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Ricerca & Sviluppo termografia

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Ricerca & Sviluppo

Transitorio termico su una piastra riscaldante

In queste immagini all'Infrarosso possiamo apprezzare la versatilità del metodo termografico come supporto tecnico all'avanguardia per gli studi sul miglioramento della qualità e della resa dei prodotti industriali. 

Sia che si parli di competitività di un prodotto (ad esempio un elettrodomestico) sul piano commerciale, sia che si tratti di migliorare la resa di un forno elettrico industriale nel campo siderurgico, la termografia viene in nostro aiuto per analizzare  la situazione dell'oggetto,  programmare uno studio mirato, e verificare i risultati in seguito.

Vogliamo portare un esempio dell'attività WEMES in cui l'oggetto del lavoro era:

Calcoli agli elementi finiti FEM su elementi riscaldanti per piani di cottura in vetroceramica.

Scopo del lavoro:  
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calcolo mediante elementi finiti degli sforzi termomeccanici agenti sulla piastra radiante rapida, per piani di cottura in vetroceramica. Evidenziazione degli eventuali punti critici, determinazione delle soluzioni ed ottimizzazione della configurazione finale.

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Rilevamento delle problematiche strutturali dell'elemento riscaldante tramite termografia all'infrarosso.

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Raccolta dei dati necessari allo svolgimento del lavoro: per l'impostazione del modello ed il successivo calcolo agli elementi finiti degli sforzi in varie condizioni di carico da concordare.

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Verifica della geometria e della distribuzione dei carichi agenti sull'elemento riscaldante.

  I calcoli e le elaborazioni hanno riguardato principalmente:
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L'elemento riscaldante nelle configurazioni base principali.

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I carichi: termici, meccanici ed elettrici.

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Il calcolo degli sforzi agenti sulle varie parti dell'elemento, per evidenziare i possibili punti critici.

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La determinazione dell'andamento spaziale della temperatura all'interno e sull'elemento riscaldante.

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Analisi: termica (conduzione, convezione ed irraggiamento), meccanica, strutturale, elettrica e fluidodinamica (interna).

Lo studio è stato diviso in più fasi:

-Ricerca delle metodologie più adatte agli scopi che ci si prefigge tramite le seguenti modalità:
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Ricerca bibliografica

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Studio ed analisi teorico-analitica delle varie topologie, per determinare i difetti in funzione del metodo di rilevamento

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Analisi con simulazione termico-dinamica tramite metodi agli elementi finiti applicata alla struttura

-Applicazione operativa delle metodologie scelte nella fase di ricerca
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Provini con vari materiali e topologie di configurazione

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Esame di strutture reali da provare

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Durante il transitorio termico di riscaldamento, di raffreddamento e transitorio termico veloce

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Determinazione della risoluzione e validità dei calcoli, imposti dai metodi usati

-Ottimizzazione delle migliori topologie precedentemente trovate
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Loro applicazione in modo continuativo sulle strutture da esaminare durante le prove

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Verifica delle configurazioni più idonee ed ottimali per il lavoro di prove periodiche

Lo studio ha lo scopo di verifica e confronto con le misure:
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Esame della struttura dell'elemento riscaldante con la termografia ad infrarossi, durante il transitorio termico 'quasi-stazionario' ed il transitorio termico di primo riscaldamento veloce

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Messa a punto delle metodologie operative, per ottenere i migliori risultati in fase di rilevamento dei parametri strutturali interni

Misure e rilievi
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Caratterizzazione in funzione della temperatura dell'indice di emissività e trasmissività delle superfici in esame (2 metodi)

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Rilievo delle mappe termiche sull'elemento riscaldante nella configurazione ottimale determinata tramite i calcoli

Analisi dei rilievi per il confronto con i calcoli
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Analisi del profilo della temperatura lungo le pareti dell'elemento tramite un contorno spezzato

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Analisi isotermica e tridimensionale della temperatura sulle superfici dell'elemento riscaldante

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Analisi della disuniformità della temperatura con una statistica in frequenza e relativo istogramma

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Valutazione generale dei rilievi ed eventuali osservazioni

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Documentazione delle misure per consentire una identificazione dei punti interessanti e per un confronto con i risultati dei calcoli

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La post-elaborazione dei dati con mappatura termica  pesata in funzione dell'emissività, tramite la programmazione ad hoc del programma d'analisi termica.

   

Analisi termografica su di un resistore.

 

      

Esempio di calcolo agli elementi finiti.

 

            

Analisi termografica della piastra riscaldante.       

 

   

Immagine nel visibile e immagine all'infrarosso di un resistore.

 

Esempio di intervento condotto dai professionisti WEMES Consulting:

Termografie per il controllo del processo di saldatura ad arco-plasma.

 

1. Oggetto del lavoro.

Intervento di rilievi Termografici per un controllo di processo industriale

Esecuzione di rilievi termografici a mappa termica.

 

2. Scopo del lavoro.

L’intervento ha avuto lo scopo di verificare e misurare le mappe termiche sull’elemento di deposito della saldatura tramite torcia al plasma di un tubo circolare.

 

3. Descrizione della lavoro

            Misure e rilievi.

·      Raccolta dati sui componenti termici principali e del processo di deposito del materiale di saldatura ad arco tramite torcia al plasma.

·      Verifica a temperatura ambiente 20°C e 40-50°C dell’indice d’emissività delle superfici principali in esame, tramite riscaldamento ridotto fino ca. 100°C e misura con termometro di precisione e/o con materiale ad indice d’emissività noto.

·      Verifica o caratterizzazione dell’indice di trasmissività ed emissività dei materiali in oggetto di misura.

·      Ispezione e rilievo delle mappe termiche sulle superfici d’interesse preventivamente individuate:

·      Per tutti i campioni e configurazioni sono state acquisite, analizzate e confrontate le mappe termografiche della superficie.

·      Posizionamento termocamera: centrale a perpendicolo sulla superficie, costante per consentire un confronto tra misure successive.

·      Memorizzazione dei riferimenti fisici spaziali dell’elemento riscaldante, tramite fotocamera digitale nel visibile 1024x768 pixel colore a 24bit , in file ‘.jpg’

·      I riferimenti spaziali sono stati determinati tramite  punti segnati sull’elemento saldato da provare, con  vernice di differente colore ed indice d’emissività ( in alluminio riflettente).

·      Intervallo di temperature  analizzato: da 20°C a 1500°C.

·      Visti i campi di misura della termocamera, è stato necessario durante la sequenza dei rilievi transitori effettuare due registrazioni con un cambio del campo di misura.

·      Memorizzazione delle mappe termiche ‘.img’ 320x240 pixel con dinamica a 14bit nel campo di misura della temperatura, risoluzione 0.1°C@30°C e precisione +/-2% o +/-2°C.


Ispezione e rilievo delle mappe termiche sull’elemento da saldare:

·      Elenco parti principali nelle seguenti configurazioni:

A) 500mm

1) beccuccio

2) zona di saldatura

B) 1000mm

1) beccuccio

2) zona di saldatura

·      Per tutti i campioni sono state acquisite, analizzate e confrontate le mappe termografiche della superficie degli elementi concordati, per la seguente sequenza di rilevamento su ogni campione:

·      1 transitorio dall'accensione da 0s (20°C) a 30s (stato stazionario ca. 1500°C)  n° f.to ca. 30

·      1 termogramma ogni 10" sino a circa 6 min dall’alimentazione (fine saldatura)     n° f.to ca. 36

·      uno per ogni range di temperatura.

·      1 immagine termografica per tutti i campioni delle 2 configurazioni AB in stato stazionario della superficie interna dell’elemento.

·      2 transitori (1 fr./s) all'accensione da 0s (20°C) a 30s (stato stazionario ca. 1000°C)          n° f.to ca. 62

·      uno per ogni range di temperatura.

·      1 termogramma ogni 15" sino a 3 min dall’alimentazione  

·      1 termogramma ogni 30" sino a 6 min dall’alimentazione  

·      1 termogramma ogni 60" sino a 15 min dall’alimentazione

·      1 immagine termografica per tutti i campioni delle 4 configurazioni A, B in stato stazionario della superficie interna dell’elemento.

 

            Analisi dei rilievi.

·        Per ognuna delle configurazioni concordate 1 mappa termica:

o       1 Analisi del profilo della temperatura lungo una parte dell’elemento della torcia di saldatura.

o       1 Analisi isotermica della temperatura in stato stazionario sulle superfici d’interesse.

o       1 Analisi della disuniformità della temperatura con una statistica in frequenza e relativo istogramma (in area o profilo).

·        1 grafico del transitorio termico nel tempo di 4 punti di particolare interesse.

·      Elaborazione, analisi, stesura della relazione, sulle misure effettuate e descritte in precedenza.

·      Esportazione dei file immagine (.img) della serie analizzata in formato:

·      Testo (.csv) caricabile in excel, Bitmap (.bmp) con scala di temperatura.

·      Valutazione generale dei rilievi ed eventuali osservazioni.

·      Documentazione delle misure per consentire una successiva identificazione dei punti interessati e per un eventuale confronto dopo i necessari interventi di risoluzione delle anomalie.

·      Consegna della relazione dettagliata sui rilievi effettuati, con la relativa documentazione fotografica nel visibile e mappa termica nell’infrarosso, 1 stampa con elaborazione per ognuna delle configurazioni rilevate.

·      La documentazione viene  fornita su supporto cartaceo per l’immediata visione, le eventuali immagini termiche e fotografie digitali non stampate sono memorizzate su un CD-ROM, in modo da formare un archivio storico confrontabile con i rilievi futuri.

·      Fornitura del software per la visione delle mappe termiche ‘.img’ e loro esportazione in file ‘.bmp’.

·      Nelle condizioni operative è stato  necessario raffreddare la termocamera con un flusso d’aria a temperatura ambiente Tamb<45°C,

     ventilatore di raffreddamento.

·      E’stato necessario proteggere la termocamera dalla proiezione di eventuali materiali dalla zona di saldatura.

·      Poiché l’indice d’emissività influenza solamente la misura diretta della temperatura, per avere un contrasto nelle immagini termiche è stato sufficiente agire sui limiti e sul campo di visualizzazione, salvo poi in sede di misura quantitativa della temperatura, tenere in considerazione la differenza d’indice d’emissività.

·      L’analisi quantitativa energetica è stata effettuata  a parte.

·      Allo scopo d’ottenere un risultato nell’analisi che fosse il più possibile attinente con la realtà, si è ritenuto necessario che al momento dei rilievi le condizioni ambientali ed operative fossero quelle preventivamente concordate per gli scopi prefissi.

·      Per applicazioni su superfici particolari è possibile rilevare i riferimenti topografici mediante una griglia laser, o la Termografia con stimolazione impulsata o modulata (lockin)

 

Strumentazione principale usata.

            Le apparecchiature (Termocamera ad infrarossi AGEMA THV570) impiegate saranno di classe tale da garantire in ogni condizione di lavoro la qualità dei risultati finali:

·        Sensore a microbolometri da 320x240 pixel Focal Plane Array con digitalizzazione a 14bit

o       Matrice di microbolometri sempre esposta: Long Wave Band 7.5-13mm

§         Tempo di risposta: microbolometro 12ms; scansione quadro 20ms.

o       Risoluzione IFOV 1.3mrad, distanza minima di fuoco 0.5m FOV 0.21m.

o       Campi di temperature selezionabili tra -20°C a 1500°C;

§         -20 a 120°C               misura estrapolata fino a –47° e 216°C

§         80 a 500°C                 misura estrapolata fino a 30°C e 1059°C

§         350 a 1500°C             misura estrapolata fino a 216°C e 1854°C

o       Valutazione degli incrementi termici con lo scarto NETD di 0.1°C@30°C.

·        Campo visivo di 24°x18° corrispondente ad una superficie di circa 0.42m x 0.32m con una risoluzione di circa1.3mm alla distanza di 1m, distanza focale minima 0.5m IFOV 0.66mm.

·        Possibilità di usare un obiettivo 2x (12°) o 7° per aumentare la risoluzione delle mappe termiche (6.6mm a 10m)

·      Software IRresearch2.1 per l’analisi, l’acquisizione e controllo della termocamera.

·        Possibilità di registrazione delle immagini direttamente su nastro magnetico (segnale PAL 50Hz) o su disco magnetico (con frequenza da 1Hz fino a 5-7 Hz o su richiesta 50Hz), per l’analisi dinamica dei transitori termici

·        Fotocamera Digitale 1024x768 pixel, profondità dei colori 24bit.

·        Termometro di precisione con sonda PT100 a contatto, con ris. 0.1°C nel campo da –20 a 200°C.

·        Anemometro ad elica con risoluzione 0.1m/s nel campo da 0 a 40m/s.

 

 

 

 

Responsabile del coordinamento per l'Ingegneria: WEMES Consulting

Dr. in Physics Alberto Fragiacomo (Engineering Coordination Manager)

Via Rossini 31/A, I-30171 Mestre-Venezia (VE), ITALY;  Winter Local Time: GMT+1
Tel. :                                      Fax to email: +39 02 30132890
Mob.:  +39 347 2618940  ;   Email: wemes@wemes.it 
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Update the: 25 settembre 2013