1 Objectifs. Méthodes de maintenance Thermographie en maintenance. TSMI Lycée Jean Dupuy - Tarbes

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1 Méthodes de maintenance Thermographie en maintenance TSMI Lycée Jean Dupuy - Tarbes 1 Objectifs Thermographie : Technique d enregistrement graphique des températures de divers points d un corps par détection du rayonnement infrarouge qu il émet. La thermographie, c est visualiser une image de la température d une cible à distance et sans contact (le thermogramme) On transpose en couleurs visibles le rayonnement infrarouge lié à la température de l objet. On associe à l échelle de température une échelle de couleurs. 1.1 Domaines d application La thermographie est utilisée dans des domaines très variés : Médecine Recherche & développement Bâtiment Maintenance préventive 1.2 Application à la maintenance La thermographie permet de détecter et localiser des températures anormales liées à des défaillances (maintenance corrective) ou à la dégradation d un bien (maintenance conditionnelle et prévisionnelle) Exemple : les installations électriques En règle générale la température d un composant d une installation électrique ne doit pas dépasser une limite maximale : Limite relative : la température ne doit pas dépasser de plus de 40 C la température ambiante. Limite absolue : la température doit être inférieure à 60 C, cette valeur dépend des matériaux utilisés (des isolants en particulier) et de l environnement. L échauffement est lié à la circulation d un courant dans un circuit résistif. Une température anormale peut être liée à : S. Boularand - Thermographie en maintenance - 1 / 16

2 Un courant anormalement élevé charge trop importante mauvaise répartition de charges courant de fuite. Un circuit anormalement résistif cosses mal serrées oxydation tous les mauvais contacts. Ces seuils correspondent à des défaillances existantes (maintenance corrective) ou imminentes. Le suivi dans le cadre d une maintenance préventive doit permettre d agir avant ces seuils en détectant une élévation de température ΔΘ : En relevant régulièrement la température (ΔΘ évolue dans le temps) Mise en œuvre d une procédure de suivi pour pouvoir observer l évolution de la température. C est l objet du chapitre 4 En comparant avec des équipements identiques (ΔΘ évolue entre équipement) Recherche d équipements du même type, dans des conditions identiques Conditions de mesure Les conditions doivent être identiques (la charge en particulier). Même courant = nécessité de mesurer le courant Si ce n est pas le cas, il faudra tenir compte de l écart de charge : ΔΘcorrigé = ΔΘbrut x (Iréférence/Imesuré)² Sur une durée suffisante pour que l élément surveillé ait atteint un régime établi Dans un environnement identique Il est difficile de réunir ces conditions. Il faudra donc en tenir compte dans l interprétation des thermogrammes Application : Comment analyser la différence de couleur des relais? Ils ne sont probablement pas tous actifs. Comment analyser la différence de couleur des ponts redresseurs? Ils ne sont probablement pas tous actifs. Celui du premier plan est actif. Ses cosses n ont pas toutes la même température, alors que le courant est identique (connaissance technologique). Il y a donc une élévation anormale de la température. S. Boularand - Thermographie en maintenance - 2 / 16

3 1.2.2 Interprétation Selon l élévation de température, on peut évaluer l état de dégradation du bien et agir en conséquence : +0 C +10 C +20 C +30 C +40 C Défaut sérieux Action corrective urgente Equipement à surveiller Défaut avéré Il faut planifier une action corrective ΔΘ Défaut critique Action corrective urgente Application : Interprétation de la différence de couleur des ponts redresseurs? Ecart de 30 C, une action corrective urgente doit être prévue 1.3 Intérêt de la thermographie La thermographie est un moyen de maintenance corrective en permettant de détecter et localiser un défaut. C est aussi un moyen de suivre des installations en maintenance préventive conditionnelle. Pas de contact, c est un avantage décisif sur les installations ou il existe un risque, comme les installations haute tension. Le champ de vision est large 2 Principe 2.1 Température et chaleur La température mesure le degré d'agitation des particules : plus les molécules d'un objet sont agitées, plus il est chaud. Moins elles bougent, plus il est froid. On mesure la température en degrés Celsius, ou Kelvin. A 0 K = -273 C, il n y a plus d agitation thermique. La chaleur, c'est le transfert de l'agitation thermique entre des corps de température différente. Quatre phénomènes d'échanges entrent en jeu : l'émission d un rayonnement thermique, caractérisé par l émissivité ε. la transmission par conduction la réflexion ou la diffusion de l énergie reçue l'absorption thermique. Le bilan énergétique et la loi de la conservation de l énergie montrent qu un corps qui absorbe peu, réfléchi peu et transmet peu émet donc beaucoup de flux en la chaleur transmise. On appelle corps noir un objet isolé qui ne réfléchi pas. Son émissivité est donc maximale ε =1. A contrario, un objet qui réfléchi beaucoup, a une émissivité faible. Quelques valeurs (variables selon l état de surface et la température) : S. Boularand - Thermographie en maintenance - 3 / 16

4 Matériel Emissivité Or 0.02 Aluminium 0.03 Laiton rouge (85%Cu, %Zn) Laiton jaune (65%Cu, %Zn) Papier d aluminium 0.05 Etain 0.06 Cuivre Panneau d amiante 0.12 Fer doux 0.12 Aluminium couché sur papier 0.2 Acier galvanisé 0.25 Plomb 0.28 Fonte neuve 0.45 Peinture aluminium 0.5 Acier trempé 0.52 Cuivre oxydé 0.76 Acier oxydé 0.79 Peinture noir lustré 0.8 Peinture blanche 0.85 Bois, papier, maçonnerie 0.9 Peintures non métalliques 0.9 Béton 0.9 PVC 0.93 Verre 0.94 Fer oxydé 0.94 Peinture noir mat 0.96 Aluminium anodisé noir 0.96 Noir absolu 1 Conclusion : Valeur de l émissivité réelle mal connue (on peut la mesurer) Le rayonnement dépend de la température et de l émissivité, auquel peut s ajouter la réflexion d autres rayonnements Application : Comment analyser la différence de couleur sur le radiateur? Il est peint en noir (e=1), sauf sur la tranche ou l aluminium est brut (e faible). Le radiateur rayonne donc moins sur cette zone, et la température est sous évaluée. La température est probablement constante (connaissances technologiques) 2.2 Rayonnement infrarouge Tout objet émet donc un rayonnement dit «thermique» lié à la température et à son émissivité si sa température est supérieure à 0 K L infrarouge est une gamme de longueur d onde à la limite supérieure du spectre visible (au delà du rouge d où le nom d infrarouge) dans laquelle ce rayonnement est le plus important. Comme pour les autres rayonnements, il existe des matériaux transparents ou opaques. S. Boularand - Thermographie en maintenance - 4 / 16

5 Attention : ce qui est transparent pour le spectre visible ne l est pas forcement en IR Ecrans Transparent dans le visible Transparent dans l'infrarouge Verre oui non Plexiglas oui non polycarbonates oui oui matériaux opaques classiques non non (bois, métal...) certaines matières plastiques (sacs poubelles notamment...) non oui Conclusion : Mesurer le rayonnement thermique permet de déterminer la température si on connaît l émissivité. Attention aux réflexions Attention aux matériaux traversés Attention, compte tenu de ces incertitudes on abouti souvent plus à une image qui permet d évaluer la température qu à un véritable moyen de mesure 2.3 Moyens de mesure Les thermomètres infrarouges sans contact, destinés à la mesure à distance de la température d'une cible. La taille de cette cible dépend notamment de la distance thermomètre - cible, et du type de laser dont le thermomètre est équipé. Suivant le degré de perfectionnement du thermomètre, il permet ou non réaliser les fonctions suivantes : - faire varier l'émissivité, - mesurer les températures minima et maxima de la cible visée, - enregistrer les températures mesurées Ils sont utilisables par des opérateurs non-spécialistes de la thermographie infrarouge. Les imageurs thermiques, destinés à visualiser la température d'une scène observée. Ils ne permettent pas la mesure de températures. Les caméras infrarouges de mesure thermique permettent la visualisation et la mesure de la température d'une scène observée. Les images peuvent être enregistrées puis traitées de façon plus approfondie sur PC. La principale différence technologique qui distingue les caméras actuellement proposées sur le marché est leur système de refroidissement : Refroidissement par effet Peltier : l application de l'effet thermoélectrique Peltier (absorption ou dégagement de chaleur à la jonction de deux métaux différents, lors de la mise en circulation d'un courant électrique) aux détecteurs infrarouges permet de refroidir ces derniers à des températures proches de 100 C. Cette technologie est moins élaborée que les autres (voir paragraphes suivants), mais sa puissance de réfrigération est réduite. Refroidissement par circuit fermé Stirling : un circuit de refroidissement fermé, caractérisé par des phases de compression et détente isothermes, permet de refroidir le détecteur à des températures proches de 190 C. La consommation et l encombrement sont faibles; forte puissance de réfrigération. Maintien en température (système bolométrique) : elles sont utilisables par des opérateurs ayant reçu une formation sérieuse sur la thermographie infrarouge. S. Boularand - Thermographie en maintenance - 5 / 16

6 2.4 Structure d un imageur Optiques Comme sur un appareil photo, un bloc optique qui a pour fonction de projeter l image visée sur le capteur. Ce bloc se caractérise par sa distance focale, son ouverture de champ (angle de prise de vue). La mise au point peut être manuelle ou automatique (autofocus). Elle va d une valeur minimale liée à la constitution du bloc optique à l infini Capteur CCD (Charge Coupled Device) C est une matrice de capteurs qui fournisse un signal numérique d éclairement. L image est donc composée de points, les pixels. Le nombre de pixel par colonne et par ligne forme la résolution. La projection de l objet sur le capteur CCD doit au moins couvrir complètement un pixel pour être exploitable. Il faut donc que l image de l objet soit la largeur de 2x2 pixels minimum. On recommande de retenir au moins 3x3 pixels. Le constructeur indique l IFOV (Instantaneous Field-of-View) qui correspond à l angle de vue d un pixel, HFOV et VFOV qui indiquent la dimension du champ Contrôleur Cœur de l imageur, il assure la lecture du CCD, la conversion rayonnement/température et il détermine la plage de couleur correspondant. Il gère l afficheur LCD, le clavier et l interface de communication. Il permet le stockage d images dans sa mémoire CCD Contrôleur + Mémoire Afficheur Clavier Interface USB Conclusion Plus on est loin de la cible plus l image sur le CCD est petite, et donc plus les objets doivent être gros pour que le système puisse indiquer la température. Pour les petits objets, on doit s approcher, ce qui est limité par la mise au point mini. Pour contrôler une armoire on doit évaluer la distance et éventuellement prévoir de faire plusieurs clichés. 3 Caractéristique d un imageur Analyse de la description de la ThermaCAM E25 (page 16) Est-ce un système à mise au point manuelle ou automatique? Manuelle Quel est le rôle du laser? Indiquer à l utilisateur le point central de l image, point ou l imageur indique la température Quelle est la précision? ± 2 C ou ± 2% de la lecture. A relativiser car on connaît en général mal l émissivité S. Boularand - Thermographie en maintenance - 6 / 16

7 Relevez le nombre de pixels par ligne et le nombre de lignes Relevez la taille du champ Déduisez en la distance a laquelle on doit se placer pour évaluer la température d un fil de Ø 3mm placé verticalement. 160 pixels par ligne 120 lignes Champ de 19 x 14 Fil vertical, donc pas de problème en vertical, on a plus de 3 pixel En horizontal il faut au moins 3 pixels Champ pour 3 pixels = 19 x 3/160 = 0,356 On arrive a ce résultat par l IFOV aussi 3 x 2 mrad x 360 /2π = 0,343 Ce qui représente une largeur = distance * tg angle d ouverture Pour un objet de 3 mm, la distance maxi = 3 mm / tg = 48 cm Ce qui est compatible avec la mise au point mini (30cm) C est une prise de vue proche, il faudra donc beaucoup de clichés pour visualiser l ensemble de l armoire. Quelle est la taille du plus petit objet visualisable? Mise au point mini = 30 cm Donc taille mini = 0,30 x tg 0,356 = 1,85 mm x 1.85 mm Dans ce cas on a une prise de vue très réduite : de 10 cm x 7,4 cm Le constructeur donne un tableau indiquant la dimension correspondant à un pixel en fonction de la distance : On retrouve le résultat précédent : à 50 cm, un pixel correspond à un objet de 1mm. Pour couvrir 3 pixel, l objet doit faire au moins 3 mm x 3mm. Le thermogramme couvre 16cm x 12 cm. Cette dimension correspond au cercle central visible sur l écran S. Boularand - Thermographie en maintenance - 7 / 16

8 4 Méthodologie en maintenance préventive conditionnelle 4.1 Démarche La mise en place d'une maintenance conditionnelle associée à des moyens de surveillance thermographique procédera de façon sélective : La sélection des équipements qui feront l'objet de contrôles et suivis par la thermographie infrarouge : parmi les installations électriques, parmi les installations dotées de matériaux calorifuges et réfractaires, parmi les installations dont certaines défaillances se manifestent par des échauffements détectables préventivement par l'outil thermographie infrarouge. La sélection des composants et des défaillances potentielles dont la connaissance par retour d expérience des exploitants, fournisseurs, constructeurs, spécialistes, aura permis d évaluer les risques et leur criticité (AMDEC). La connaissance des symptômes annonçant la défaillance des composants déjà rencontrée et ayant fait l objet de retour d expérience des concepteurs et acteurs aux différents stades du cycle de vie. La mise en place de la méthode de surveillance la mieux adaptée et à l'importance des équipements, sachant qu'un contrôle par thermographie infrarouge est quasiment toujours mis en œuvre actuellement dans le cadre de suivis périodiques pour les applications de maintenance. (Il existe cependant des moyens de surveillance continue, plutôt comme aides à la conduite, des fours en particulier, pour vision permanente des flammes et réglage des brûleurs). La périodicité est le paramètre à fixer, suivant la vitesse connue et/ou estimée de dégradation de l'équipement. Elle est très variable suivant le type d'équipement surveillé. La fréquence peut être accélérée si les symptômes précoces le justifient. La sélection des moyens de mesure qui permettront de suivre les paramètres retenus : choix d'un " imageur " ou d'un mesureur thermique choix du mode de collecte des images infrarouges (enregistrement ponctuel des images ou continu du film du contrôle). La sélection des moyens de traitement associés aux outils d acquisition : dans la majorité des cas, un logiciel spécifique est associé à la caméra infrarouge retenue, et développé par le fabricant de la caméra. Mise en œuvre d une structure de suivi pour être capable de suivre l évolution thermique de l équipement. 4.2 Création d une signature On réalise une visualisation de l équipement sain, afin de pouvoir détecter des anomalies par comparaison. Matériel nécessaire : Caméra thermographique S. Boularand - Thermographie en maintenance - 8 / 16

9 Appareil photo Pince ampèremétrique Vous devez aussi disposer des schémas de l installation et des paramètres de conduite Sélection des composants ou des parties e l équipement à visualiser Composants particuliers armoire électrique Définition de l état de référence de l équipement configuration taux de charge (courant, puissance, ). Une mesure de courant est souvent nécessaire Définition des prises de vue Paramétrage de la caméra Evaluez l émissivité des éléments visés. A partir de la table d émissivité En prenant une valeur moyenne compte tenu des différents matériaux et des couleurs. Ne pas tenir compte des informations relevant de matériaux dont l émissivité est très différente. Evitez les objets dont l émissivité est faible (métaux polis par exemple) : la mesure sera difficile car ils rayonnent peu en fonction de la température, l erreur d évaluation de la température est importante. Adaptez la gamme de température/couleur Pour que les détails apparaissent dans la zone ou vous cherchez à visualiser la température Utilisez une palette mettant en évidence le défaut Position & cadrage Assurez-vous que l environnement ne perturbe pas la mesure attention aux matériaux opaques aux IR (verre par ex.) ou transparents. risque de réflexion de sources de rayonnement environnantes Se mettre face à l objet visé (ne pas dépasser 45 d écart) Adopter une distance compatible avec la dimension de ce qu on souhaite visualiser Vérifier que l imageur a une définition suffisante en utilisant la table donnée par le constructeur. L objet doit déborder du cercle central de l afficheur pôur que la température affichée soit significative S. Boularand - Thermographie en maintenance - 9 / 16

10 Faire la mise au point Pour que l image soit nette Réalisation de la prises de vues En image thermique En image optique, da la même position, avec le même cadrage Rédaction d un rapport Etat de l équipement Etat de l environnement de référence Définition des prises de vues Images thermique et optiques 4.3 Analyses périodiques La maintenance préventive conditionnelle repose sur une surveillance réalisée selon un période compatible avec la vitesse supposée d évolution des défauts recherchés Elle consiste en une série de prises de vues, selon la procédure définie lors de la signature. Matériel nécessaire : Caméra thermographique Appareil photo Pince ampèremétrique Mise en situation Vérifier que l équipement est dans son état de référence. Vérifier que l environnement est proche de celui de la signature Sinon, il faudra tenir compte de cet écart dans l analyse Prises de vue Identiques à celles de la signature, thermographique et optiques Analyse Comparaison des clichés Recherche de différences Recherche des causes de différence (tenir compte des écarts de configuration et d environnement) Conclusion : est-ce un défaut et quelles actions doit-on mener Rédaction d un rapport Etat de l équipement Etat de l environnement Images thermique et optiques Analyse Conclusions S. Boularand - Thermographie en maintenance - 10 / 16

11 4.3.5 Suivi Identification des actions à mener Identification des éléments à surveiller, et programmation de cette surveillance Archivage 5 Exemples de thermogrammes Applications en maintenance préventive conditionnelle et en expertise Electricité HTA/HTB Vérifier que les intensités sont les mêmes Faible élévation de température, a surveiller Problème de contact au niveau du sectionneur Support de l'isolateur à contrôler Isolateur défectueux Mauvaise connexion sur liaison haute tension Echauffement sur la connexion de l'isolateur Inspection de lignes à haute tension Electricité BT/TBT S. Boularand - Thermographie en maintenance - 11 / 16

12 Image visible Echauffement des câbles normal Mauvaises connexions sur la liaison porte fusible Image thermique de fusibles Charge déséquilibrée Image thermique d'un disjoncteur en pleine charge Mauvaise connexion sur une tête de câble Charge déséquilibrée Mécanique Image thermique d'un moteur Image thermique d'un ventilateur S. Boularand - Thermographie en maintenance - 12 / 16

13 Roulement défectueux Alignement du moteur à contrôler Contrôle thermique de l'échauffement des moteurs Paliers déséquilibrés Canalisation et isolation Bouchage sur une canalisation Vanne fuyarde Inspection d une cheminée industrielle Etat du calorifuge à inspecter S. Boularand - Thermographie en maintenance - 13 / 16

14 Détection de niveau sur la cuve Détérioration du calorifuge Bâtiment Localisation d'une trame chauffante dans le sol d'une maison Ponts thermiques sur la façade d'une maison Fenêtre à simple vitrage parmi des fenêtres à double vitrage Détection de l armature Fuites dans un toit en terrasse Présence importante d'humidité sur un mur Réfractaire Dispersion thermique sur un four Usure anormale de l'isolation S. Boularand - Thermographie en maintenance - 14 / 16

15 Détérioration de l'enveloppe réfractaire sur un four rotatif Phénomène de cockage dans un four de raffinerie Détérioration de l isolation Dégradation du réfractaire sur un broyeur à galets Divers Contrôle du refroidissement d'une tête de soudage Détection de niveau dans un réservoir Contrôle de l'uniformité en température sur un rouleau sécheur Contrôle de la température lors de la pause d'une chaussée asphaltée Inspection des freins sur un train d'atterrissage Mesures thermiques sur des moules S. Boularand - Thermographie en maintenance - 15 / 16

16 Notice technique ThermaCAM E25 Accédez à la Thermographie pour une somme modique L IMAGE Résolution thermique 0,20 C à +30 C Fréquence image 50/60 Hz non entrelacé Focalisation Manuelle Type de détecteur Matrice à plan focal, microbolomètre non refroidi, 160 x 120 éléments IFOV 2 mrad avec l objectif 19 Réponse spectrale 7,5-13µm L AFFICHAGE DE L IMAGE Sortie vidéo Ecran PAL ou NTSC, vidéo composite par connecteur RCA standard Ecran LCD couleur 2,5, couleurs LA MESURE Gammes de mesure -20 C à +250 C, jusqu'à +900 C en option Exactitude de mesure sur corps noir ±2 C ou ±2% de la lecture Outils de mesure Spot fixe au milieu de l'image infrarouge Touches d accès direct Changement de palettes de couleur, Ajustement automatique (continu ou manuel) Réglages Date/heure, unités de T ( C ou F), Langue, Echelle, Affichage des données, Intensité de l écran LCD (haute, normale, faible) Correction de l'émissivité Variable de 0,1 à 1 L'ENREGISTREMENT Type Format de l'image thermique Mémoire FLASH interne (jusqu'à 100 images) JPEG radiométrique OBJECTFS AU CHOIX La ThermaCAM E25 doit être commandée avec une focale non modifiable de 9mm, 17mm ou 36mm Type d'objectif Champ H x V Minimum de focalisation Focale Objectif 1 X 19 x 14 0,3 m 17 mm Objectif 2 X 9 x 7 1,2 m 36 mm Objectif 0,5 X 34 x 25 0,1 m 9 mm Laser LocatIR Classification Classe 2 Type Diode laser semi-conducteur AlGaInP : 1mW/635 nm rouge ALIMENTATION Type Autonomie Chargeur de batterie Alimentation externe Tension Gestion de l alimentation Batterie Li-Ion rechargeable, sans effet de mémoire de charge 2 heures Chargeur interne à partir d'une alimentation secteur 110/220 VAC ou en option, depuis une prise allume-cigare 12V d'une voiture. Option : chargeur indépendant 12V à deux emplacement. Adaptateur secteur VAC, 50/60 Hz, sortie 12 VDC V continu Arrêt automatique et mode veille (personnalisable) LES CARACTERISTIQUES Poids 700g avec batterie Dimensions 265 mm x 80 mm x 105 mm Trépied 1/4-20 Boîtier Plastique et caoutchouc L ENVIRONNEMENT Temp. de fonctionnement -15ºC à +45ºC Temp. de stockage -40ºC à +70ºC Indice de protection IP 54 IEC 529 Humidité relative de 20% à 80% Choc 25G IEC Vibration 2G IEC S. Boularand - Thermographie en maintenance - 16 / 16