E-Learning

Thermografie

 Wat is thermografie? 

In het dagelijks leven zijn we continu bezig met temperatuur. Of het nu over het weer gaat, de warmte in huis of als de vraag actueel is wanneer we weer een Elfstedentocht kunnen rijden. Maar wat is het verschil tussen warmte en temperatuur?

• Warmte is een vorm van energie-uitwisseling tussen systemen die niet in thermisch evenwicht zijn;
• Temperatuur is een maat voor hoe warm of hoe koud iets is.
Thermografie is een meetmethode om de temperatuur in kaart te brengen. Dit gebeurt zonder het voorwerp aan te raken. Het voordeel is dat het veilig is, bijvoorbeeld bij het meten van de temperatuur van een hoogspanningskabel, maar het nadeel is dat je daarbij fouten kunt maken.   
 

Temperatuurverschillen worden zichtbaar gemaakt door kleuren. Meestal betekent blauw koel en rood warm, maar het kan ook met andere kleuren. Dit gebeurt met infrarood.


Wat is infrarood? 

Infrarood is een golflengte in het elektromagnetisch spectrum. Je kunt die niet zien. Wel kun je infrarood op je huid voelen, zoals de straling van de zon.

Met onze ogen kunnen we maar een klein deel zien van alle straling die er is. Van het spectrum dat wij kunnen zien, maken onze ogen de kleuren rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet.

Maar er zitten nog veel meer stralen in het spectrum, zoals gamma straling, röntgen straling en radiogolven.

Met een infraroodcamera kan de infrarood straling zichtbaar gemaakt worden. Dit noemen we dus thermografie.

Toepassingsgebieden  

Het voordeel van thermografie is dat het zichtbaar maakt wat voor het menselijk oog onzichtbaar is.

Enkele voorbeelden van toepassingsgebieden zijn:

• Beveiliging
• Geneeskunde
• Brandweer
• Luchtvaart
• Elektrotechniek
• Onderhoud

◦ Onderhoud van gebouwen
◦ Opsporen van lekkage
◦ Opsporen van leidingwerk
◦ Isolatieproblemen

• Kwaliteitscontrole

Je kunt dus eenvoudig inspecties uitvoeren op elektrische apparatuur en circuits. Maar ook op mechanische apparaten, verwarmingsinstallaties, zonnepanelen, koelinstallaties en de gebouwschil.


Voordelen 

Meten met behulp van thermografie heeft veel voordelen. De meting kan contactloos gebeuren. Dit maakt het een snelle, efficiënte en veilige meting. Als er ergens een fout is, kun je die snel herkennen. De installatie hoeft niet uit (geen ‘down-time’). De installatie blijft in gebruik en kan gemeten worden op volledige belasting. Zo zul je dus snel zien of er oververhitting plaatsvindt. Door op verschillende momenten opnames te maken, kan er eenvoudig een vergelijking gemaakt worden.

Belangrijk bij verduurzaming gebouwde omgeving

Thermografie brengt dus temperatuur in beeld. Dat is heel handig bij het verduurzamen van de gebouwde omgeving!
Je kunt immers met behulp van thermografie snel opsporen waar er energie verloren gaat. 
Die informatie kan gebruikt worden voor de isolatie en kierdichting van gebouwen. 

Ook kun je storingen in de verwarming opzoeken bij systeeminefficiëntie, lekkages, vuilheid & corrosie. Vooral handig als je slecht bij de installatie kunt, bijvoorbeeld bij vloerverwarming. 

Maar het is ook handig bij elektro, koeling (koude deur) of zonne-energie (kapotte diodes).

Warmtetransport

Warmtetransport gaat via
- 1. stroming (lucht- of vloeistofverplaatsing) of
- 2. geleiding (via het materiaal zelf),
- 3. straling (b.v. de zonnewarmte).

Emissiviteit 

Uitgaande straling is alle straling die het oppervlak van het object verlaat. De bron van de straling maakt niet uit.

Elk voorwerp zendt een bepaalde hoeveelheid straling uit (emissie). De hoeveelheid hangt af van de temperatuur en emissiviteit.
Hoe lager het stralingsvermogen (emissiviteit), des te lager de warmteoverdracht door straling.

Uit ervaring weet je dat een matzwart oppervlak makkelijker warmte uitstraalt dan een wit oppervlak. Denk maar aan een geasfalteerde parkeerplaats in de zomer.

Werken met emissiviteit 

Als je weet welk materiaal je wilt meten, kun je de emissiviteit opzoeken in de tabel. Deze waarden voer je in op de camera.
Veel camera’s hebben al emissiviteitswaarden standaard voorgeprogrammeerd. Dan kun je dus op de camera het juiste materiaal kiezen voordat je gaat meten.

Absorptie 

Elk voorwerp heeft tevens een bepaald vermogen om straling op te nemen (absorptie). Absorptie is altijd gelijk aan de capaciteit om straling te absorberen. We kunnen dan ook stellen: 

α = ε

Structuur 

De gladheid van een object beïnvloedt de emissiviteit van een object enorm. Denk maar eens aan een koperen leiding: je kunt jezelf hier in zien (hoge reflectie).

De emissiviteit zal toenemen naarmate een object ‘ruwer’ is. Denk hierbij aan dezelfde koperen leiding die verroest is. Dan is de emissiewaarde vele malen hoger dan bij een niet-verroeste leiding. 

De rechterkant van het materiaal is veel eenvoudiger te meten, simpelweg omdat er minder reflectie is.  

Emissiviteit is niet afhankelijk van kleur!

Transmissie

Naast emissie en reflectie is er ook transmissie van infraroodstraling mogelijk. In de dagelijkse praktijk zal dat niet vaak voorkomen. Er zijn niet veel materialen in de wereld die infraroodstraling doorlaten.   

Enkele voorbeelden zijn:

• Germanium;
• Natriumchloride (keukenzout);
• Saffier;
• Vacuüm;
• Lucht.

Elektromagnetisch spectrum 

De volgende figuren illustreren hetzelfde, alleen op een verschillende schaalgrootte.

Ze laten de hoeveelheid uitgestraalde energie van een object zien over een bepaalde golflengte. De verschillende gekleurde lijnen laten verschillende temperaturen zien. Het belangrijkst in dit figuur is dat de energiepiek ligt tussen de 6 en 14 µm (micrometer).

Hoe hoger de temperatuur van het object, des te meer energie wordt er gestraald.

Bij een standaard omgevingstemperatuur ligt de golflengte op ongeveer 10 µm. Hoe hoger de temperatuur wordt, des te lager de golflengte wordt.

Bij 100 °C ligt de golflengte al op 7,5µm. Nagenoeg alle, in onze dagelijkse omgeving, aanwezige temperaturen liggen in het bereik van 7,5-14 micrometer.

Bij 1000 °C ligt deze zelfs onder de 4 micrometer, dit komt erg dicht bij de capaciteit van het menselijk oog. Mede daardoor kan de mens bijvoorbeeld zeer heet staal waarnemen, als roodgloeiend.

Uitvoeren van metingen

Bij het uitvoeren van metingen zijn er een aantal zaken waarop gelet moet worden:

• Emissiviteit
• Reflectie
• Temperatuurbereik
• Span /level
• Spotmeting/kader
• Kleurinstelling
• Focus

Meten van emmissiviteit

Materialen van een onbekende emissiviteit kunnen worden ingeschat. Een handig hulpmiddel daarbij kan een stuk schilderstape of spray (om een object ‘ruwer’ te maken) zijn, of een ander materiaal waarvan de emissie bekend is.

Ter illustratie, de volgende foto is handmatig aangepast, waardoor defecte cellen in een PV-paneel perfect naar voren komen:

Spot-/kadermeting 

Bij veel camera’s is het mogelijk om een centraal punt te meten, de zogeheten spotmeting. Voordeel is dat op dit punt vaak de laser is uitgelijnd: 

De temperatuur wordt boven in het beeld weergegeven.

Bij het meten van een gemiddelde temperatuur (bijvoorbeeld om een reflectie te meten), is het aan te raden een kader te gebruiken:

 

Toepassen juiste kleuren

Bij thermografische camera’s zijn er verschillende kleuren mogelijk. De verschillende instellingen laten zien welke kleur er bij een bepaalde temperatuur hoort.

 

Als je voor een grijze instelling kiest, kun je de combinatie isotherm instellen. Er wordt dan rood (voor warm) en blauw (voor koud) toegevoegd.
Hierdoor wordt het makkelijk om kleine verschillen te zien. Het vinden van bijvoorbeeld lekkages (van vocht of warme lucht) is dan veel makkelijker.

 

Als je de level en span aanpast, worden nog kleinere temperatuurverschillen zichtbaar.

Focus 

Focus is zeer belangrijk. Niet alleen om een duidelijke weergave te krijgen, maar ook om een juiste meting uit te voeren.


Wanneer een pixel volledig gevuld is zal deze een juiste weergave laten zien en is een juiste meting mogelijk. Wanneer deze onvolledig gevuld is zal de meting onjuist zijn. De volgende twee afbeeldingen illustreren dit:

Temperatuurbereik

Het temperatuurbereik staat normaal gesproken op automatisch. Dat betekent dat het totale bereik automatisch wordt aangepast aan de objecten met de meeste en minste straling.

 

Uiteraard is dit handig op het moment dat we voor een object staan dat uit slechts één materiaal bestaat. Zodra we echter voor bijvoorbeeld zonnepanelen staan, zal het temperatuurbereik een vertekend beeld laten zien, omdat de dakbekleding warmer is dan de panelen. Hierdoor kun je makkelijk een vergissing maken.

 

Het is dan noodzakelijk om het temperatuurbereik te verkleinen en de span en level te verplaatsen.

 

Je kunt ook een exacte meting doen van een oppervlak met een spotmeting.

Voorbeeld 1

 

Stel je maakt een foto van twee draden. De ene draad is 25 °C en de andere 30 °C. De eerste draad zal blauw worden en de tweede rood. Hetzelfde zal gebeuren op een foto waar de andere draad 80 °C is.
Let daarom goed op het temperatuurbereik naast het scherm. Bij foto 1 gebruik je een temperatuurbereik van 25-30 °C en bij de tweede 25-80 °C.

Voorbeeld 2

 

Als er bijvoorbeeld een gloeilamp in beeld is, dan zorgt dit ervoor dat de maximum temperatuur kan oplopen tot 50 °C terwijl de temperatuur van de geïnspecteerde muur tussen de 0 °C en 10 °C ligt. Dit verschijnsel komt ook vaak voor bij een heldere hemel die als -40 °C verschijnt. (Dit is de minimaal detecteerbare temperatuur van de camera. De ruimte straalt eigenlijk ongeveer -26,9 °C uit.)

Golflengte 

 

Deze grafiek laat zien hoeveel energie er op bepaalde temperaturen wordt uitgezonden.
Doordat er in bepaalde delen van het spectrum geen infraroodgolven worden uitgezonden, vangen bijna alle camera’s alleen de lange golven op. Slechts enkele bereiken ook de middengolf, denk bijvoorbeeld aan de staalindustrie (extreem hoge temperaturen).

Resolutie 

Elk beeldscherm bestaat uit pixels. Elke pixel in het scherm van de infraroodcamera is een temperatuurmeting. Een scherm dat uit 320 x 240 pixels is opgebouwd, houdt dus 76.800 temperatuurmetingen in. 
 

Een opname van een hele voorgevel zal op een vierkante meter baksteen een vrijwel gelijke temperatuur aangeven en daarmee ook één kleur laten zien.
 Als je de camera op 1 m2 baksteen richt, doe je veel meer metingen op een klein oppervlak. Hierdoor wordt het beeld veel kleurrijker en kan het dus meer informatie geven. Dit zie je ook op de afbeelding.

Vooral wanneer je printplaten of elektrische systemen meet, is het van belang om dicht bij het te meten object te staan. Of om een camera met een hoge resolutie te gebruiken.

Vormen en systemen

Vaak is achteraf moeilijk te achterhalen wat je nu precies hebt gefotografeerd. Daarom hebben verschillende fabrikanten oplossingen bedacht die het beeld meer informatie geven:

1. Alleen thermisch beeld;
2. Alleen een foto van het zichtbare licht (gewone foto);
3. Een combinatie van een gewone foto en een infraroodbeeld.

Het voordeel van een dergelijke foto is dat het makkelijker is om je te oriënteren. Je kunt extra informatie zien die op een warmtebeeld onzichtbaar blijft. Denk aan stickers en nummers.

Een verbeterd beeld (FLIR) op basis van de beelden van de normale foto voegt aan een programma extra informatie toe. Waardoor de lijnen scherper worden en objecten beter te herkennen zijn.

Valkuilen en aandachtspunten

Uit de praktijk blijkt dat er een aantal valkuilen en aandachtspunten zijn als het gaat om thermografische inspecties.
De belangrijkste zijn:

• Reflectie: invloed van externe stralingsbronnen of verkeerd ingeschatte reflectiegraad;
◦ Afschermen of afsluiten.
• Verkeerd ingeschatte emissiewaarde;
• Verkeerde interpretatie van kleuren;
• Focus, voorkom een onscherp beeld;
• Stralingshitte;
• Conclusie trekken zonder juiste instellingen (emissie & reflectie);
• Geen ‘echte’ foto;
• Rapportage: onderbouw de foto’s, zorg voor een stroommeting en vermeld de specificaties;
• Onscherp beeld;
• Meetafstand te groot of te klein;
• Metingen met een verkeerde camera (lage resolutie);
• Te grote meetvlek;
• Storingen in de transmissieafstand (luchtverontreiniging, bedekkingen (stof) etc.);
• De inspectie is een momentopname.

Innovaties 

Thermografie wordt steeds beter beschikbaar. Zo zijn er tegenwoordig thermografische cameramodules die je op je telefoon klikt!

Met de thermische camera kun je snel met je mobiel iets te weten komen over de warmte in bijvoorbeeld een radiator.

Met kleuren geeft de thermische camera aan hoe warm een voorwerp is. De camera kan zelfs op afstand  de warmte meten met een nauwkeurigheid tot een halve graad Celsius.

Door gebieden op de foto te selecteren, laat de app meteen zien hoeveel graden het oppervlak is. Dit kan zelfs nog nadat de foto gemaakt is.

Door de betere beschikbaarheid wordt deze manier van meten steeds belangrijker. Het is dus handig als je er goed mee overweg kunt! Hiervoor kun je het best de juiste e-learning of cursus volgen.

Er moet stroom vloeien door een aansluiting of component van het object;   

De gemeten temperatuur moet stabiel zijn;

De emissiewaarde dient hoog te zijn.   

Vijf methoden beoordelen temperatuur

Er zijn vijf methoden om de gemeten temperatuur te beoordelen:

1. Maximaal toelaatbare temperatuur van het elektrisch isolatiemateriaal van een aansluiting;
2. Maximaal toelaatbare temperatuur van het elektrisch isolatiemateriaal van een component;
3. Maximaal toelaatbare temperatuurstijging van een onderdeel van een component;
4. Toelaatbaar temperatuurverschil bij vergelijkbare aansluitingen of omhulde contacten van één component;
5. Temperatuurverschil tussen de gemeten temperatuur en de berekende temperatuur van een component
Toelaatbare temperaturen

Een indicatie voor de toelaatbare temperaturen komt op het volgende neer:

• Wanneer er een gelijke belasting is en er is een verschil van 1-3 °C is er een mogelijke storing;
• Bij 4-15 °C kunnen we stellen dat er een waarschijnlijke storing is, repareren waar mogelijk;
• Indien er meer verschil is, in de gaten houden totdat het probleem bevestigd of uitgesloten is, of direct repareren.

Let op! Dit is een indicatie. Kijk zelf goed naar je metingen, de leeftijd van de installatie en de gebruikte materialen.

Het bovenstaande staat ook in deze pdf.  

Open winkeldeuren in de winter.

M.b.t. thermografie heeft het Koning Willem I College i.s.m. de gemeente 's-Hertogenbosch alle open winkeldeuren in de binnenstad in kaart gebracht en aangegeven hoeveel warmte er op een koude dag verloren gaat. Vervolgens zijn de studenten met de winkeliers gaan praten over hoe dit te voorkomen is.  

Een filmpje hier over (in lage resolutie) en vooral het einde is belangrijk.