预测性维护 - 红外热像技术

红外热像技术红外热像技术是一种用于监测工厂机械、结构和系统状况的预测性维护技术。它使用专门设计的仪器来监测红外能量（即温度）的发射，以确定设备的运行状况。通过检测热异常（即比正常温度更高或更低的区域），经验丰富的调查员可以找到并定义工厂内的潜在问题。红外基础知识红外技术基于一个事实，即所有温度高于绝对零度的物体都会发射能量或辐射。红外辐射是这种发射能量的一种形式。红外辐射，或称红外线，是所有辐射能量中最短波长的，而且在没有特殊仪器的情况下是看不见的。物体发出的红外辐射的强度是其表面温度的函数；然而，使用红外方法进行温度测量是复杂的，因为可以从任何物体检测到三种热能：从物体本身发出的能量，从物体反射的能量，以及由物体传递的能量（图8–1）。在预测性维护程序中，只有发出的能量是重要的。反射和传递的能量会扭曲原始的红外数据。因此，在进行有意义的分析之前，必须从获取的数据中过滤反射和传递的能量。物体表面会影响发射或反射能量的数量。一个完美的发射表面，如图8–2所示，被称为“黑体”，其发射率等于1.0。这些表面不会反射，而是吸收所有外部能量并将其重新发射为红外能量。反射红外能量的表面称为“灰体”，其发射率小于1.0（图8–3）。大多数工厂设备属于这个分类。仔细考虑物体的实际发射率可以提高用于预测性维护的温度测量的准确性。为了帮助用户确定发射率，已经制定了表格作为大多数常见材料的指导；然而，这些指南并不是所有机器或工厂设备的绝对发射率值。表面状况、油漆或其他保护涂层以及许多其他变量都可以影响工厂设备的实际发射率因子。除了反射和传递的能量外，红外技术的使用者还必须考虑物体和测量仪器之间的大气环境。水蒸气和其他气体吸收红外辐射。空气中的悬浮尘埃、一些光线以及周围环境中的其他变量都可能扭曲测量到的红外辐射。由于大气环境不断变化，使用红外技术需要在获取红外数据时极其小心。红外仪器类型大多数红外监测系统或仪器提供特殊的滤光器，可用于避免大气对红外数据的负面影响；然而，工厂用户必须认识到影响红外数据准确性的具体因素，并应用正确的滤光器或其他信号调理以抵消特定的衰减因素。采集光学、辐射检测器和某种形式的指示器是工业红外仪器的基本要素。光学系统收集辐射能量并将其聚焦在检测器上，后者将其转换为电信号。仪器的电子部分放大输出信号并处理成可以显示的形式。可用于预测性维护的三种常见仪器类型包括红外温度计或点辐射计、线扫描仪和成像系统。红外温度计红外温度计或点辐射计旨在提供机器或表面上单个、相对较小点的实际表面温度。在预测性维护程序中，点红外温度计可与许多基于微处理器的振动仪器配合使用，监测工厂机械或设备关键点的温度。这种技术通常用于监测轴承盖温度、电机绕组温度、对流管道温度的抽样检查以及类似的应用。它的局限性在于温度代表机器或结构上的单个点。然而，当与振动数据一起使用时，点红外数据可以具有很大的价值。线扫描仪这种类型的红外仪器提供单维扫描或比较辐射的线。虽然这种仪器提供了相对较大的视野（即机器表面的面积），但在预测性维护应用中存在一定限制。红外成像与其他红外技术不同，热或红外成像提供了扫描整个机器、工艺或设备红外辐射的手段，而且所需时间非常短。大多数成像系统的功能类似于视频摄像机。用户可以通过仪器的光学简单地查看广泛区域的热辐射曲线。市场上有各种热成像仪器，从相对便宜的黑白扫描仪到全彩色、基于微处理器的系统都有。许多较便宜的设备严格设计为扫描仪，无法存储和检索热图像。无法存储和检索以前的热数据限制了长期的预测性维护程序。点红外温度计可在市场上可获得，价格相对较低。这种类型红外仪器的典型成本低于1000美元。红外成像系统的价格范围从8000美元的无存储功能的黑白扫描仪到超过60000美元的基于微处理器的全彩色成像系统。培训对于任何成像系统而言，培训都是至关重要的。每次获取红外数据时，必须补偿可能破坏热数据准确性和重复性的变量。此外，解释红外数据需要广泛的培训和经验。将热成像技术纳入预测性维护程序将使您能够监测依赖于热传递或保留的关键工艺系统、电气设备和其他参数的热效率；这将提高工厂系统的可靠性和效率。红外技术可用于检测各种工厂系统和设备中的问题，包括电气开关设备、变速箱、电气变电站、传动装置、断路器面板、电动机、建筑物外围、轴承、蒸汽管道以及依赖于热保温或传递的工艺系统。基础红外理论红外能量是人眼动态范围之外的光。红外成像仪是为了看到和测量这种热量而开发的。这些数据被转换成数字数据，并加工成称为热图的视频图像。热图的每个像素都有一个温度值，图像的对比度来自表面温度的差异。红外检测是一种非破坏性技术，用于检测表明设备存在问题的热差异。红外调查是在工厂设备运行时进行的，因此无需中断生产。然后可以使用全面的信息来准备维修时间和成本估算，评估问题的范围，计划准备维修材料，并有效地执行维修。电磁谱所有物体在加热时都会发射电磁能量。能量与温度有关。温度越高，发射的电磁能量就越多。电磁谱包含各种形式的辐射能量，包括X射线、紫外线、红外线和射频。红外能量覆盖了0.7微米到100微米的频谱。电磁谱是根据频率和波长排列的所有电磁波的连续体。波有几个特征（图8–5）。波中的最高点称为波峰。波中的最低点被称为波谷。从波峰到波峰的距离称为波长。频率是每秒通过给定点的波峰数量。随着波频率的增加，波长减小。波长越短，包含的能量越多；波长越长，能量越少。例如，从炉子出来的钢板在热轧机上具有较短的波长。你可以感受到热量并看到钢板的红光。波长已经变得更短，波峰到波峰的距离减小，发射的能量增加，进入了光谱上的可见波段。相比之下，（红外能量）当卷材从卷取机上卷下来时已经冷却。能量损失了。波峰到波峰的距离增加，频率减小。热传递概念热是一种热能形式。热力学的第一定律规定，一个物体放出的热量必须等于另一个物体吸收的热量。第二定律是热传递发生在热系统较热到较冷的系统之间。如果物体很冷，它会吸收而不是发射能量。所有物体通过三种不同类型或方式发射热能或红外能量：传导、对流和辐射。了解这三种形式之间的差异非常重要。传导传导是能量在固体物体之间或通过固体物体的传递。加热一端的金属棒将在一段时间后在另一端变热。当电机轴承有缺陷时，轴承产生的热量被传递到电机外壳。这是一种传导的形式。对流对流是通过流体或气体之间传递能量。如果你拿同样的电机并将风扇直接吹向热的轴承，表面温度将不同。这就是对流冷却。它发生在物体表面。操作者必须小心识别真正的因果关系。在这种情况下，好坏发热源和表面冷却之间的差异是由对流引起的。辐射辐射是通过电磁能量波长传递热量的过程。辐射最常见的原因是太阳能。红外成像仪只能检测到辐射能量。如果前述的电机放在室外的板材存储场，周围堆放着板材，太阳能和板材的电磁能量将增加温度。前面的例子旨在使热成像专家意识到热能的其他原因可能存在或不存在。在这种情况下，电机是否因为轴承有问题还是因为太阳辐射而变热？是否忽略了电机因为风扇吹动并导致对流冷却而发生故障？传导是唯一一种在固体内从一个位置传递到另一个位置的热能方式；然而，在固体或液体的表面以及气体中，三种方式同时运作是正常的。发射率发射率是物体发射的能量的百分比。红外能量击中一个物体；然后能量被传输、反射或吸收。红外热成像技术中常用的一个术语是黑体。黑体是完美的热辐射体。其发射率为100%。它没有反射或透射。你将要扫描的物体将各自具有不同的发射率值。总能量的一部分将由反射和透射引起；然而，因为大多数红外检测都是定量热成像，发射率值现在不会那么重要。红外设备以下列出了评估红外设备的标准。在购买之前确定哪个型号最适合您的需求非常重要。其中一些要点对您来说可能很重要，而其他一些则可能不重要。在阅读完这部分之后，您将更了解自己的需求。•可携带性。您的应用需要多大程度的便携性？仪器的重量和大小是否影响您的数据收集？您将要扫描什么样的设备？•使用便捷性。使用红外热像仪需要多少培训？它在您的环境中是否易于使用？•定性还是定量。它是否测量温度？如果是，将测量哪个温度范围？您是否需要多个范围？•环境或定量测量。您将要扫描的环境的最高上限和最低下限温度是多少？•短波还是长波。长波系统减少了太阳反射，并在8到14微米的频带内运作。短波系统在输入错误的发射率值时提供较小的温度误差。短波单元的操作频带为2到5.6微米。•电池。电池的重量和大小是多少？它们能用多久？您是否需要额外的电池？它们需要多长时间充电？•可互换的镜头。现有的镜头是否适合您的应用？它们的成本是多少？•监视器、目镜或两者兼有。在执行检查时，您是否需要向其他人展示实时图像？•模拟还是数字。您将如何处理图像？红外热像仪是否具有模拟、数字或两者的功能？•软件。软件包是否能生成高质量的报告并存储和检索图像？您是否需要校正和温度编辑？红外热像学安全红外热像检测中包含的设备几乎总是带电的。因此，在进行红外检测时必须非常重视安全。以下是进行红外检测时的基本安全规则：•必须始终遵守工厂的安全规定。•在进入扫描区域之前，必须通知该区域的人员。•应该指派一名来自该区域的合格电工来打开和关闭所有面板。•在安全且可能的情况下，所有要扫描的设备应在线并在正常负载下，对着该项设备有清晰的视线。•具有联锁机制缺陷的设备的盖板应在允许的情况下关闭。如果安全，应该打开它们的控制盖板并重新启动设备。红外扫描程序红外检测的目的是识别和记录电气或机械系统中的问题。检测提供的信息以一种容易理解的形式呈现。问题往往发生在接线端点和连接处，特别是在铜铝连接处。如果连接器或连接端子的尺寸正确，它们不应该看起来比导体更热。所有有问题的连接都应拆卸、清理、重新组装或根据需要更换。红外问题的类型有三种基本类型的热问题：•机械松动•负载问题•组件故障机械松动机械松动最常见。松动的连接会导致因过度使用而产生的热应力疲劳。保险丝夹是一个很好的例子，因为不断的加热和冷却会导致不良的连接。准确的温度测量或使用等温线会识别出松动的情况。当等温线降至单个像素或温度时，它将确定松动情况的源头。组件故障通过理解问题的术语可以识别组件故障。具体而言，实际组件将是热源。例如，在三相组件中，受热的保险丝将比其他两个保险丝看起来更热。常见问题及扫描内容以下是在执行红外调查时用于轻松检测常见问题的扫描内容的示例。电机控制和配电中心在检查前，请由合格人员打开或拆除开关设备面板盖。扫描电缆、电缆连接、保险丝座、保险丝断路器和母线。主次级开关设备在检查前，请由合格人员打开或拆除开关设备面板盖。扫描电缆、电缆连接、断路器（前后都要扫描）和母线。断路器配电面板小型断路器面板的盖板无需拆除即可扫描。断路器和导体非常靠近金属盖板。通常通过盖板在问题区域的加热来检测缺陷组件。如果存在问题，请拆下面板盖以定位问题。只拆下可以安全拆卸的面板盖。母线导管电气导体非常靠近导管的金属“外壳”。通常通过在问题附近的盖板加热来检测缺陷接头。电动机不要扫描功率小于25马力的电动机，除非它们对生产至关重要。对于功率大于25马力的电动机，扫描“T”盒、可见导体、连接器和转子。通过比较相似电动机的表面温度可以发现轴承问题。过热条件在CRT上以热点的形式记录，通常在比较设备、端盖和端盖（相同类型的轴承）、定子和端盖之间发现。变压器-油浸式扫描变压器、变压器散热片、电缆连接、套管和分接开关。在进行调查时，应检查所有变压器的油位。在红外调查期间，如果一个变压器看起来异常温暖，散热器的温度接近环境温度，并且变压器超过额定负载的50%，则油位太低，无法循环油并且冷却不会发生。变压器中的油通过对流冷却；随着负荷的增加，油膨胀并且油位升高，然后在散热器中循环。由于反复取样和油泄漏，油体积减少导致绕组过热，从而降低了变压器的寿命。还可以检测到堵塞的冷却加热器、隔离的散热器和堵塞的单个散热片。变压器-干式扫描变压器、电缆连接、套管和分接开关。只有在变压器连接和外壳面板之间有安全间隙时，才应拆下干式变压器的外壳盖。一些型号，特别是较新的型号，具有用于通风的带有屏蔽开口。在扫描调查中使用这些开口。这些变压器中的铁是热的。它会加热母线工作并引起相当大的红外反射。通过增加温度刻度并调整成像仪上的电平控制，您将能够获得均匀的图像，从而显示次级母线或铁中的热点。铁中的热点通常表示短路。确保反射不是一个因素。比较所有绕组。如果温度超过一个绕组，但两个绕组的温度有差异，可能存在不平衡负载。绕组上的热点可能指向短路。变压器套管当扫描器沿着变压器主箱和分接开关隔间向上移动时，应观察套管、避雷器及其母线连接。这个区域也很关键，因为变压器、变电站或整个系统的完整性取决于每个组件的正确安装和维护。对变压器套管的调查，比较彼此，将揭示任何松动的连接或套管问题。通过扫描器，您可以确定连接是在内部还是在外部松动。电容器电容器有两个导电表面，它们之间由电介质隔开。电容器通常用作功率因数校正器。当通电时，如果大小相同，所有电容器单元的温度应该相同。高度均匀的温度是正常的。一个冷的电容器通常表示保险丝熔断或电池故障。在电容器表面显示高温的孤立点可能表示电容器故障。高压开关设备扫描避雷器、绝缘子、电缆、电缆连接、母线、断路器和隔离开关。负荷开关在开关中，两个金属表面在接触时充当导体。通常，问题仅限于接触表面。不良接触通常表现为热点。保险丝保险丝是一种金属导体，当过载电流迫使其时，会被故意熔化。主要受影响的问题有导致热点的松动机械刺夹、腐蚀或氧化的外部接触表面，和/或螺栓或焊接的内部连接。断路器断路器与保险丝具有相同的功能。它是一种能够自动中断电路的开关装置。问题区域可能由于腐蚀或氧化的接触表面、劣质的内部连接、劣质的控制电路或者有缺陷的套管而引起。导体导体的熔点和承载能力由导体的大小和基本材料确