes et économes en terme d'énergie, tels que les ASIC (Application Specific Integrated Circuits), le micro refroidisseur et les viseurs LCD qui réduisent la consommation énergétique d'un système complet de caméra thermographique à moins de 11 Watts. Les caméras peuvent dès lors fonctionner à l'aide d'accus standards de caméscope. Un refroidissement intégré et forcé par air n'est plus nécessaire ce qui ne se traduit pas uniquement par une diminution du poids mais qui réduit également le risque de pénétration de poussière ou toute autre matière polluante dans la caméra. Les caméras sont également étanches aux éclaboussures (IP54).
Le viseur LCDE en couleurs, qui a remplacé les anciens systèmes de tubes cathodiques, est moins sensible à la déformation de l'image aux endroits où existent de puissants champs électromagnétiques.
Un viseur en couleurs permet au technicien d'effectuer sur place de simples analyses. En principe, une image infrarouge est toujours reproduite en noir et blanc. L'utilisation de palettes de pseudo couleurs, dans lesquelles une couleur correspond à une certaine température, permet l'interprétation facile des images. L'une des méthodes les plus couramment utilisées de détection des hot-spots est celle qui a recours à la palette de couleurs de "seuil". Tous les points situés dans le champ de vision de la caméra et qui ont une température plus élevée que le seuil établi au niveau de la température sont reproduits en rouge vif. Le technicien aperçoit ainsi les hot-spots en rouge lumineux contre un fond en noir et blanc.

Applications illimitées
Les instruments termographiques sont souvent utilisés pour l'inspection des appareillages électriques. Les connexions défaillantes et les contacts sales, corrodés ou défectueux dissipent de la chaleur. Dans les systèmes à haute tension, destinés à la distribution d'électricité à puissance élevée, les composants défectueux peuvent causer de sérieux dommages et même des blessures. Avant même que n'apparaisse la panne réelle, l'efficacité du système chute parce que l'énergie est transformée en pertes calorifiques.
Les nouvelles caméras FPA peuvent détecter des différences de température de 0,07°C. Dans les systèmes électriques, les dysfonctionnements s'accompagnent souvent d'élévations de température de plus de 50°C. Les caméras infrarouges sont capables de détecter de tels problèmes, bien avant l'apparition de réelles perturbations. Comme les caméras infrarouges quantitatives sont à même de mesurer avec une grande précision la température de différents composants, les réparations pourront être soigneusement planifiées.
L'excellente qualité des images qu'offrent les systèmes radiométriques modernes peut même indiquer des chargements inégaux dans les installations électriques à phases multiples. Une perte calorifique excessive dans l'une des phases représente une indication d'un chargement inégal.
Bien que l'inspection thermographique d'appareillages électriques industriels et critiques fournisse des informations importantes en vue de leur entretien préventif, il existe de nombreux autres domaines dans lesquels cette méthode d'inspection pourra être mise en œuvre.

Stockage digital
Les caméras FPA modernes ont recours aux plus récents développements concernant le stockage digital des données de mesure. Les caméras plus anciennes disposent d'un drive pour disquettes "floppy" de 3,5 pouces pour le stockage des images. Ces drives ne sont pas seulement particulièrement gourmands au niveau de la consommation de courant mais ils sont en outre très sensibles aux perturbations et lents. Les systèmes FPA disposent de cartes de mémoire PCMCIA "ImageBANK", qui sont capables de stocker et d'appeler très rapidement les images. Les cartes digitales de mémoire nécessitent moins de temps pour le stockage des images, disposent d'une capacité de stockage plus importante (pouvant atteindre 40 mégabits, ce qui correspond à 256 images infrarouges) et peuvent être utilisées avec des PC standards, des PC laptop ou des ordinateurs portables. Les images digitalisées peuvent être ainsi analysées en détail au moyen de logiciels, spécifiquement développés pour le marché de l'entretien préventif. Ces programmes sont d'une utilisation très facile et tournent sous Windows 3.1 ou Windows 95. Le protocole Windows OLE2 permet l'élaboration et l'impression rapides des rapports d'inspection.
Les progrès technologiques réalisés ont fait apparaître un groupe toujours croissant d'utilisateurs potentiels des caméras IR, tout ceci grâce à la nouvelle génération de systèmes IR Focal Plane Array, qui sont devenus plus petits, plus légers et plus maniables, tout en étant plus abordables sur le plan économique.

La thermographie est incontestablement devenue un outil indispensable pour l'entretien préventif.

H.L.