Műszaki diagnosztika HŐSUGÁRZÁS Dr. Kiss László 2005.

A diagnosztika definíciója Műszaki diagnosztika Bevezetés A diagnosztika definíciója Dyagnosis görög szó DIAGNOSZTIKA = JELENTÉSE megkülönböztető felismerés, valamely folyamat elindító okának biztos felismerése

A diagnosztika definíciója Műszaki diagnosztika Bevezetés A diagnosztika definíciója Definíció: A műszaki diagnosztika műszeres méréstechnikai vizsgálatok összessége, amellyel az adott szerkezet műszaki állapota, annak lényeges megbontása nélkül feltárható.

A diagnosztika célja Bevezetés Műszaki diagnosztika Bevezetés A diagnosztika célja 1. A szerkezet műszaki-üzemi állapotának értékelése [HELYZETELEMZÉS] 1.1. A jellemzők megengedett határértéken belüli megváltozásának mezőjében történő értékelés.

A műszaki diagnosztika egyik segédeszköze a hősugárzás (hőmérséklet) vizsgálata. Az eljárás alapja, hogy a meghibásodások – már a kezdeti stádiumban is – megnövekedett hőfejlődéssel járnak. Vonatkozik ez a villamos rendszerekre éppúgy, mint a mechanikus gépekre, berendezésekre. A villamos csatlakozók, vezetékkapcsolatok hibája a megnövekedett átmeneti ellenállás, ami helyi felmelegedést okoz. A mechanikai rendszerekben a súrlódás növekedése idézi elő a hőfejlődés fokozódását.

A hősugárzás mérésén alapuló diagnosztika nagy előnye, hogy a vizsgálat érintkezés nélkül, a berendezés normál üzeme közben történhet. Feltétel azonban, hogy a vizsgálandó rész látható legyen, azaz az általa kibocsátott sugárzás mérhető, értékelhető legyen

Számos esetben a felület hőmérsékletét kell meghatározni Számos esetben a felület hőmérsékletét kell meghatározni. A hőmérséklet-mérés nagy gyakorlatot igényel, mert a hősugárzás és a hőmérséklet viszonyát számtalan tényező befolyásolja: sugárzási együttható, visszavert sugárzás, a sugárzó és a vizsgáló berendezés közti közeg hőátbocsátása, stb.

– már a kezdeti stádiumban is – megnövekedett hőfejlődéssel járnak. Termovízió A meghibásodások – már a kezdeti stádiumban is – megnövekedett hőfejlődéssel járnak. Vonatkozik ez a villamos rendszerekre éppúgy, mint a mechanikus gépekre, berendezésekre. A műszaki diagnosztika egyik segédeszköze a hősugárzás (hőmérséklet) vizsgálata

Az elektromágneses hullámokat különböző jelenségek, mint például változó elektromos vagy mágneses terek, mozgó töltéshordozók, az elektronhéjak és az atommagok szerkezetében végbemenő változások hozzák létre. A testek részecskéinek hőrezgése szintén elektromágneses hullámokat gerjeszt, melyek frekvenciája, nem túl magas hőmérsékleten, a 6 GHz- 3 THz tartományba esik. Ezek a hullámok a látható fény spektrumán kívül, a vörös szín „alatt” találhatók, és ezért infravörös fénynek vagy hullámnak nevezik őket

A kibocsátott elektromágneses hullámok frekvenciája a hőmérséklet növekedésével emelkedik: a melegített test először vörösen kezd izzani, majd az általa kibocsátott fény egyre fehérebb lesz, mutatván, hogy nagyobb frekvenciájú, a látható fény tartományába eső komponensek is megjelentek.

Sugárzás esetén az energia elektromágneses rezgések útján terjed. Ezeket a rezgéseket hullámhosszúságuk alapján különféle sugaraknak - röntgensugarak, ibolyán-túli sugarak stb. – nevezték el. A hőmérséklet-mérés szempontjából legfontosabbak azok a sugarak, amelyeket a testek elnyelnek és ame-lyek elnyelésekor a sugarak által átvitt sugárzó energia ismét hőenergiává alakul át. Ilyen tulajdonságokkal elsősorban látható fénysugarak (0,4-0,7 µ-ig) és az infravörös sugarak (0,7-40 µ-ig) rendelkeznek. Magát a folyamatot hősugárzásnak, vagy emissziónak, a 0,4-0,7 µ hullámhosszúság közötti sugarakat pedig hősugaraknak nevezik

Az elektromágneses hullámok spektruma: Hősugárzás A 0,4-40 µm hullámhosszúság közötti sugarakat hősugaraknak nevezzük.

A hősugárzás elektromágneses hullámai - bármely más természetű hullámhoz hasonlóan – visszaverődhetnek, megtörhetnek, szóródhatnak. A sugárzó test a környezetében levő testek sugárzásának egy részét abszorbeálja, egy más részét visszaveri. Hőáramát a kibocsátott (emittált) és az elnyelt (abszorbeált) energiaáram különbségeként írhatjuk fel. Φ = Φe - Φa

A sugárzó energia egységének azt az energiamennyiséget választották, amely egyenlő 1 Joule-val. A test által az időegység alatt kisugárzott Q energiát Joule/s-ban vagy wattban fejezik ki. A felületegység által az időegység alatt kisugárzott energiamennyiséget a test sugárzóképességének vagy emisszióképességének nevezik, s rendszerint E-vel jelölik: E=Q/F Joule/m2,s.

Legyen a testre eső teljes sugárzó energiamennyiség Q0 Legyen a testre eső teljes sugárzó energiamennyiség Q0. Ebből a test QA mennyiséget elnyel, QR visszaverődik, QD áthalad a testen. Felírható tehát, hogy QA + QR + QD = Q0 Az egyenlőség mindkét oldalát Q0 -val osztva: A+R+D=1

Az E emisszióképességen azt az energiamennyiséget értjük, amelyet a test felületegysége az időegység alatt a λ=0-tól λ=∞-ig terjedő minden hullámhosszon kisugároz. Ezen az energiamennyiségen kívül igen fontos azonban azt is ismerni, hogy különböző hőmérsékleteken hogyan oszlik meg a kisugárzott energia az egyes hullámhosszúságok függvényében, vagyis fontos az

Az összefüggésben λ a hullámhosszúság, T a test abszolút hőmérséklete, c1 , c2 állandó

A Planck-törvény grafikusan

A Wien-törvény a Planck-törvény egyszerűsítése. Azok a hullámhosszak, amelyeknél a kisugárzott energia: E0 maximális értéket ér el, növekvő hőmérséklettel egyre kisebb hullámhosszak: λ értékek felé tolódnak el. vagyis az intenzitás-maximumokhoz tartozó hullámhosszak és a megfelelő abszolút hőmérsékletek szorzata állandó.

Az abszolút fekete test 1 m2 felülete által óránként kisugárzott teljes energiamennyiség értéke: Az integrálás eredményeként kapjuk, hogy:

Stefan-Boltzmann-törvény A törvény értelmében a sugárzás energiája arányos a sugárzó test abszolút hőmérsékletének negyedik hatványával. A Stefan-Boltzmann-törvény szürke testekre:   A σ sugárzási együttható értéke mindig kisebb a fekete testénél. Értéke 0-4,90 között változhat, azt a test minősége, felületének állapota és hőmérséklete határozza meg.

A test emisszióképessége és abszorpcióképessége (elnyelőképessége) között állapít meg összefüggést. Kirchhoff-törvény E, A és T sugárzási jellemzőkkel bíró szürke test, valamint E0, A0=1 és T0 sugárzási jellemzőkkel rendelkező fekete test. Az emisszióképesség és abszorpcióképesség viszonya minden testnél ugyanakkora, és egyenlő az abszolút fekete test ugyanahhoz a hőmérséklethez tartozó emisszióképességével

A Stefan-Boltzmann-törvény azt az energiamennyiséget határozza meg, amelyet a test minden irányban kisugároz. Lambert-törvény Egy dF felületelemről minden irányban, egyenlő térszög alatt kisugárzott energia arányos a felületelem normálisa és a sugárzás iránya által bezárt φ szög cosinusával:

A hősugárzás- mérés gyakorlata A hősugárzás mérése ill. az ilyen módon történő hőmérsékletmérés pontosságát alapvetően az alábbi tényezők befolyásolják: -         - a mérendő tárgyról visszaverődő (esetleg azon átbocsátott hősugarak) -         - a mérendő tárgy emissziós tényezője, -     - a mérendő tárgy és a mérőeszköz közötti közeg tulajdonságai -         - a mérőeszköz rendszere. A hősugárzás- mérés gyakorlata

A levegő spektrális átviteli tényezője:

Anyag Hőmérséklet ºC ε Acél, fényes 100 0,08 Acél, oxidált 200 0,79 Alumínium, fényes 25 0,022 0,028 500 0,60 Arany, fényes 0,02 Ezüst, fényes Horgany, fényes 300 0,05 Korund 1200…1300 0,46 Magnezit-tégla 1200-1300 0,39…0,51 Ólom,fényes Ólom, oxidált 0,63 Samott 1000 0,75 Sárgaréz, fényes 0,035 Sárgaréz, oxidált 0,61

Szén, fényes 25 0,081 100 500 0,079 Tantál, fényes 1500 0,21 Vas, lemez, fényes 0,74 Vas, lemez, oxidált 1200 0,89 Vas, lemez, öntött, erősen oxidált 40 0,95 Vas, lemez, rozsdás 0,65 Vas, lemez, kovácsolt, futtatott 0,94 Réz, fényes 0,02 Réz, oxidált 200 0,6 Réz, hőkezelt 0,26 Wolfram, fényes 0,024

Hőkamera mérés közben

Transzfor-mátor hőfényképe és fényképe

Hőfénykép hőfokelosz-lásokkal és adattáblá-zattal