Misurazioni del calore per la diagnosi degli ascensori

L'importanza della protezione dal calore e dell'utilizzo di strumenti di imaging termico nei sistemi di ascensori

di David Herres

Gli ascensori sono complessi assemblaggi di componenti elettrici e meccanici. Questi componenti producono calore, solitamente per resistenza elettrica o attrito meccanico. Il calore in eccesso viene dissipato nello spazio adiacente se non viene rimosso mediante il raffreddamento attivo. L'equilibrio viene solitamente mantenuto, ma se viene generato calore eccessivo o se il metodo di raffreddamento è compromesso, si verifica un aumento di temperatura nei componenti elettrici o meccanici e vi è un'alta probabilità di riduzione della durata o addirittura di guasto immediato.

La durata ridotta dei componenti e i guasti sono potenzialmente gravi per gli ascensori, poiché non è possibile tollerare lesioni umane e interruzioni delle apparecchiature. La temperatura eccessiva a volte sale a un certo livello e trova un nuovo equilibrio. Oppure può aumentare e causare danni irreversibili, con conseguenti guasti alle apparecchiature e/o incendi catastrofici. I motori elettrici spesso funzionano senza incidenti per anni fino a quando l'elevata temperatura ambiente, il sovraccarico o i difetti di fabbricazione o di installazione, apparentemente senza preavviso, possono preparare il terreno per il calore in eccesso, che può danneggiare l'isolamento elettrico all'interno del motore, far assorbire corrente in eccesso e provocare ancora più calore ed eventuale guasto.

Certo, ci sono tutele. I dispositivi di sovracorrente come interruttori automatici e fusibili e, nei motori più grandi, i sensori di calore incorporati negli avvolgimenti, dovrebbero spegnere il sistema prima che si verifichino danni estesi. I sistemi sprinkler, la soppressione degli incendi chimici e gli allarmi antincendio sono efficaci, ma potrebbero mancare o non essere completamente funzionanti negli edifici più vecchi. È qui che gli addetti alla manutenzione svolgono un ruolo chiave. In genere, fanno il giro di ogni turno, controllando le attrezzature in tutta la struttura. In una sala macchine per ascensori (o presso il controller di movimento in installazioni senza sala macchine), dovrebbe essere affisso un foglio di ispezione con le misurazioni pertinenti, l'ora, la data e le iniziali dei lavoratori. Le informazioni contenute in questo registro hanno un valore inestimabile per rilevare e valutare le tendenze dannose ed è utile per la diagnosi e la riparazione. L'obiettivo è individuare le tendenze dannose prima, piuttosto che dopo. Ciò richiede strumenti di misura.

Vari mezzi per misurare le temperature sono utili in una sala macchine dell'ascensore, dove si trovano il motore, il controller di movimento e il sezionatore elettrico. Un termometro da parete (autonomo o parte di un termostato di riscaldamento o raffreddamento) fornisce un modo ragionevolmente accurato e conveniente per accertare la temperatura ambiente. Questa metrica è importante come primo passo. Un locale macchine è normalmente raffreddato da uno o più ventilatori, che, ovviamente, devono essere sfiatati all'esterno. A volte, a seconda del clima, delle dimensioni del locale macchine, del numero e delle dimensioni del/i motore/i e di altri fattori, viene installato un condizionatore d'aria individuale o una presa d'aria centrale. Uno di questi può fallire e deve essere monitorato. È possibile misurare anche singole fonti di calore. Sul/i motore/i possono essere applicati termometri separati: uno a ciascuna estremità ai cuscinetti e uno al centro per misurare il calore dagli avvolgimenti.

I motori elettrici spesso funzionano senza incidenti per anni fino a quando l'elevata temperatura ambiente, il sovraccarico o i difetti di fabbricazione o installazione, apparentemente senza preavviso, preparano il terreno per il calore in eccesso, che può danneggiare l'isolamento elettrico all'interno del motore, far assorbire corrente in eccesso e provocare ancora più calore ed eventuale guasto.

Il controllore motore e qualsiasi trasformatore o quadro di grandi dimensioni possono essere dotati di sensori di calore con lettori digitali fissati all'esterno delle custodie. Un piccolo termometro analogico adesivo è appropriato per l'esterno del cambio utilizzato negli azionamenti del motore degli ascensori a trazione con ingranaggi. Per gli ascensori idraulici, questa posizione è l'esterno del serbatoio dell'olio. Qualsiasi dispositivo di rilevamento può essere cablato o collegato in modalità wireless a una spia rossa sopra la porta appena fuori dalla sala macchine.

La maggior parte degli ascensori moderni è azionata da potenti motori elettrici trifase, che assorbono una notevole quantità di corrente. I conduttori percorsi da corrente entrano nella sala macchine e terminano al sezionatore, all'ingresso e all'uscita del convertitore di frequenza e ai terminali del motore. Nella prima installazione, queste terminazioni vengono serrate con precisione in base alle specifiche in base alle dimensioni, al tipo di metallo (rame o alluminio) e, infine, alla potenza del motore (in ampere). Se sono troppo stretti, i fili potrebbero danneggiarsi e, con il tempo, si allenteranno. Se sono troppo larghi, si surriscaldano o si inarcano sotto un carico pesante, creando grande calore e corrosione. Funzionando con una tensione ridotta o una fase caduta, gli avvolgimenti del motore diventano elementi termici e presentano la possibilità di un incendio elettrico.

Oltre al motore, altri dispositivi elettrici producono calore come sottoprodotto naturale della loro funzione prevista. Un resistore collegato in serie tra la sorgente di alimentazione e il carico provoca una riduzione della corrente nel circuito e l'energia in eccesso viene dissipata dal resistore sotto forma di calore. Anche i semiconduttori, come componenti discreti o incorporati nei circuiti integrati (IC), dissipano il calore. Hanno tutti in comune il fatto che troppo calore li distruggerà rapidamente. Un componente può apparire carbonizzato o fisicamente distorto, ma spesso funziona come un dispositivo di sovracorrente, aprendo il circuito prima che si verifichi un danno visibile.

Cablaggi difettosi e saldature fredde introducono resistenza indesiderata, punti caldi ed eccessiva dissipazione del calore nei circuiti stampati, nel cablaggio che li collega e nel cablaggio dall'alimentatore. Questo calore può danneggiare i piccoli componenti montati sulla superficie, in particolare i circuiti integrati. I condensatori elettrolitici, utilizzati dove è richiesta un'elevata capacità, a volte si guastano. L'elevata capacità in un contenitore relativamente piccolo è ottenuta per mezzo di uno strato elettrolitico molto sottile. Questo è un prodotto elettrochimico formato la prima volta che viene applicata la tensione. Il suo svantaggio è che è soggetto all'invecchiamento e lo strato elettrolitico si danneggia facilmente. Quando ciò accade, c'è una resistenza parallela e una dissipazione del calore anormale.

Un controller di movimento per ascensori in genere contiene diversi circuiti stampati, ciascuno con molti componenti attivi e inattivi. Molti tecnici toccano ogni componente per stimare la temperatura. Un componente eccessivamente caldo probabilmente ha un cortocircuito interno e, se è freddo, il cortocircuito si è risolto in un'apertura. Tuttavia, è possibile che sia temporaneamente fuori circuito, che l'alimentazione non entri nel componente o che il ritorno a massa abbia perso continuità. I più recenti dispositivi a semiconduttore a ossido di metallo complementare funzionano a una tensione inferiore e non dissipano una quantità percettibile di calore.

La stima della dissipazione del calore al tatto ha lo svantaggio di poter entrare in contatto inavvertitamente con una superficie energizzata. Sebbene la maggior parte dei componenti della scheda di circuito funzioni a tensioni basse e intrinsecamente sicure, è sempre possibile che un guasto esterno applichi una tensione più elevata al componente, creando una situazione pericolosa. Una buona soluzione è quella di utilizzare una sonda di temperatura elettricamente isolata e un multimetro appositamente studiato. La lettura digitale mostrerà la temperatura esatta in gradi Celsius o Fahrenheit.

La gestione del calore è fondamentale in quest'era di miniaturizzazione elettronica, in cui un gran numero (spesso milioni) di componenti viene inciso su piccoli substrati di silicio e assemblato come circuiti integrati. I componenti discreti sono spesso intenzionalmente sottodimensionati; per compensare, i dissipatori di calore alettati sono collegati per estrarre il calore in eccesso.

I componenti e i circuiti devono essere posizionati tenendo presente una distribuzione efficiente del calore. Finché non vi è una temperatura ambiente anormalmente elevata o accumulo di polvere all'esterno dell'involucro o un malfunzionamento di una ventola di raffreddamento, il dispositivo rimane funzionante.

Lo strumento più avanzato per la ricerca di hotspot è la termocamera, che mostra un'immagine a infrarossi del dispositivo in esame in tempo reale. In alternativa, può creare e visualizzare una fotografia digitale che può essere scaricata in formato JPEG, dove può essere salvata e analizzata, stampata o inviata via email.

Le termocamere sono in circolazione da molto tempo, ma i modelli recenti hanno nuove funzionalità avanzate con grandi capacità. Fanno manutenzione eccezionale e strumenti diagnostici. I tecnici degli ascensori possono visualizzare rapidamente tutti i motori di azionamento, gli azionamenti a frequenza variabile, le pulegge e i cuscinetti, i circuiti del controller di movimento, le terminazioni elettriche, i meccanismi delle porte, i serbatoi idraulici e altri componenti elettrici e meccanici. Gli hotspot sono immediatamente evidenti, spesso prima che si verifichino gravi danni.

Fluke produce diversi modelli di termocamere, con prezzi molto variabili. Una buona scelta per la manutenzione preventiva e la diagnosi degli ascensori è la termocamera tascabile Fluke PTi120 9-Hz. A differenza di altri modelli, questo strumento è abbastanza compatto da stare in una tasca della camicia, ma resistente e
ben sigillato da contaminazione e umidità. L'utente può visualizzare le immagini a infrarossi in tempo reale, oppure, in modalità fotocamera, queste immagini possono essere salvate nella memoria dello strumento. Inoltre, utilizzando il cavo USB incluso e il software gratuito, le immagini a infrarossi possono essere salvate come file JPEG.

Il PTi120 ha un 3.5 pollici. Schermo tattile LCD. È possibile accedere facilmente alle sue numerose funzioni e ai menu estesi toccando lo schermo. Per acquisire un'immagine termica accurata e leggibile, dopo averlo acceso, lo strumento deve essere riscaldato per 3-5 min. Continuare per almeno 10 minuti se misurazioni accurate sono essenziali per l'applicazione.

Una caratteristica sorprendente è che l'imager funziona anche come una normale fotocamera digitale a luce visibile. Fluke chiama questa combinazione IR-Fusion. Se l'utente passa il dito sul touchscreen da destra a sinistra, l'immagine a infrarossi si trasforma in continua in un'immagine a luce visibile, le due modalità si fondono progressivamente man mano che il dito avanza. L'imager si autocalibra da -4 a +302°F (da -20 a +150°C). Verrà prodotta un'immagine significativa, indipendentemente dal fatto che l'utente stia cercando lievi variazioni di temperatura su un circuito stampato o un riscaldamento del motore ben oltre il punto di ebollizione dell'acqua.
Una barra verticale a destra dello schermo mostra la gamma di colori che compongono l'immagine corrente. Per impostazione predefinita, il bianco e l'arancione rappresentano l'estremità calda dello spettro della temperatura; il nero e il blu rappresentano la fine fredda. Sopra e sotto questa barra dei colori ci sono le temperature massime e minime nell'immagine corrente. In alto al centro c'è la temperatura al centro del display, contrassegnata da un'icona a forma di mirino. L'utente può puntare la fotocamera per una lettura mirata della temperatura.

La barra dei menu orizzontale appare in alto con un solo tocco sullo schermo. Qui ci sono sei voci di menu rappresentate da piccole icone. Da sinistra a destra, sono:

• "Memoria", che consente all'utente di aggiungere una nota a più immagini
• "IR-Fusion", che mostra una barra che mostra la percentuale di luce termica rispetto a quella visibile nell'immagine
• “Palette”, che permette all'utente di alterare i colori utilizzati per rappresentare le varie temperature: esistono schemi cromatici alternati, con quello attuale indicato.
• Indicatori di temperatura, che possono essere attivati ​​e disattivati: "Spot Temperature", "Center Point", "Scale" e "Status Bar"
• "Torcia", che controlla il faretto LED integrato
• "Impostazioni", incluso "Scansione ID risorsa", che consente all'utente di scansionare il codice a barre di un oggetto; "Fluke Connect", che consente all'utente di salvare le immagini nel Fluke Connect Cloud; "Associa hotspot a Fluke Connect"; "Salva immagini nella cartella condivisa"; “Impostazioni IR”; “Emissività, temperatura di fondo e trasmissività” in percentuale; e "Impostazioni dispositivo", che consente all'utente di alternare formati di file (IS2 o JPEG), impostare unità, ora, data e lingua e "Ripristinare l'imager" alle impostazioni di fabbrica.

La gestione del calore è fondamentale in quest'era di miniaturizzazione elettronica, in cui un gran numero (spesso milioni) di componenti viene inciso su piccoli substrati di silicio e assemblato come circuiti integrati.

l'oggetto, lo strumento probabilmente non si è riscaldato a sufficienza o è tenuto in modo tale da bloccare la lente. Per la migliore immagine termica, "IR-Fusion" dovrebbe essere attivato facendo scorrere un dito di circa un quarto sullo schermo (fornendo un'immagine con circa il 25% di luce visibile).

Poiché la radiazione infrarossa viene emessa da tutti gli oggetti con una temperatura superiore allo zero assoluto, non è necessaria la luce del giorno per acquisire un'immagine termografica. Questo è in accordo con la legge sulla radiazione del corpo nero. La radiazione del corpo nero varia con la frequenza correlata alla temperatura del corpo, rendendo possibile l'imaging termico. Un'immagine multicolore corrispondente alla sua mappa della temperatura può essere vista in tempo reale o catturata digitalmente perché diverse aree della superficie dell'oggetto o del paesaggio sono a temperature diverse. Questa mappa è molto utile nell'analisi di una macchina funzionante.

L'intensità della radiazione del corpo nero varia con la temperatura. Potrebbe essere inferiore al previsto per un dato corpo a causa del concetto di emissività, che è il rapporto tra la radianza effettiva e la radianza teorica del corpo nero. Per definizione, l'emissività è compresa tra 0 e 1. Un corpo nero è veramente nero solo quando la sua emissività è 1 e assorbe tutta la radiazione che lo colpisce. Le radiazioni includono componenti a frequenza più elevata al di fuori dello spettro visivo, come i raggi X. L'emissività è un prodotto non solo del corpo, ma dell'interfaccia tra esso e il materiale adiacente, solitamente un gas.

La termocamera si autocalibra in base all'emissività della superficie da misurare. Toccando una volta lo schermo della termocamera del PTi120 viene visualizzato il menu principale; quindi, toccando l'icona a forma di ingranaggio viene visualizzato "Impostazioni". Qui, la terza voce di menu è "Impostazioni IR". In alto c'è l'emissività, con una nota che il nastro isolante è 0.95. Ciò significa che se un breve tratto di nastro isolante nero viene incollato su un oggetto da acquisire, il colore visualizzato sullo schermo dell'imager corrisponderà a un'emissività di 0.95. A volte, il nastro nero non è fattibile a causa di problemi di accesso o temperatura. Per questo motivo, l'imager elenca altri materiali comuni con le loro emissività come segue. Si noti che gli ossidi di rame e alluminio hanno emissività sostanzialmente più elevate rispetto ai metalli puri: 

• Acqua e pelle: 0.98
• Vernice: 0.94
• Gomma: 0.93
• Porcellana smaltata: 0.92
• Calcestruzzo: 0.92
• Carta: 0.90
• Mattone: 0.85
• Ossido di rame: 0.65
• Cemento: 0.56
• Ossido di alluminio: 0.25
• Acciaio inossidabile: 0.10
• Alluminio metallico: 0.05
• Rame metallico: 0.02

L'emissività è il concetto che definisce il riscaldamento planetario (globale). La temperatura della superficie terrestre in un dato luogo e la media globale è determinata dalla radiazione solare assorbita, dal calore emesso dal nucleo e dalla radiazione termica emessa. Sia la superficie che la composizione atmosferica sono fondamentali.

Una prima applicazione della termocamera è stata nella lotta antincendio per determinare la posizione dei punti caldi attraverso il fumo, nell'oscurità e dietro barriere permeabili al calore. Questi strumenti altamente sensibili sono in grado di rilevare il calore corporeo in modo che i soccorritori possano individuare le persone intrappolate nei rottami o perse nella natura selvaggia in una notte fredda.

La fotocamera mostra le differenze di temperatura, quindi gli oggetti alla stessa temperatura sono rappresentati dallo stesso colore. Ciò pone un limite, poiché i confini tra tali oggetti non sono chiaramente definiti. Un utente di una termocamera PTi120 può risolvere questo problema sfruttando l'IR-Fusion per unire immagini a infrarossi e luce visibile per maggiore chiarezza. IR-Fusion può essere utilizzato anche in varie proporzioni per migliorare molte immagini termiche.

La termocamera è uno strumento estremamente versatile che consente all'utente di acquisire grandi quantità di informazioni relative al calore in un'ampia varietà di scale di temperatura. Può essere utilizzato per trovare in modo non invasivo tubi caldi dietro le superfici degli edifici, determinare la posizione di una perdita di acqua calda sotto una lastra di cemento, rilevare perdite di gas di qualsiasi tipo ed effettuare piccole perdite in
i tubi sprinkler del sistema a secco sono facilmente visibili.

La termografia è molto utile per la diagnosi elettrica e meccanica e, poiché è rapida e non invadente, i tecnici sono più inclini che mai a utilizzare la termocamera. Un buon approccio consiste nell'immaginare il macchinario dell'ascensore durante il normale funzionamento e salvare le immagini per un confronto periodico.