44_SAMUJLO Bronislaw_PO FORM

Bronisław SAMUJŁO
Państwowa WyŜsza Szkoła Zawodowa w Zamościu
Instytut Przyrodniczo-Techniczny
E-mail: [email protected]
ZASTOSOWANIE TERMOWIZJI W BADANIACH PALNOŚCI
WYROBÓW TWORZYWOWYCH
Streszczenie. W badaniach termowizyjnych zmian pola temperatury podczas zapłonu
i spalania wykorzystano próbki rur instalacyjnych z PE-HD modyfikowanego środkiem
opóźniającym palenie. Badania prowadzono za pomocą specjalnego stanowiska
badawczego wyposaŜonego w kamerę termowizyjną. W wyniku przeprowadzonych
badań określono zaleŜności czasowe przebiegu procesu zapłonu próbek rur. Ustalono,
Ŝe zastosowanie metody termowizyjnej umoŜliwia uzupełnienie analiz związanych,
z jakością uniepalnienia i oceną zagroŜenia poŜarowego stwarzanego przez wytwory
tworzywowe.
THE THERMOVISION METHOD IN INVESTIGATION OF PLASTIC
PRODUCTS FLAMMABILITY
Summary. In the research of temperature distribution during the ignition
and combustion process by thermovision method were used samples from the casing
pipe which was made from the HDPE modified by a flame retardant. The experiment
was conducted on a special research stand equipped with a thermovision camera. In the
research the ignition process in the function of time of pipes samples were
characterised. In the experiment it was found that the thermovision method enables
more complete interpretation of unflammability quality and fire hazard posed by the
plastic products.
1. WSTĘP
Jakość uniepalnienia wytworów z tworzyw jest określana przez wiele umownych
wskaźników zarówno jakościowych jak i rzadziej o charakterze ilościowym, które
Zastosowanie termowizji ...
355
są wyznaczane według zróŜnicowanych metod badawczych, przy róŜniących się warunkach
pomiaru, kształcie i wymiarach próbki. W trakcie badań wyznacza się głównie zapalność,
szybkość palenia (np. powierzchniową), odporność na penetrację ognia w strukturę tworzywa
(np. odporność na Ŝarzenie), efekty cieplne spalania, ilość, skład oraz toksyczność
wydzielających się gazowych produktów rozkładu i spalania tworzyw [1÷7]. W analizie
procesu palenia się tworzyw podstawowe znaczenie ma pomiar temperatury, a zwłaszcza
zmian pola temperatury podczas nagrzewania, rozkładu cieplnego, zapłonu, spalania,
wygaszania płomienia oraz Ŝarzenia. W największej mierze umoŜliwia te pomiary
zastosowanie metody termowizyjnej, zwłaszcza w oparciu o nowoczesne, o wysokiej czułości
i częstotliwości próbkowania skanery i kamery termowizyjne.
W badaniach termowizyjnych wykorzystuje się detekcję, przetwarzanie oraz wizualizację
promieniowania podczerwonego emitowanego przez badane wytwory lub próbki tworzywa.
Detekcja promieniowania podczerwonego odbywa się za pośrednictwem detektorów o róŜnej
konstrukcji i zasadzie działania, tworzących wraz z układami optycznymi, przetwarzającymi
oraz wizualizującymi zespoły robocze kamer termowizyjnych. Tworzone obrazy termalne
odzwierciedlają rozkład temperatury powierzchni badanego wytworu lub próbki, a ich ciągła
lub cykliczna w czasie rejestracja umoŜliwia analizę zmian temperatury podczas
poszczególnych faz procesu palenia [7, 8, 9].
Do zasadniczych zalet tej metody naleŜy brak kontaktu i oddziaływania na badany obiekt
przez układ detekcyjny i szybkość pomiarów promieniowania podczerwonego
wykonywanych w czasie rzeczywistym. Metoda termowizyjna umoŜliwia analizę
dwuwymiarowego pola temperatury powierzchni badanego obiektu, jednoczesny pomiar
temperatury w wielu punktach powierzchni, pomiar temperatury powierzchni obiektów
niedostępnych dla metod stykowych, rejestrację szybkich zmian temperatury badanej
powierzchni w czasie lub będącej w ruchu oraz określenie temperatury obiektów o małych
rozmiarach oraz podatnych na uszkodzenia mechaniczne [7, 10, 11].
Na proces detekcji, przetwarzania, rejestrowania oraz późniejszej analizy
zarejestrowanych obrazów termalnych ma wpływ wiele czynników, które wprowadzają
zakłócenia podczas pomiaru, a w przypadku nieuwzględnienia ich wpływu, takŜe
przekłamania w wynikach i wnioskach z wykonanych badań. Do układu detekcyjnego kamery
termowizyjnej dociera promieniowanie słoneczne odbite od obiektu i otoczenia np. chmur,
oraz promieniowania źródeł ciepła w bliskim otoczeniu (palniki, piece, grzejniki,
oświetlenie), wprowadzające dodatkowe błędy pomiarowe. Niektóre zakłócenia są na tyle
małe, Ŝe moŜna je pominąć, w innym przypadku moŜna zmienić układ pomiarowy w ten
sposób, aby ich uniknąć lub zminimalizować ich wpływ, np. zmieniając kierunek obserwacji,
ekranując silne źródła promieniowania lub wykonując pomiary w innym czasie [7, 11].
Całkowite wyeliminowanie wszystkich zakłóceń jest najczęściej niemoŜliwe, jednak w wielu
typach kamer termowizyjnych częściowa ich kompensacja jest przeprowadzana
356
B. Samujło
automatycznie przez odpowiednie oprogramowanie, po wprowadzeniu przez uŜytkownika
danych dotyczących emisyjności obiektu, temperatury otoczenia, odległości między obiektem
a kamerą, względnej wilgotności powietrza. TakŜe oprogramowanie do analizy obrazów
termalnych umoŜliwia kompensację wpływu na pomiar temperatury takich czynników
jak temperatura elementów optycznych obiektywu, temperatura zewnętrznych elementów
optycznych znajdujących się przed obiektywem kamery termowizyjnej, współczynnika
przepuszczania zewnętrznych elementów optycznych, temperatura i transmisja atmosfery [7,
11]. Generalnie przyjmuje się, Ŝe przy braku w pobliŜu obiektu badania
wysokotemperaturowych źródeł ciepła to dokładność określenia wartości parametrów
atmosfery i temperatury otoczenia jest mniej istotne. Wartości wymienionych parametrów
są równieŜ mniej znaczące, gdy temperatura obiektu jest duŜo wyŜsza od temperatury
otoczenia i emisyjność obiektu jest większa od 0,9 [10, 11].
W badaniach procesów cieplnych rozkładu, zapłonu i spalania tworzyw
są wykorzystywane pirometry, skanery i kamery termowizyjne, wyposaŜone w detektory
pojedyncze lub liniowe, wymagające zastosowania skomplikowanych zespołów
przeszukiwania [12,13]. Zespoły te mają najczęściej konstrukcję mechaniczno-optyczną,
złoŜoną z zespołów drgających lub wirujących zwierciadeł, których zadaniem jest stopniowe,
punkt po punkcie lub linia po linii, przeszukiwanie pola pomiarowego, skupianie
promieniowania podczerwonego na detektorze lub linii detektorów. Detektor z układami
wzmocnienia wytwarza sygnał elektryczny proporcjonalny do mocy promieniowania
padającego na jego powierzchnię, który jest następnie przetwarzany w obraz termalny
wizualizowany na ekranie lub zapisywany na nośniku pamięci. Kamery i skanery z jednym
detektorem są uwaŜane za najdokładniejsze pod względem metrologicznym, jednak
zazwyczaj nie zapewniają duŜej szybkości skanowania. Coraz częściej wykorzystuje
się w kamerach termowizyjnych matrycę detektorów (zintegrowaną, hybrydową
lub monolityczną), której uŜycie eliminuje potrzebę stosowania skomplikowanych
mechaniczno-optycznych zespołów przeszukiwania, jednocześnie znacząco zwiększając
szybkość pomiaru. Zastosowanie matryc umoŜliwia tworzenie kilkuset obrazów termalnych
na sekundę, co w efekcie pozwala na rejestrację szybkozmiennych procesów cieplnych,
między innymi podczas procesu palenia się tworzyw [11]. Oprócz zalet kamery tego typu
mają takŜe wady, związane z samą ilością detektorów i ich pewnym zróŜnicowaniem pod
względem czułości widmowej i napięciowej, powierzchni, składu materiałowego, tolerancji
wymiarowej wynikające z technologii produkcji. Wszystko to powoduje, Ŝe sygnał
wyjściowy z kaŜdego detektora przy tej samej energii padającego promieniowania moŜe mieć
róŜną wartość. Błędy te takŜe mogą być powielane i wzmacniane przez dalsze fazy
przetwarzania sygnału we wzmacniaczach i przetwornikach analogo-cyfrowych kamery. Stąd
teŜ w kamerach tego typu nieodzowne jest przed pomiarem przeprowadzenie kalibracji
Zastosowanie termowizji ...
357
detektorów i układów elektronicznych, tak, aby miały jednakową charakterystykę
przetwarzania sygnału [10, 11].
W ramach prowadzonych prac dotyczących otrzymywania, przetwórstwa i właściwości
wytworów z polietylenu o zmniejszonej palności [14÷17] zastosowano metodę termowizyjną
[18÷22], między innymi do analizy zjawisk cieplnych podczas badań palności trudnopalnych
rur instalacyjnych. Celem niniejszej pracy jest przedstawienie wyników badań przebiegu
procesu zapłonu próbek rury trudnopalnej, określonego zmianami pola temperatury obszaru
objętego oddziaływaniem źródła zapłonu i próba oceny przydatności metody termowizyjnej
do tego typu badań.
2. METODYKA
W badaniach wykorzystano próbkę rury z polietylenu modyfikowanego w celu
zmniejszenia palności, o średnicy wynoszącej 40 mm i grubości ścianki równej 3,7 mm.
W skład tworzywa, z którego była wykonana rura, wchodził PE-HD pierwotny - Tipelin BS
52014 – 50%, regranulat PE-HD – 34% oraz środki pomocnicze, w tym środek opóźniający
palenie - Polibatch PR 1049 [18, 22]. Badania prowadzono za pomocą specjalnego
stanowiska badawczego zbudowanego w oparciu o zalecenia normy EN 60695-2-4,
dodatkowo wyposaŜonego w kamerę termowizyjną V-20 (Vigo System SA, Poland), którego
schemat budowy i szczegółowy opis zostały zmieszczone w literaturze [18, 19]. Układ
detekcji promieniowania podczerwonego w wykorzystanej podczas relacjonowanych badań
kamerze V-20 był oparty na chłodzonym termoelektrycznie detektorze HgCdTe, który
umoŜliwiał wykonywanie pomiaru temperatury w zakresie od 15 do 500°C. Kąt skanowania
wynosił 30°, tworzony termogram składał się z 57600 punktów (240 punktów w 240 liniach),
czas skanowania linii był równy 7,2 ms. Źródłem zapłonu był znormalizowany palnik gazowy
o mocy cieplnej wynoszącej 1kW.
3. WYNIKI BADAŃ
Na rysunku 1 przedstawiono termogramy próbek badanej rury, zarejestrowane
w momencie poddania próbki działaniu zewnętrznego źródła zapłonu (czas 0s), odpowiednio
po 10, 20, 30, 40 oraz 50 sekundach działania płomienia na powierzchnię zewnętrzną rury.
Wraz ze zwiększaniem czasu działania płomienia palnika na powierzchnię moŜna
zaobserwować i określić ilościowo rozszerzanie się obszaru nagrzanego powyŜej temperatury
358
B. Samujło
uplastycznienia, topnienia, a następnie temperatury zapłonu materiału rury. Przykładowo
obszar badanej powierzchni rury przekraczający temperaturę topnienia tworzywa
odpowiednio po 10 sekundach wynosił 57,01%, po 20 – 62,10%, po 30 – 68,89%,
po 40 – 76,98% natomiast po 50 - 80,64%. Na rysunku 2 zamieszczono wykresy zmian
temperatury w funkcji czasu w obszarach oznaczonych na rys 1a.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Rys. 1. Obrazy termalne źródła zapłonu i powierzchni próbki rury w momencie zapoczątkowania
zapłonu (a) oraz odpowiednio po 10 (b), 20 (c), 30 (d), 40 (e) oraz 50 (f) sekundach
Fig. 1. Thermovision pictures of the ignition source and pipe’s surface at the ignition initiation
(a) and suitably 10 (b), 20 (c), 30 (d), 40 (e) and 50 second (f) later
Zastosowanie termowizji ...
a)
359
550
500
o
Temperatura, C
450
0s
10 s
20 s
30 s
40 s
50 s
400
350
300
250
200
139
b)
134
129
124
119
114
109
104
114
109
104
114
109
104
Punkt pomiarowy
550
500
o
Temperatura, C
450
400
350
0s
10 s
20 s
30 s
40 s
50 s
300
250
200
139
134
129
500
0s
10 s
20 s
30 s
40 s
50 s
450
400
o
119
Punkt pomiarowy
c)
Temperatura, C
124
350
300
250
200
150
100
139
134
129
124
119
Punkt pomiarowy
Rys. 2. Temperatura powierzchni próbki rury pod działaniem źródła zapłonu w funkcji czasu
w obszarach 2 – (a), 3 – (b) oraz 4 (c) (oznaczenia jak na rys 1a)
Fig. 2. Temperature of the pipe’s surface under the action of the ignition source in the time function
in the area 2 – (a), 3 – (b) and 4 (c) (appointed lake as fig 1a)
360
B. Samujło
4. WNIOSKI
Wyniki przeprowadzonych badań oraz obserwacje wykonane podczas pomiarów
pozwalają na stwierdzenie, Ŝe metoda termowizyjna umoŜliwia uzupełnienie i pogłębienie
dociekań dotyczących kinetyki procesu nagrzewania i następnie zapłonu wytworów
tworzywowych. Analiza obrazów termalnych pozwala na jakościowe, ale takŜe ilościowe
określenie obszarów zapoczątkowania procesu palenia tworzywa i prędkości rozszerzania się
płomienia (palności powierzchniowej), nierównomierności przesuwania się frontu płomienia,
obszarów, w których następuje przekroczenie temperatury przemian fazowych polimeru.
Badania tego typu mogą być pomocne w ustalaniu zaleŜności funkcyjnych dotyczących
przebiegu w czasie procesów zapłonu a następnie palenia się wyrobów tworzywowych, przy
czym raczej nie umoŜliwią sformułowania praw ogólnych, mających zastosowanie do
szerokiej gamy tworzyw i rodzajów wytworów. Wydaje się takŜe celowe zastosowanie w
tego typu badaniach kamer termowizyjnych wyposaŜonych w matryce detektorów
umoŜliwiających bardzo szybkie tworzenie obrazów termalnych, co pozwoliłoby na bardziej
szczegółowe analizy procesu zapłonu tworzyw.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Sikora R.: Tworzywa wielkocząsteczkowe - Rodzaje, właściwości i struktura,
Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 1991.
Boryniec S., Przygocki W.: Polimery 1999, 44, nr 2, 6, 10, s. 87-94, 381-389, 656-665.
Zajkov G.E.: Flammability of polymeric materials, Nova Scientific Publishers,
Commarck, Nowy Jork 1996.
Sawicki T.: Tworzywa Sztuczne i Chemia 2003, nr 3, s.65.
Hilado C.J.: Flammability handbook for plastics. Technomic, Lancaster-Basel 1998.
Samujło B., Kowalska B.: Przetwórstwo tworzyw, 2004, 13, nr 4, s.100-104.
Janowska G., Przygocki W., Włochowicz A.: Palność polimerów i materiałów
polimerowych. WNT, Warszawa 2007.
Prystay M., Garcia-Rejon A.: Using thermography to optimize the blow-molding process.
Plastics Engineering 1996, 12.
Sikorski R.T., Kędziora G., Mirkiewicz G.: Polimery 1994, 39, s. 4.
Jaworski J.: Termografia budynków. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław
2000.
Praca zbiorowa: „Pomiary termowizyjne w praktyce”, Agenda Wydawnicza PAK,
Warszawa 2004.
Kicko-Walczak E.: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Chemia 2004, nr 73, s. 3142.
Janowska G., Ślusarski L.: Polimery 2000, 45, nr 5, s. 411-415.
Samujło B.: Polimery 2004, 49, nr 3, s.191-194.
Zastosowanie termowizji ...
361
15. Samujło B., Rudawska A.: Teka Komisji Budowy i Eksploatacji Maszyn,
Elektromechaniki, Budownictwa. Tom II. Lublin 2008, s. 153.
16. Samujło B.: International Polymer Science and Technology 2004, 31, nr 9, s.56-59.
17. Samujło B.: Czasopismo Techniczne Mechanika 1-M/2009, 106, nr 3, s.307-311.
18. Samujło B.: Przetwórstwo tworzyw 2004, 13, nr 4, s.100-104.
19. Samujło B.: Czasopismo Techniczne Mechanika 2006, 103, nr 6, s.437-440.
20. Samujło B., Sikora R., Garbacz T., Jachowicz T.: 21th Annual Meeting of The Polymer
Processing Society, Germany, Leipzig 2005, s. 283-288.
21. Samujło B.: ICPP-2007, International Conference on Polymer Processing, Buct Beijing,
Chiny 2007, s.126-128.
22. Samujło B., Klepka T.: PPS-22 Annual Meeting, Yamagata, Japonia 2006, s. 80.