5. Lämpökamera

Lämpökamera on saavuttanut yhä suurempaa suosiota ainetta rikkomattomana testausmenetelmänä eli NDT-menetelmänä monissa eri sovelluksissa. Kamera on monivuotisen kehityshistoriansa aikana kokenut varsin suuren muodonmuutoksen. Yleinen mielikuva painavasta ja hankalatoimisesta laitteesta, jonka käyttämiseen tarvittiin suurin piirtein insinöörikoulutusta, on väistymässä. Ilmaisinteknologian raju kehitys ja elektroniikan miniatyrisointi on johtanut siihen, että lämpökamera on pieni videokameran näköinen laite, jonka käytön helppous yllättää useimmat. Jokainen kunnossapidon työntekijä voidaan kouluttaa käyttämään kameraa. 

Lämpökameran käyttösovelluksia, joita kohta tarkastelemme kunnossapidon näkökannalta, löytyy nyt useammalta alalta kuin koskaan aiemmin. Silti edelleen lähes 90 % maailmassa valmistetuista lämpökameroista menee sotilaalliseen käyttöön. Lämpökamera onkin saanut suurimman osan kehittämistyörahoituksestaan armeijoiden budjeteista. Se on kaikkien tähtäinjärjestelmien ydinkomponentti. Tosin sitä käytetään myös ihmishenkien pelastamiseen. Muutkin rauhanomaiset sovellukset ovat siinä määrin lisääntyneet, että on oikeastaan vain ajan kysymys, milloin lämpökamera on vakiotyökalu jokaisen kunnossapidosta vastaavan pakissa. Nykyisin käytettävä ilmaisintyyppi on käytännössä huoltovapaa. Tästä johtuen lämpökamera voi toimia myös prosessien jatkuvassa valvonnassa, esimerkkinä mainittakoon vaikka jäätyneiden elintarvikkeiden poistaminen tuotantohihnalta. 

Aluksi on hyvä selvittää jonkin verran kameran toimintaperiaatteita. Jokainen kohde tai kappale tässä maailmankaikkeudessa, jonka lämpötila on yli absoluuttisen nollapisteen (–273 °C), lähettää lämpö- eli infrapunasäteilyä. Lämpökamera vastaanottaa tämän lämpösäteilyn, mittaa sen voimakkuuden ja muuntaa sen lämpötilajakauman mukaan kuvaksi. Kuvaa voidaan tarkastella tavallisella videonäytöllä tai kameran omalla etsimellä reaaliajassa värillisenä. Kamera pystyy erottamaan 0,1 celsiusasteen erot. 

Mittaavat lämpökamerat on kalibroitu näyttämään myös lämpötiloja vapaavalintaisesta kohdasta kuvaa. Kuvaajalla on käytössään kameran tähän tarjoamat mittaustyökalut, jotka ohjelmallisesti laitetaan kuvaan. Infrapunalämpötilamittauksessa puhutaan aina kohteen pintalämpötilasta. Mittaustarkkuus on tavallisesti luokkaa ± 2 ^oC. Kameroissa on myös muistikortti, jonka kautta lämpökuva saadaan siirrettyä suoraan tietokoneelle analyysiä ja raportointia varten. 

Infrapuna on hyvin laaja spektrialue. On syytä tehdä selväksi ero infrapunakameran ja lämpökameran välillä. Saattaa hyvin olla, että joku on nähnyt kaupattavan infrapunakameroita alle kahden sadan euron. Varmasti ne myös infrapunakameroita ovat. Tosin ne eivät näe riittävän "kauas" infrapunaspektriä, jotta niillä voisi havainnoida lämpötilajakautumia. Ne toimivat juuri ja juuri silmälle näkymättömän infrapunan alueella, joten ne eivät näe kohteen itsensä lähettämää lämpösäteilyä. Lämpökamerat ovat myös infrapunakameroita, mutta ne vastaanottavat joko 3–5 µm m tai 8-12 µm spektrialueella, jossa kohteet luonnostaan säteilevät lämpöä. Siitä siis termi lämpökamera. 

Kuva 1a. Kunnossa oleva laakeri.

Kuva 1b. Viallinen laakeri.

Lämpötiloista muodostetulla kuvalla on tietenkin paljon sovelluksia. Lähdemme liikkeelle mekaanisesta kunnossapidosta. Oheisessa kuvaparissa (kuvat 1a ja 1b) on kaksi identtistä vaihdetta. Kuvat ovat paperiteollisuudesta. 

Voiteluhuolto on tärkeä osa mekaanista kunnossapitoa. Molemmat vaihteet sisältävät samaa öljyä, jonka voiteluominaisuudet ovat valmistajan mukaan kunnossa, mikäli lämpötila on n. 70 astetta celsiusta. Laakerivalmistajien mukaan  päästään suurin piirtein laakerikammion lämpötilaan, jos laakerikuvun lämpötilaan lisätään 10 astetta. Kuvan 1a vaihteen voitelu on siis kunnossa, kuvan 1b laakerin öljyn ominaisuudet ovat huonontuneet oleellisesti. 

Paperitehtailla on lämpökameroille monia käyttökohteita. Kuvassa 2 on täysin uuden paperikoneen telan päätylaakeri. Tässä vaiheessa laakerin ominaisuudet oli menetetty, mutta viira (n. 300 000 mk) saatiin pelastetuksi tämän kuvan ansiosta. Laakeri oli täysin ilman voitelua, koska öljyn tuloporaus ei ollut kohdallaan. Laakeri pyöri siis täysin kuivana. 

Kuva 2.

Kuljettimien pölyräjähdyspaloissa menetetään usein miljoonia tuotantoseisokeista johtuvista menetyksissä ja korjauskustannuksissa. Monien tuhoisien kuljetintulipalojen syynä ovat nimenomaan hitaasti pyörivien laakereiden aiheuttamat palot. Laakerien tarkastus lämpökameralla käy erittäin nopeasti, eikä jätä laakerien kuntoa epäselväksi. 

Kuva 3.

Kuvan 3 laakeri on jo ehdottomasti vaihdettava, koska jo n. 250 ºC:ssa pölyräjähdysvaara on erittäin suuri. Pitkävaikutteisesti jo 150 ºC:n lämpötila aiheuttaa tulipalovaaran. 

Hydrauliikan kunnossapito helpottuu lämpökameran avulla. Kuvassa 4 on viallinen hydraulisylinteri, jonka mäntä vuotaa kuvan valkoisesta pisteestä. Öljysuihku viallisesta kohdasta aiheuttaa lämmön nousua. Normaali öljyn virtaus toki lämmittää sylintereitä ja syöttöputkia, mutta koska lämpökameran avulla voidaan määrittää lämpötilaerot vierekkäisten sylintereiden välillä, on helppo päätellä, mikä sylinteri kannattaa huoltaa seuraavassa seisokissa. 

Kuva 4. Viallinen hydraulisylinteri.

Kaukolämpöverkon vuotokohtien paikannuksessa lämpökameraa on käytetty usein. Kuvauksia suoritetaan tavallisesti helikopterista, autosta ja jalkaisin. Vuotokohdat näkyvät selvästi lämpimämpinä alueina lämpökuvassa (kuva 5). Kuvauksessa on otettava huomioon ulko-olosuhteiden aiheuttamat lämpöjäljet, mm. auringon paiste, parkkeerattujen autojen jättämät lämpöjäljet ym. 

Kuva 5. Lämpövuoto kaukolämpöverkossa.

Lämpökamera on kiinteistöjen kuntotutkimuksen monipuolinen apuväline. Lämpövuodot, rakenteiden paikat, kosteusvauriot ja ilmavuodot ovat kaikki todennettavissa. Kuvissa 6 ja 7 on pari esimerkkikuvaa. 

Kosteusvaurioiden havainnointi lämpökameralla onnistuu, mikäli rakennusmateriaalin pinnalta haihtuu kosteutta ilmaan. Tällöin haihtuva vesi jäähdyttää pintamateriaalia. 

Kuva 6. Teollisuusrakennus, johon on rakennettu uudempi siipi. Eristämisen puutteet näkyvät selvästi kuvassa.

Kuva 7. Tyypillisen 70-luvun kerrostalon tasakatto on vuotanut katolla olevaa vettä yläpohjaan, ja lämpöeristeen heikkeneminen on johtanut lämpövuotoon.

Sähkökunnossapito on yksi vanhimmista ja yleisimmin tunnetuista lämpökameran kunnossapitosovelluksista. Tässä yhteydessä on syytä mainita infrapunalämpömittareiden eli ir-mittareiden ongelmasta sähkötarkastuksissa, kuva 8. 

Kuva 8. Infrapunalämpömittareiden eli ir-mittareiden ja lämpökameran mittaustapojen vertailu. Sähkötarkastuksissa ongelmana on se, että ylempänä oleva ir-lämpömittari mittaa koko keilansa keskiarvoa. Tällöin saadaan esimerkiksi kuvan 9 tilanteessa vääriä mittaustuloksia. 

Kuva 9. Kahvasulakkeen (600V/90A) jousipitimen erotinosan lämpötila on 111,6 ºC. Ir-lämpömittari sai tulokseksi 58 astetta samasta kohdasta, koska metrin päästä keilan keskiarvoistuksen tähden ei energiaa tullut enempää ir-lämpömittarin ilmaisimelle. 

Ylempänä oleva ir-lämpömittari mittaa siis koko keilansa keskiarvoa. Tällöin kuvan 9 mukainen vikatilanne ei näyttäisi ollenkaan pahalta. Lämpökuva ilmaisee, että kahvasulakkeen (600V/90A) jousipitimen erotinosa on 111,6-asteisen lämmön aiheuttaja. Ir-lämpömittari sai tulokseksi 58 astetta samasta kohdasta, koska metrin päästä keilan keskiarvoistuksen tähden ei energiaa tullut enempää ir-lämpömittarin ilmaisimelle. 

Lämpökameralla voidaan havaita useimpien putkien tukkeumat ja sakoumat (kuva 10). Kuvauksen aikana on huomioitava, että kirkkaat metalliset pinnat ovat yleensä lähes mahdottomia kuvata. Tähän liittyy lämpösäteilyfysiikan termi emissiivisyys. Emissiivisyys, kohteen kyky lähettää lämpösäteilyä, on kirkkailla metallisilla pinnoilla erittäin matala. Niinpä lämpökamera ei voi havainnoida lämpötilaeroja, jos pintamateriaali on kiiltävää maalaamatonta metallia. Yleensä kuitenkin metallin pinta on jonkin verran ehtinyt hapettua tai muuten likaantua, jolloin kuvaus ja mittaus onnistuu ilman ongelmia. 

Kuva 10. Putkitukos.