Zastosowanie termowizji w badaniach urządzeń elektroenergetycznych

Wykrycie elementu przegrzanego i prawidłowa klasyfikacja zagrożenia zależna od obciążenia prądowego i przyrostu temperatury – to typowe zadania kontroli termograficznej. Warto zwrócić uwagę na fakt, że krajowe firmy, które ubezpieczane są w korporacjach ubezpieczeniowych, muszą minimum raz do roku wykazać się termowizyjnym przeglądem swoich instalacji elektrycznych dla potwierdzenia bezpieczeństwa przeciwpożarowego [1, 4].

termografia

Termografia, zwana potocznie termowizją, opiera się na detekcji i rejestracji promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekty, których temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego, i przekształceniu tego promieniowania na światło widzialne. Otrzymany obraz termalny jest odwzorowaniem pola temperaturowego na powierzchni badanego obiektu. Badania takie możemy wykonywać za pomocą specjalnych urządzeń zwanych kamerami termowizyjnymi. Kamera termowizyjna jest urządzeniem służącym do bezkontaktowego zobrazowania rozkładu temperatury na obserwowanej powierzchni na podstawie pomiaru mocy promieniowania podczerwonego emitowanego przez poszczególne elementy tej powierzchni [2]. Dzięki temu możliwe jest uwidocznienie kierunków przepływu ciepła, szybki przegląd dużych powierzchni, czy znalezienie punktowego źródła ciepła. Po skierowaniu kamery na jakiś obiekt, podzespół, część instalacji, budynek, linię technologiczną czy energetyczną linię przesyłową, na ciekłokrystalicznym wyświetlaczu ukazuje się obraz odwzorowujący promieniowanie obiektu w podczerwieni (fot. 1.).

Wyniki takich badań otrzymujemy w postaci barwnych obrazów zwanych termogramami. Każdej barwie zarejestrowanej na termogramie odpowiada na skali temperatur określona temperatura zarejestrowana przez kamerę termowizyjną. Z reguły barwami jasnymi oznacza się powierzchnie o wysokiej temperaturze, natomiast kolorami ciemniejszymi – powierzchnie o temperaturze niższej. Ponadto do analizy zarejestrowanych obrazów termalnych wykorzystuje się specjalistyczne programy komputerowe, które umożliwiają precyzyjne określenie temperatury w wyznaczonym miejscu. Porównując termogramy wykonane w różnym czasie lub na różnych obiektach łatwo wyłowić tendencje i różnice, dzięki określeniu pola temperatury na powierzchni urządzenia (fot. 2.).

detektory podczerwieni

Detektor promieniowania podczerwonego (fot. 3.) jest przetwornikiem, który pochłania energię tego promieniowania i zamienia ją na sygnał w postaci napięcia lub natężenia prądu elektrycznego. Detektory podczerwieni można grupować według rozmaitych kryteriów. Z punktu widzenia zjawisk stanowiących podstawę działania, detektory dzielą się na termiczne i fotonowe [3].

Detektorem termicznym promieniowania podczerwonego może być materiał, który pochłania promieniowanie podczerwone i którego dana właściwość fizyczna zależy od zmiany temperatury detektora. Aktywny element detektora powinien być więc możliwie najlepiej izolowany od otoczenia. Poważnym ograniczeniem osiągnięcia tego stanu jest wymiana ciepła pomiędzy elementem aktywnym detektora a otoczeniem poprzez promieniowanie. Właściwością zależną od temperatury może być, na przykład, oporność elektryczna materiału detektora. Detektory, w których wykorzystuje się tego typu zależność, nazwano bolometrami. Do termicznych detektorów podczerwieni należą także detektory, w których wykorzystuje się zjawisko termoelektryczne, znane także jako zjawisko Seebecka. Jego istotą jest indukowanie siły elektromotorycznej w obwodzie zamkniętym, zestawionym z co najmniej dwóch różnych, połączonych szeregowo, materiałów przewodzących prąd elektryczny, gdy ich złącza są utrzymywane w różnych temperaturach. Wartość siły elektromotorycznej jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatury złączy. Jeśli jedno z nich umieścimy w temperaturze odniesienia, a drugie w jakimś ośrodku o nieznanej temperaturze, to jej wartość możemy wyznaczyć mierząc siłę elektromotoryczną i znając współczynnik proporcjonalności. Taki obwód elektryczny nazywamy termoparą. Jest to przyrząd do kontaktowego pomiaru temperatury. Może on stać się detektorem promieniowania podczerwonego, jeżeli przyrost temperatury drugiego złącza jest wynikiem absorpcji promieniowania termicznego. Między złączami powstaje napięcie elektryczne, którego wartość jest funkcją mocy absorbowanego promieniowania [3].

Cechą charakterystyczną wszystkich detektorów termicznych jest to, że sygnał na wyjściu nie zależy od długości fali pochłanianego promieniowania. Jeśli w danym zastosowaniu detektora wymagany jest określony przedział widmowy, wówczas stosuje się filtr, który nie przepuszcza promieniowania o częstotliwościach niemieszczących się w tym przedziale. Czas odpowiedzi termicznych detektorów podczerwieni na stymulację promieniowaniem jest stosunkowo długi i zawiera się w przedziale od l0^-3 do 10^-1 s.

W detektorach fotonowych pochłanianie promieniowania termicznego jest rezultatem kwantowych oddziaływań fotonów z elektronami. Detektory te reagują nie tyle na energię padającego promieniowania, co na strumień fotonów. W odróżnieniu od detektorów termicznych, ich czułość zależy od długości fali padającego promieniowania. Charakteryzują się one także krótszymi czasami odpowiedzi. Wszystkie fotonowe detektory wykonuje się z półprzewodników, w których absorpcja fotonu powoduje uwolnienie lub przesunięcie nośnika ładunku. Ich opracowanie stało się możliwe dzięki prawom fizyki kwantowej, których prekursorem był Max Planck. Ponieważ energia fotonu (kwant energii) jest odwrotnie proporcjonalna do przyporządkowanej mu długości fali, to zakres widmowy detektorów fotonowych zależy od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika i jest tym szerszy, im ta szerokość jest mniejsza. Jednakże mniejsza przerwa sprzyja większej liczbie nośników ładunku generowanych termicznie, co podnosi poziom szumu, a więc pogarsza detekcyjność przetwornika. Dlatego detektory fotonowe wymagają chłodzenia. Jednak chłodzenie zwiększa przerwę energetyczną, a tym samym zmniejsza krytyczną długość fali. Rozróżnia się trzy typy detektorów fotonowych: detektory fotoprzewodzące (fotorezystory), fotowoltaiczne i detektory na studniach kwantowych [3].