Industriethermografie
Schwachstellen erkennen, bevor sie zum Problem werden

Ein Fachartikel von Thomas Gebbert, Vanderlande Industries, Februar 2011

Jeder Betreiber einer technischen Anlage, die elektrische und bewegliche Komponenten enthält, sucht nach einer zuverlässigen Methode zur Erkennung des optimalen Zeitpunktes, um Verschleißteile zu tauschen bevor sie zu einem Systemstillstand führen.

Thomas Gebbert

Bei den meisten Logistiksystemen sieht die aktuelle Situation derart aus, dass ein Komponententausch entweder zu früh oder zu spät erfolgt, da die Wahl des Zeitpunktes mehr auf Erfahrungswerten als auf Messergebnissen beruht. Mit Hilfe von thermografischen Aufnahmen ist es möglich, Daten über den Zustand von einzelnen Elementen wie z.B. beweglichen Komponenten eines Materialflusssystems zu erhalten.

Was ist Thermografie eigentlich?

Unter Thermografieren versteht man das Sichtbarmachen der Eigen-strahlung von Objekten, die abhängig von der Temperatur und der Oberflächenbeschaffenheit ist. Hierbei handelt es sich um ein berührungsloses Messverfahren, das schnell, genau und bildgebend die thermische Oberflächenempfindlichkeit von Körpern erfasst.

Elektrik Infrarotaufnahme.
Elektrik visuell betrachtet.

Das menschliche Auge erkennt elektromag-netische Strahlung als Licht. Das heißt, es kann Objekte also nur als die reflektierte Strahlung des Objektes erfassen und benötigt dabei immer die Beleuchtung des Objektes durch eine Lichtquelle. Jedes Objekt sendet aber auch eigene elektromagnetische Strahlen aus, die für das Auge unsichtbar sind.

Eine Klassifizierung der elektromagnetischen Strahlung erfolgt über ein großes Spektrum von Wellenlängen. Das menschliche Auge ist in der Lage, Licht mit Wellenlängen im Bereich von 0,4 µm bis 0,75 µm zu erkennen. Der überwiegende Teil der abgegebenen Wärmestrahlung liegt aber oberhalb dieses Bereiches. Strahlung mit einer Wellenlänge ab 0,75 µm bis 1.000 µm wird als infrarote Strahlung bezeichnet, wobei für die thermische Erfassung Wellenlängen bis maximal 14 µm relevant sind. Als Erkenntnis aus den Strahlungsgesetzen, die u.a. eine Beziehung zwischen elektromagnetischer Strahlung und der Temperatur nachweisen, ergibt sich, dass für die Messung von Temperaturen bis 300°C Wellenlängen im Bereich von 8 µm bis 12 µm erfasst werden müssen.

Für das Sichtbarmachen von elektromagnetischer Strahlung dieser Wellenlängen werden Wärmebildkameras verwendet, die über Strahlungsdetektoren für den genannten Wellen-längenbereich verfügen. Diese erfassen die Intensität der Infrarotstrahlung, die von dem Objekt ausgeht, und erzeugen ein so genanntes Falschfarbenbild, in dem höhere Intensitäten höheren Temperaturen zugeordnet sind. Diese Temperaturen sind immer nur die Oberflächen-temperaturen des Messobjektes, ein "Hineinsehen" in ein Objekt ist nicht möglich.

Wie entstehen Wärmebilder?

Kabel Infrarotaufnahme.
Kabel visuell betrachtet.

Wärmebildkameras erfassen die elektromag-netische Strahlung, die ein Objekt aussendet. Diese Strahlung ist proportional zu der aufgenommenen (absorbierten) Strahlung.

Um eine möglichst genaue Messung zu erhalten, darf möglichst nur die Eigenstrahlung des zu messenden Körpers erfasst werden. Allerdings werden in der Praxis neben der emittierten Eigenstrahlung des Messkörpers auch die reflektierte Strahlung und die trans-mittierte Strahlung im Sichtbereich der Kamera liegender Objekte mit erfasst.

Die Gesamtstrahlung eines Körpers setzt sich somit aus den drei Komponenten Emission, Reflexion und Transmission zusammen. Unter der Maßgabe, dass die meisten Materialien für Infrarot-Strahlung undurchlässig sind, ist der Transmissionsanteil zu vernachlässigen. Die von der Kamera gemessene Strahlung ergibt sich also als Summe von emittierter und reflektierter Strahlung.

Der Anteil der reflektierten Temperatur addiert sich also zu der Eigenstrahlung und verfälscht somit die Messung. Der Messfehler ist umso kleiner, je höher der Emissionsanteil ist.

Als Maß für die Fähigkeit eines Materials Infrarot-Strahlung auszusenden, wird der Emissions-grad verwendet. Dieser ist abhängig von dem Material, der Oberflächenbeschaffenheit und dem Beobachtungswinkel:

Elektromotor Infrarotaufnahme.
Elektromotor visuell betrachtet.

Nichtmetallische Materialien verfügen über einen hohen Emissionsgrad, z.B. Holz zwischen 0,8 und 0,9, während metallische Gegenstände einen niedrigen und auch noch temperatur-abhängigen Emissionsgrad aufweisen. Der Emissionsgrad sinkt, wenn der Körper eine glatte oder glänzende Oberfläche aufweist. Jede Wärmebildkamera bietet die Möglichkeit, den Emissionsgrad manuell einzustellen.

Damit das Messergebnis also möglichst exakt wird, sind eine möglichst genaue Kenntnis und Einschätzung der Oberfläche des zu messenden Körpers sowie die korrekte Einstellung des Emissionsgrades in der Wärmebildkamera unerlässlich.

Wie setzt Vanderlande Industries die Thermografie ein?

Das Bestreben von Vanderlande Industries zielt konsequent in die Richtung, seinen Kunden auch nach Inbetriebnahme der Förder- und Sortieranlage die bestmögliche Betreuung anzubieten. Unter dieser Prämisse erweitert Vanderlande Industries sein Service-Portfolio und bietet ab sofort thermografische Aufnahmen von mechanischen und elektromechanischen Komponenten zur Erkennung von bestehenden Schäden sowie zur Identifizierung von potentiellen Problemquellen. Mit dieser innovativen Methode besteht für den Systembetreiber die Möglichkeit, Informationen über sein System zu erhalten, auf deren Basis der Austausch von Komponenten planbar wird. Die Anzahl der schadensbedingten Systemstillstände und der damit verbundenen Adhoc-Reparaturen wird reduziert und die Systemverfügbarkeit erhöht.

Das speziell ausgebildete technische Personal von Vanderlande Industries erstellt thermo-grafische Aufnahmen von mechanischen und elektromechanischen Systemkomponenten.

Im Bereich der mechanischen Teile werden bevorzugt Objekte thermografiert, die entweder schwer zugänglich sind - und somit im unerwarteten Schadensfall einen längeren Systemausfall mit sich bringen - oder für den Materialfluss unverzichtbar sind und entsprechend einen Systemstillstand erzeugen können.

Schaltschrank Infrarotaufnahme.
Schaltschrank visuell betrachtet.

Während bei beweglichen Teilen eine eventuelle Geräuschentwicklung auf einen sich anbahnenden Schaden hindeutet, gibt es bei elektromechanischen Komponenten keinen Indikator zur frühzeitigen Erkennung von Komponentenausfällen. Wärmebilder von Schaltschränken dienen also dazu, Unregelmäßigkeiten bei Relais oder Schützen rechtzeitig zu erkennen.

Neben der Erkennung aktuell anstehender Probleme, wie z.B. höhere Übergangswider-stände bei losen Klemmen oder unnatürlich hohe Lagertemperaturen, ermöglicht die Thermografie Langzeitdiagnosen. Um die Alterung von Bauteilen rechtzeitig feststellen zu können, ist die regelmäßige Thermografie der Objekte notwendig. Voraussetzung für eine vergleichbare Auswertung und eine damit verbundene Trenddarstellung ist die Aufnahme des Objektes aus immer dem gleichen Blickwinkel. Hierzu wird immer zeitgleich zu dem Wärmebild auch ein Digitalbild erstellt.

Vor der Durchführung der Thermografie werden in Absprache mit dem Betreiber sowohl die zu fotografierenden Elemente als auch der Wiederholungszyklus der Aufnahmen festgelegt. Während der Durchführung von thermografischen Aufnahmen kommt es zu keinerlei Beeinträchtigungen des Sortierprozesses, da die Messmethode zum einen berührungslos arbeitet, zum anderen aber auch ein unter Last arbeitendes System verlangt. Als Abschluss einer thermografischen Untersuchung eines Systems wird dem Betreiber ein aussagekräftiger Bericht übergeben.

Vanderlande Industries verwendet Kameras des Typs 335T der Flir Systems GmbH, die in dem Bereich als Weltmarktführer gilt und freundlicherweise die in diesem Artikel verwendeten Bilder zur Verfügung gestellt hat.

Vanderlande Industries GmbH
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