XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Тепловизионное исследование: от контроля качества упаковки до оценки состояния оборудования и растений

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Ефремова В.Д. 1

---

1МБОУ ГИМНАЗИИ "ЭВРИКА

Комиссарова И.Л. 1

---

1МБОУ ГИМНАЗИИ "ЭВРИКА

Работа в формате PDF

2 MB

Введение

Тепловидение – «видеть тепло» – это ведь невозможно – наши глаза способны воспринимать только видимые цвета: синий, красный, зеленый. Тепло мы можем ощутить только физически – поднеся руку к теплому чайнику или ощущая жар костра. Но существует невидимый свет – инфракрасный, с ним мы сталкиваемся каждый день - тепло от солнечного света, огня или батареи. Чем теплее объект, тем больше от него исходит инфракрасного излучения. Тепловизор – это прибор, который улавливает это тепло от предметов и преобразует его в видимую картинку. Тема тепловизионного контроля для многих связана с военной и медицинской тематикой, но, начав погружаться в его изучение, понимаешь, что множество мирных отраслей откроют для себя по-новому этот невидимый свет. Я решила попробовать разобраться - возможно ли с помощью тепловизора выявить дефекты упаковочного материала, обнаружить чрезмерный перегрев работающего электрооборудования и заметить признаки плохого состояния растений.

Актуальность данной темы сложно недооценить. Во-первых, сельское хозяйство – это ключевая отрасль нашей экономики и своевременное обнаружение признаков стресса растений позволяет более рационально использовать воду и удобрения, снизить потери урожая. Во-вторых, на предприятиях пищевой, фармацевтической продукции качество упаковки напрямую влияет на сохранность и срок годности продукции. Ну и, в-третьих, непрерывная работа оборудования без поломок – мечта каждого предприятия, автосервиса, производства.

Цель:

1. Исследовать возможности применения тепловизора для диагностики различных объектов.

Задачи исследования:

1. Изучить принцип работы тепловизора и узнать, где он применяется;

2. Проверить возможность использования тепловизора для обнаружения дефектов заклейки упаковки, для определения несвойственных горячих точек при работе электрооборудования, для наблюдения за растениями в разных условиях;

3. Сделать анализ полученных результатов.

Гипотеза:

1. С помощью тепловизионной диагностики объектов можно обнаружить дефекты упаковки, прогнозировать неисправности электрооборудования и дать оценку состояния растений.

Методы исследования:

1. Изучение литературы, тематических сайтов в интернете;

2. Опытно-экспериментальная работа;

3. Анализ результатов и подведение итогов.

Объект исследования:

1. Тепловизор, образец германия, треугольная призма;

2. Аппарат высокого давления HAWK 1520, картонные коробки, цветы бегонии и цинерарии.

Практическое использование:

1. Полученную информацию можно использовать на уроках физики, биологии, технологии. Приобретённые знания могут быть применены в дальнейшей работе по изучению свойств и сферах применения тепловизионного оборудования.

1. Теоретическая часть

   1. От открытия инфракрасного излучения до современных тепловизоров

Все началось в 1800 году – выдающийся английский астроном Уильям Гершель, открывший планету Уран в 1781 г., искал способ узнать, сколько солнечного тепла проходит через разноцветные фильтры, которые он использовал, чтобы смотреть на Солнце (Рис. 1.1). Но в итоге совершил поразительное открытие [1].

Рис. 1.1 Световой спектр через стеклянную призму

Гершель описывал это так: «Когда я использовал некоторые фильтры, я ощущал тепло, хотя света было немного, в то время как другие фильтры давали много света, но едва вызывали ощущение тепла».

Фильтры разного цвета пропускали разное количество тепла, и Уильям предположил, что сами цвета могут иметь разную температуру. Он придумал новый эксперимент - направил солнечный свет через стеклянную призму, получил цветовой спектр, а после измерил температуру каждого цвета. Измерив фиолетовый, синий, зелёный, желтый, оранжевый и красный цвета, он обнаружил, что в каждом случае температура была выше контрольной. Температура повышалась от фиолетового к красному спектру. Он пошел дальше – измерил температуру за красной частью спектра, на участке, не пропускавшем солнечный свет. И она оказалась там максимальной. Гершель сделал вывод, что Солнце излучает как видимые, так и невидимые лучи. Так родился невидимый диапазон – инфракрасный. С этого момента стартовала история тепловидения.

От первых тепловизоров-холодильников (они были огромны, потому что в них встраивалась система охлаждения) прошло столетие, но принцип работы этих приборов остался прежним – любой объект с температурой выше абсолютного нуля излучает ИК волны, а значит у него будет тепловой след, который и отобразится на устройстве. Абсолютный ноль – это -273,15*С или 0 Кельвинов – почти нереальная для воспроизведения температура, т.е. тепловизор видит практически все в нашем мире и даже льды Антарктиды ему по зубам. Почему мы не видим это излучение? Наши глаза настроены на узкий диапазон волн – от 380 до 780 нанометров (Рис. 1.2). Тепловизор просто переводит эти невидимые волны в понятную нам цветную картинку. Красный – горячо, синий – холодно.

Рис. 1.2 Спектр электромагнитного излучения

1. 2. Устройство тепловизора и особенности ИК оптики

Многие думают, что тепловизоры видят сквозь все. Но нет. Обычное стекло – это кирпичная стена для них. Стекло для ИК лучей – как зеркало для обычного света. Направив тепловизор на окно –, вы увидите собственное отражение. Поэтому в линзах у них используется не стекло, а германий, который прозрачен для инфракрасного излучения. Он выглядит как матовое черное стекло (я вам покажу его на презентации). Германий очень твердый, но хрупкий и при этом стоит гораздо дороже обычного стекла. На поверхности германиевых линз обязательно есть специальное просветляющее покрытие – иначе большая часть излучения отражается, а не проходит внутрь (Рис. 1.3).

Рис. 1.3 Пластина германия, хим. состав – германий 99,99%, Т* плавления +937*С

Полицейские вертолеты с тепловизорами имеют специальные германиевые иллюминаторы стоимостью от 20000 долларов каждый.

1. 3. Современные области применения тепловизионных технологий

Тепловизионные технологии уже давно вышли за рамки привычных задач военного дела, охраны, видеонаблюдения и замера температуры в эпидемию COVID-19. Сегодня они открывают новые возможности в самых разных отраслях - от экологии до сельского хозяйства.

Сфера применения очень широка и экономически выгодна во многих отраслях:

• Экологический мониторинг. Мониторинг пожаров в лесных массивах — это важный инструмент для защиты окружающей среды. Россия обладает огромными природными ресурсами и уникальными экосистемами, которые требуют тщательного контроля и защиты.

• Пожарные тепловизоры – это самое значимое технологическое достижение в пожаротушении за последние 30 лет.

• Уроки землетрясений – Турция, 2023 год - тепловизионные дроны находили выживших за минуты там, где собаки искали часами.

• Охрана дикой природы и борьба с браконьерством - тепловизионные устройства эффективно работают ночью, видят людей и животных - незаменимая охрана природных территорий.

• Ранняя диагностика оборудования – способ нахождения проблемы до поломки техники. Это снижает расходы на внеплановый ремонт и повышает надежность работы оборудования.

• Строительство и энергосбережение – тепловизоры помогают находить скрытые проблемы в зданиях и на производствах.

• Автомобильные тепловизоры спасают жизни пешеходов и животных. А использование в сельском хозяйстве помогает контролировать микроклимат, проверять системы полива, превентивно лечить скот.

2. Экспериментальная часть

Я предполагаю, что тепловизор во многих мирных отраслях сегодня — это не просто аппарат, а самый настоящий помощник. Производство и бизнес могут найти свое применение тепловизорам, которое сэкономит им время и деньги.

2.1 Тепловизионное исследование дефектов заклейки упаковки

В пищевой промышленности очень важно следить за надежностью упаковки продуктов. Это нужно делать как во время изготовления, так и при перевозке, хранении и продаже продуктов. Частые случаи заболеваний из-за испорченных продуктов говорят о важности жесткого отслеживания данного процесса. Применение тепловизионных камер в процессе изготовления упаковки должно доказать свою незаменимость [6]. Проверим сможет ли тепловизор обнаружить некорректное нанесение клеящего вещества на поверхность упаковки – непроклейку (недостаток клея) или наоборот вытекание (избыток) клея.

Цель: увидеть дефекты клеевого соединения и повреждение картонной упаковки (неравномерное или с отклонением от заданной геометрии нанесение).

Я взяла 3 образца картонных упаковок. Нанесла термоклей: 1 - неравномерно с пропусками, 2 - в избытке - так, чтобы он вытек, и 3 образец склеила равномерно по всей поверхности (Рис. 2.1).

Проверку тепловизором можно провести или сразу после нанесения - термоклей при нанесении продолжительное время имеет повышенную температуру. Или после, незначительно нагрев поверхность с помощью лампы-прожектора, она равномерно и не сильно разогреет поверхность - картон и клей будут иметь разные температуры нагрева.Я применила первый вариант.

Рис 2.1 Сборка образцов картонных упаковок

На термограмме видны места с максимальной температурой – красные, и минимальной – синие (Рис. 2.2). Нанесенный клей отчетливо виден в красном цветовом диапазоне и имеет температуру выше остальной поверхности

Рис. 2.2 Термограмма с нанесенным различным способом клеем

Вывод. Тепловизионная камера позволяет обнаружить температурные различия в области клеевого шва. Поэтому тепловизионный контроль можно рассматривать как дополнительный метод контроля качества упаковки. Данный метод можно использовать на производстве, где есть автоматическая система контроля качества: зона упаковки – камера – тепловизор – компьютер – анализ изображения – сигнал оператору.

2.2 Предсказать поломку за месяц

Тепловизор — это мощный инструмент для бесконтактной диагностики, который позволяет быстро выявлять скрытые неисправности по распределению температуры на поверхности деталей.Он показывает «горячие точки», которые не всегда заметны при визуальном осмотре, и помогает выявить проблему до того, как она приведёт к серьёзной поломке [2].

Работа моих родителей заключается в продаже электрооборудования для автомоек. Я часто бываю у них в сервисной мастерской и слышу вопросы их клиентов – Как долго прослужит аппарат после ремонта? Почему сломалась техника? Что привело к той или иной поломке? И я выясню - возможно ли с помощью тепловизора уловить тревожные звоночки выхода из строя электрооборудования?

Механик Игорь Николаевич с интересом погрузился в мое исследование. Я выяснила, что аппарат высокого давления состоит из плунжерного насоса и двигателя [3]. Двигатель приводит в работу насос, плунжеры совершают возвратно-поступательные движения – двигаясь назад они всасывают воду, а двигаясь вперед вытесняют ее под высоким давлением в шланг (Рис. 2.3).

Рис. 2.3 Устройство плунжерного насоса

В следствии перепада напряжения, избыточного трения или производственного брака, двигатель или насос могут работать некорректно, перегреваться и, как следствие, постепенно выйдет из строя или вся система, или основные узлы [4].

Но сам факт нагрева еще не будет означать неисправность. Наша задача вовремя выявить проблему. Если производить замер аппартов раз в 2 дня на протяжении 2х недель можно обнаружить несвойственные горячие точки, провести дополнительную проверку и вовремя откорректировать систему (Рис. 2.4).

Рис. 2.4 Замер тепловизором температуры АВД на автомойке

На протяжении двух недель мы замеряли рабочую температуру 3х аппаратов на автомойке в г. Анапа. Были проведены тепловые замеры выключенных аппаратов, через час работы и спустя 2 часа работы. Результаты представлены в табл. 2.2, термограммы на рис. 2.5.

Рис. 2.5 Термограммы выключенного, работающего в норме и в перегреве аппаратов

На термограмме 3 явно видно повышение температуры на узле двигателя, а точнее в области вала. Спустя 4 дня этот аппарат перестал включаться, был забран нами в сервис и при разборе мы увидели, что плунжера заклинило в следствии перегрева. Как оказалось оператор и ранее жаловался на некорректную работу данного аппарата. Механик произвел замену уплотнений на заклинивших плужерах, а если бы проблема была выявлена раньше – ремонт заключался бы всего лишь в диагностике электросети.

После выдачи оборудования из ремонта я продолжила замеры. За оставшиеся 12 дней критических температур на всех 3х аппаратах замечено не было.

Таблица 2.2 Замер нагрева моноблоков на автомойке, г. Анапа

Экономическая целесообразность данной работы безусловно есть. Себестоимость 1 автомоечного поста составляет в среднем 150000₽. Из них стоимость двигателя - 50000-55000 рублей. Насосный агрегат – 30000-35000 рублей. Стоимость тепловизора с выведением качественной термограммы составит от 100 до 130 тысяч рублей. Наши рекомендации приняли в работу и теперь 2 раза в месяц мы сдаем в аренду свой тепловизор. Я сделаю презентацию этих результатов другим автомойкам и уверенна - они заинтересуются!

Вывод. Имея тепловизионное оборудование сохранить непрерывную работоспособность техники на различных производствах возможно. Особенно при мониторинге 24\7, фиксации критических температур и правильном понимании причин нагрева.

2.3 Исследование возможностей тепловизора для определения состояния растений

Дядя моего отца фермер в Приморско-Ахтарском районе, ст. Степная. Он выращивает кукурузу, горох, пшеницу. Когда он рассказывает о современном фермерском хозяйстве, кажется, что это уже не просто поле, трактор и теплица, а целая лаборатория под открытым небом. А ведь аграрии также могут использовать тепловизионное оборудование для оценки состояния растений:

- при недостатке влаги закрываются устьица, уменьшается испарение и повышается температура листьев – тепловизор увидит разницу температур;

- при некоторых грибковых, бактериальных и вирусных заболеваниях появляются температурные аномалии [5];

- поврежденные участки могут иметь температуру выше или ниже окружающей здоровой ткани.

Проверю: способен ли тепловизор обнаружить признаки водного стресса до появления внешних изменений. Почему это возможно: при достаточном количестве воды растение через устьица испаряет воду, это способствует охлаждению листа. При недостатке влаги работа устьиц меняется - они закрываются, температура листьев может повышаться.

Взяла 6 практически одинаковых по размеру цветов бегонии и цинерарии (у них плотные мясистые листья, и они выдержат 9ти-дневный эксперимент) и разделила их на 2 группы:

1я группа получала достаточное количество воды – контрольная.

2я группа временно не получала полив – экспериментальная.

При этом остаются неизменными температура воздуха, освещенность, расположение растений, время измерения, расстояние до тепловизора (Рис. 2.6).

Рис. 2.6 Замеры температуры листьев бегонии и цинерарии

Выбраны по 3 листа на каждом растении и для каждого растения я взяла среднее значение: Тср = (Т1+Т2+Т3)/3 (Т1, Т2, Т3 – температура трех листьев одного растения). Эксперимент проводила 9 дней (Рис. 2.7).

Табл. 2.3 Результаты замера температуры листьев

Рис. 2.7 Термограмма бегонии на 6й день эксперимента, цинерарии на 9й день

В условиях моего эксперимента средняя температура листьев экспериментальной группы была выше контрольной группы от 1*С на третий день до почти 3*С на 9й день и это совпало с визуальными признаками нехватки растениям воды – листья опустились, подвяли, земля растрескалась, цвет листьев слегка изменился (Табл. 2.3).

Вывод. Я делаю вывод, что тепловизор может справиться с ранним исследованием состояния растений. Он не панацея - он не покажет причину их плохого состояния, но совместно с визуальным осмотром, измерением влажности даст возможность заблаговременно подготовиться к возможным проблемам: оптимизировать графики полива, провести целенаправленное лечение от вредителей, внести удобрения, спрогнозировать урожайность.

3. Заключение.

Задачи работы выполнены, цель достигнута, гипотеза подтвердилась. С помощью тепловизионной диагностики можно обнаружить изменения температуры объектов и вовремя обнаружить повреждения, неисправности или признаки ухудшения состояния, которые не всегда видны даже вооруженным глазом.

А что дальше? Тепловизоры становятся меньше, дешевле, точнее. Скоро они будут в каждом смартфоне по умолчанию – как когда-то казалось фантастикой иметь камеру в телефоне. Представьте: заходите в магазин, наводите телефон на стейк и видите, насколько он свежий по распределению температуры. Или проверяете, не врёт ли продавец подержанной машины про «один владелец, не битая» – перекрашенные детали имеют другую теплопроводность. Мир в инфракрасном спектре полон сюрпризов. И теперь вы знаете о нём чуть больше. Кстати, а вы знали, что, читая и вникая в мой проект, ваше лицо нагрелось от напряжения мозга? На тепловизоре это было бы отлично видно. Вот так – даже процесс мышления оставляет тепловой след в нашем мире.

Использованная литература:

1. Биография Уильям Гершель [Электронный ресурс]. – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Гершель,_Уильям

2. Бажанов, С. А. Тепловизионный контроль электрооборудования в эксплуатации / С. А. Бажанов. — М.: Энергопрогресс: Энергетик, 2005

3. Моргунов, К. П. Насосы и насосные станции: учебное пособие для СПО. — 2-е изд., стер. — СПб.: Лань, 2021

4. Тепловизионный метод контроля состояния кузова автомобиля [Электронный ресурс]. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/teplovizionnyy-metod-kontrolya-tehnicheskogo-sostoyaniya-kuzova-legkovogo-avtomobilya/viewer

5. Якушкина, Н. И., Бахтенко, Е. И. Физиология растений

6. Тепловизор контролирует упаковку продуктов [Электронный ресурс]. – URL: https://specsolution.ru/media/case/teplovizor-kontroliruet-upakovku-produktov-bytovoi-himii/?ysclid=mszmx5w11o912677483