Профессиональные рекомендации по использованию тепловизоров для проверки резервуаров и емкостей

Рис. 1. Проверка уровней в резервуаре.

Как правило, в промышленности для определения количества продукта, находящегося в резервуаре, используют индикаторы уровня. Почему во многих случаях для этой же задачи также применяют тепловизоры (ИК-камеры)? Причина – многочисленные неприятные случаи. Бывали случаи неверных показаний датчика уровня, которые приводили либо к неожиданному исчерпанию продукта, либо, что еще хуже, к переполнению резервуара, считавшегося пустым. Как говорил бывший президент Р. Рейган: «Доверяй, но проверяй». Типичные термограммы кажутся похожими на рентгеновские снимки – они показывают содержимое резервуара и предоставляют сведения для количественной оценки находящегося внутри материала. Конечно же, рентгеновские лучи тут ни при чем. Вместо этого изображения показывают видимые разности температур.

Применив знания материалов и физики к разностям температур, видимым с помощью тепловизора, пользователи могут сделать вывод об уровне жидкости в резервуарах. Из-за человеческого дедуктивного элемента достоверность результатов осмотра зависит от личных знаний и требуемого типа результата. На фотографии резервуарной станции ясно виден уровень жидкости внутри резервуаров. Это становится возможным благодаря тому, что резервуар содержит два различных вещества: жидкость и воздух над жидкостью.

Указания по применению

Рис. 2. ИК-изображение резервуарной станции, показывающее уровень жидкости в каждом из резервуаров.

Поскольку резервуары располагаются вне помещений, они, а также их содержимое, подвержены влиянию температурных циклов. В дневные часы резервуар с содержимым поглощает тепло от солнца и воздуха, а также получает его от любых выполняемых работ. Ночью резервуар с содержимым отдает тепло окружающему воздуху. Демонстрируемый температурный цикл и различная теплоемкость участвующих материалов влияют на возможную точность измерения уровня продукта с помощью тепловизора.

 Показанные металлические резервуары являются неизолированными и обладают высокой теплопроводностью. С наступлением ночи воздух в резервуаре начинает быстро остывать, жидкость остывает намного медленнее. Это делает градиент температур между жидкостью и воздухом над ней легко обнаруживаемым с помощью тепловизора. Как правило, два раза в сутки наступает момент максимальной разницы температур – один раз утром и один раз вечером. В другое время суток четкое определение уровня жидкости с помощью тепловизора может не представляться возможным, так как температуры содержимого и воздуха над ним могут быть примерно одинаковыми.

Отражения солнечного света в днев ное время также могут усложнить наблюдение разности температур. Резервуары содержат не только жидкие субстанции. Сухие объемные материалы стремятся к скапливанию у стенок резервуара, делая их поверхность довольно неровной. Тепловизоры позволяют видеть эти неровности (см. рис. 3).

Рис. 3. Неровные сухие объемные материалы или осадок.

Кроме того, многие жидкости содержат частицы, которые могут осаждаться на дно резервуара, образуя слой осадка. Такой слой часто можно обнаружить как субстрат по разнице температур. Важно также помнить о конструкционных особенностях резервуара. Многие резервуары имеют блестящие, слабо излучающие металлические поверхности и/или изолирующие стенки, затрудняющие или делающие невозможным наблюдение внутренних температурных различий. Эти факторы критичны для оценки информации, получаемой от тепловизора. Полученные данные следует применять с осторожностью, учитывая имеющиеся знания!

В качестве иллюстрации рассмотрим бак реактора (см. рис. 4).  Цветовая шкала температуры показывает, что темно-синий  цвет соответствует примерно 35°C, верхняя часть шкалы – красная – показывает температуру свыше 93,3°C. Видно, что темносиняя полоса находится там, где крышка лежит на баке, и эта полоса кажется холодной. На самом деле видна полоса из нержавеющей стали с низким коэффициентом излучения по периметру верхнего края бака, окрашенного во всех прочих местах.

Рис. 4. Бак реактора процесса.

 Коэффициент излучения окрашенной части намного выше, поэтому по контрасту полоса из нержавеющей стали кажется холодной, хотя на самом деле ее температура такая же (более 70°C), что и контактирующих окрашенных частей: достаточно велика, чтобы обжечь кожу.

В промышленных процессах часто используются другие типы емкостей, не похожие на резервуары и называемые «теплообменниками». Чаще всего встречается радиатор парового отопления. На рис. 5 можно четко видеть воду, сконденсировавшуюся в радиаторе. Тепловизор позволяет диагностировать проблемы в технологических процессах.

Рис. 5. Сконденсировавшаяся вода в радиаторе парового отопления.

В другом примере процесса в технологической линии из нержавеющей стали установлена термопара для контроля температуры рабочей жидкости. Процесс шел неверно, и инженер-технолог столкнулся с трудностями, определяя причину, почему температура пара в технологическом процессе была ниже ожидаемой. Измеренная температура отобранного образца жидкости была правильной.
Поскольку все трубы изготовлены из нержавеющей стали, поверхность этого материала слишком хорошо отражала свет, чтобы можно было напрямую наблюдать уровень жидкости с помощью тепловизора. Инженер-технолог повысил коэффициент излучения, обмотав черной изолентой участок трубы, где была установлена термопара. Теперь тепловизор позволил обнаружить, что труба заполнена технологической жидкостью меньше, чем на 1/3. Термопара едва касалась жидкости, что приводило к неверным изме рениям температуры технологического процесса. Паровая пробка создавала подвижное пустое пространство.

Хотя печи и котлы часто рассматриваются как емкости, для которыхпроводятся исследования тепловых потерь, другой интересующей промышленной емкостью является технологический холодильник. В приводимом примере холодильная установка использовалась для мгновенной заморозки пирожков с мясом. Внутренняя часть холодильной установки содержит специальную спиральную конвейерную систему, которая непрерывно подает горячие выпеченные пирожки с мясом из печи в камеру с температурой  40°C для быстрого устранения тепла из продукта.

После доставки на внешней поверхности этого промышленного холодильника обнаружены многочисленные области конденсации. Конденсация показывала области пропусков в системе теплоизоляции стен. Производитель попытался просверлить отверстия в тех местах металлических боковых стенок холодильной установки, где была обнаружена конденсация, чтобы найти пропуски в изоляции, но все просверленные отверстия показали наличие изоляции. Внешние стенки холодильной установки изготовлены из полированной нержавеющей стали и поэтому хорошо отражали излучение. Специалист осушил области конденсации и покрыл их черной лентой.

Рис. 6. Конденсация в технологическом холодильнике.

Рис. 7. Отверстие, просверленное в отражающей стали, обнаружило отсутствие изоляции.

Эта процедура позволила определить точное местонахождение самых холодных участков при помощи тепловизора. Когда специалист просверлил 5-сантиметровое отверстие, чтобы осмотреть внутренность стенки холодильной установки, он обнаружил точное место отсутствия изоляции.

 Как показывают примеры, резервуары и емкости бывают самых различных стилей и конфигураций, от знакомых резервуаров до реакторных баков, теплообменников, а также печей, топок и холодильников. Труба, соединяющая емкости, также представляет собой емкость. Как только вы начинаете учиты вать спектральную и температурную динамику используемых материалов и процессов, тепловизоры позволяют анализировать не только температуру. Тепловизоры также поддерживают IR-Fusion®* – технологию, объединяющую изображение в видимом спектре с ИК-изображением для улучшения идентификации, анализа и управления изображением.

Рис. 8. Содержание влаги при производстве печенья.

Начинать следует с анализа различных способов проявления тепловых свойств материалов. Можно даже рассматривать как продукт саму емкость. Например, рассмотрим установку для производства печений- крекеров (рис. 8). Содержание влаги в конечном продукте аналогично уровню жидкости в резервуаре. В обоих случаях нужно знать, сколько чего внутри. В данном случае имеется объективно однородная масса продукта, проходящая через печь. Когда продукт выходит из печи, печенья, содержащие больше влаги, выглядят теплее, а печенья, содержащие меньше влаги – холоднее. Это происходит потому, что после выхода из печи продукт начинает быстро остывать, отдавая тепло окружающей среде. Печенье, содержащее больше влаги, остывает медленнее.

Тепловизор позволяет наблюдать температурные зоны печи, а также распределение влаги в продукте. Самым интересным параметром является содержание влаги, так как его можно измерить напрямую с помощью ИК-анализаторов. Когда свет попадает на поверхность, содержащую влагу, влага погло щает ИК-излучение с длиной волны около 1,8 микрона. Измеряя ИК-поглощение, можно измерять точную влажность поверхности. Наблюдение различий в температурном охлаждении очень похоже. Рассмотрим, как спектральные характеристики материалов могут перекрываться и сообщать друг о друге.

Применение тепловизоров ограничено только знаниями специалиста, использующего это оборудование. Тепловизоры быстро становятся более экономичными и удобными в использовании, но тепловизор не может уметь больше, чем тот, кто с ним работает. Нужно потратить время на изучение процессов и материалов, а также понять, как свойства, которые нужно проанализировать, связаны с температурными характеристиками. Тепловизоры создают полезные карты оборудования и процессов – требуется только потратить время и разобраться в их языке.

Как насчет коэффициента излучения? Все объекты испускают инфракрасное (тепловое) излучение. Интенсивность излучения зависит от температуры и природы поверхности материала. При заданной температуре максимальное излучение достигается, когда коэффициент излучения объекта равен 1. Это излучение абсолютно черного тела, так как при коэффициенте излучения, равном 1, объект является идеальным излучателем. Но в реальной жизни идеальных излучателей не существует. Так как реальные материалы далеко не идеальны, вопрос ставится так: насколько они неидеальны? Коэффициент излучения определяется как мера того, насколько меньше излучает материал по сравнению с абсолютно черным телом. Когда тепловизор наблюдает ИК-излучение от реальных объектов, часть улавливаемого им излучения отражается от поверхности объекта,часть излучается объектом и еще часть может проходить сквозь объект.