Termowizyjna diagnostyka urządzeń elektrycznych
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. Dzięki temu możliwe jest zobrazowanie miejsc o wyższej temperaturze, szybki przegląd dużych powierzchni oraz znalezienie ewentualnego 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 [1, 2].
Wyniki badań przy użyciu kamery termowizyjnej 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 [1, 2].
Emisyjność
Rzeczywiste obiekty nie tylko emitują promieniowanie, ale również je częściowo pochłaniają, odbijają i przepuszczają.
Emitowany strumień promieniowania cieplnego jest zazwyczaj różny dla poszczególnych obiektów i zależny od ich własności fizykochemicznych. Nawet gdy temperatura tych ciał jest taka sama, każdy z obiektów ma określoną, własną zdolność do emitowania promieniowania, którą to zdolność opisuje się współczynnikiem zwanym emisyjnością.
Emisyjność zależy od temperatury, składu chemicznego, stanu fizycznego powierzchni (chropowatości, warstwy tlenków, zanieczyszczeń) i wielu innych czynników, a także od kierunku obserwacji [2, 3].
Wynika z tego, że każdy obiekt mierzony ma niepowtarzalną i charakterystyczną tylko dla tego przedmiotu emisyjność. Można stąd wyciągnąć wniosek, że dla pomiaru technikami wykorzystującymi moc promieniowania emitowanymi przez obiekt (na przykład wyznaczanie temperatury obiektu w pomiarach termowizyjnych) niepewność określenia emisyjności decyduje o niepewności całego pomiaru.
Najdokładniejsze wyznaczanie emisyjności kierunkowej materiałów uzyskuje się poprzez pomiar współczynnika odbicia za pomocą spektrometrów podczerwieni, ale prostsze, uśrednione emisyjności materiałów można wykonać również kamerami termowizyjnymi lub poprzez porównanie ze stykowymi metodami pomiaru temperatury, gdzie należy tak dobrać emisyjność w kamerze, aby wskazywała tę samą temperaturę, jaką uzyskano inną metodą pomiarową [3].
Czynniki wpływające na pomiar
Kolejnym czynnikiem utrudniającym pomiary mocy promieniowania emitowanego przez obiekt jest tłumienie propagacji promieniowania podczerwonego przez atmosferę spowodowane jej rozpraszaniem i pochłanianiem.
W zakresie podczerwieni promieniowanie pochłanianie jest głównie poprzez molekuły pary wodnej, dwutlenku węgla, tlenków azotu, ozonu oraz cząsteczek z dymów przemysłowych.
Wiadomo też, że zawartość składników atmosfery ulega zmianom wraz z pogodą czy bliskością obiektów przemysłowych. Warstwę powietrza można traktować jako filtr o bardzo złożonym widmowym współczynniku przepuszczalności i do tego niekoniecznie jednakowych właściwościach przy kolejnych pomiarach.
Dla niektórych zakresów długości fal, nazwanych „oknami atmosferycznymi” przepuszczalność promieniowania jest względnie wysoka. Stąd też powstał podział kamer termowizyjnych na pracujące w zakresach 3–5 μm oraz 8–15 μm [3].
Również promieniowanie słoneczne odbite bądź bezpośrednio oświetlające mierzone obiekty zakłóca pomiary, szczególnie dla obiektów o małej emisyjności i dla kamer pracujących w bliższym zakresie podczerwieni.
Zobacz także: Możliwości diagnozowania urządzeń i instalacji elektrycznych przy zastosowaniu kamer termowizyjnych
W praktyce pomiarowej niektóre zakłócenia są na tyle małe, że można je pominąć, a odpowiednio przeszkolony operator uwzględni te czynniki, których pominąć się nie powinno. Operator zmieniając kierunek obserwacji, dobierając odpowiedni czas na wykonanie pomiarów bądź ekranując od kamery silne źródła promieniowania może uniknąć wielu zakłóceń, które są szkodliwe dla pomiarów [2, 3].
Zazwyczaj stosowane termowizyjne metody pomiarów są metodami pasywnymi, gdyż rejestrowane obrazy powstają poprzez analizę promieniowania odbitego.
Najczęściej w praktyce warsztatowej obraz termiczny wykorzystywany jest do obserwacji odstępstw od prawidłowego stanu obiektu lub porównywania kilku obrazów termicznych. Często w takich pomiarach stosowane są stosunkowo proste kamery obserwacyjne, ze specjalnie dostosowanym do potrzeb oprogramowaniem.
Większość obecnie stosowanych kamer to kamery wyposażone w matryce detektorów od 60x60 do 800x600 pikseli, które przetwarzają energię promieniowania na inną wielkość fizyczną. Wyświetlany obraz termiczny może znacznie różnić się od obserwowanego w świetle widzialnym, często więc kamerę termowizyjną wyposaża się również w prostą kamerę światła widzialnego i zapisuje rejestrowane obrazy jednocześnie. Obrazy termiczne wyświetla się najczęściej w postaci barwnej, aby łatwiej zauważyć niewielkie zmiany termiczne poszczególnych fragmentów obiektu [3].
Przeczytaj drugą stronę tego artykułu: Zastosowanie w diagnostyce. Termowizja stosowana jest przede wszystkim w diagnostyce podczas inspekcji urządzeń...
Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!
Wyniki badań przy użyciu kamery termowizyjnej 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 [1, 2].
Emisyjność
Rzeczywiste obiekty nie tylko emitują promieniowanie, ale również je częściowo pochłaniają, odbijają i przepuszczają.
Emitowany strumień promieniowania cieplnego jest zazwyczaj różny dla poszczególnych obiektów i zależny od ich własności fizykochemicznych. Nawet gdy temperatura tych ciał jest taka sama, każdy z obiektów ma określoną, własną zdolność do emitowania promieniowania, którą to zdolność opisuje się współczynnikiem zwanym emisyjnością.
Emisyjność zależy od temperatury, składu chemicznego, stanu fizycznego powierzchni (chropowatości, warstwy tlenków, zanieczyszczeń) i wielu innych czynników, a także od kierunku obserwacji [2, 3].
Wynika z tego, że każdy obiekt mierzony ma niepowtarzalną i charakterystyczną tylko dla tego przedmiotu emisyjność. Można stąd wyciągnąć wniosek, że dla pomiaru technikami wykorzystującymi moc promieniowania emitowanymi przez obiekt (na przykład wyznaczanie temperatury obiektu w pomiarach termowizyjnych) niepewność określenia emisyjności decyduje o niepewności całego pomiaru.
Najdokładniejsze wyznaczanie emisyjności kierunkowej materiałów uzyskuje się poprzez pomiar współczynnika odbicia za pomocą spektrometrów podczerwieni, ale prostsze, uśrednione emisyjności materiałów można wykonać również kamerami termowizyjnymi lub poprzez porównanie ze stykowymi metodami pomiaru temperatury, gdzie należy tak dobrać emisyjność w kamerze, aby wskazywała tę samą temperaturę, jaką uzyskano inną metodą pomiarową [3].
Czynniki wpływające na pomiar
Kolejnym czynnikiem utrudniającym pomiary mocy promieniowania emitowanego przez obiekt jest tłumienie propagacji promieniowania podczerwonego przez atmosferę spowodowane jej rozpraszaniem i pochłanianiem.
W zakresie podczerwieni promieniowanie pochłanianie jest głównie poprzez molekuły pary wodnej, dwutlenku węgla, tlenków azotu, ozonu oraz cząsteczek z dymów przemysłowych.
Wiadomo też, że zawartość składników atmosfery ulega zmianom wraz z pogodą czy bliskością obiektów przemysłowych. Warstwę powietrza można traktować jako filtr o bardzo złożonym widmowym współczynniku przepuszczalności i do tego niekoniecznie jednakowych właściwościach przy kolejnych pomiarach.
Dla niektórych zakresów długości fal, nazwanych „oknami atmosferycznymi” przepuszczalność promieniowania jest względnie wysoka. Stąd też powstał podział kamer termowizyjnych na pracujące w zakresach 3–5 μm oraz 8–15 μm [3].
Również promieniowanie słoneczne odbite bądź bezpośrednio oświetlające mierzone obiekty zakłóca pomiary, szczególnie dla obiektów o małej emisyjności i dla kamer pracujących w bliższym zakresie podczerwieni.
Zobacz także: Możliwości diagnozowania urządzeń i instalacji elektrycznych przy zastosowaniu kamer termowizyjnych
W praktyce pomiarowej niektóre zakłócenia są na tyle małe, że można je pominąć, a odpowiednio przeszkolony operator uwzględni te czynniki, których pominąć się nie powinno. Operator zmieniając kierunek obserwacji, dobierając odpowiedni czas na wykonanie pomiarów bądź ekranując od kamery silne źródła promieniowania może uniknąć wielu zakłóceń, które są szkodliwe dla pomiarów [2, 3].
Zazwyczaj stosowane termowizyjne metody pomiarów są metodami pasywnymi, gdyż rejestrowane obrazy powstają poprzez analizę promieniowania odbitego.
Najczęściej w praktyce warsztatowej obraz termiczny wykorzystywany jest do obserwacji odstępstw od prawidłowego stanu obiektu lub porównywania kilku obrazów termicznych. Często w takich pomiarach stosowane są stosunkowo proste kamery obserwacyjne, ze specjalnie dostosowanym do potrzeb oprogramowaniem.
Większość obecnie stosowanych kamer to kamery wyposażone w matryce detektorów od 60x60 do 800x600 pikseli, które przetwarzają energię promieniowania na inną wielkość fizyczną. Wyświetlany obraz termiczny może znacznie różnić się od obserwowanego w świetle widzialnym, często więc kamerę termowizyjną wyposaża się również w prostą kamerę światła widzialnego i zapisuje rejestrowane obrazy jednocześnie. Obrazy termiczne wyświetla się najczęściej w postaci barwnej, aby łatwiej zauważyć niewielkie zmiany termiczne poszczególnych fragmentów obiektu [3]. Przeczytaj drugą stronę tego artykułu: Zastosowanie w diagnostyce. Termowizja stosowana jest przede wszystkim w diagnostyce podczas inspekcji urządzeń...
Czytaj też: Diagnostyka termowizyjna instalacji elektroenergetycznych przy zastosowaniu kamer termowizyjnych >>>
Zastosowanie w diagnostyce
Termowizja stosowana jest przede wszystkim w diagnostyce podczas inspekcji urządzeń elektrycznych służących do wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej. Prawidłowo pracujące złącze elektryczne nie powinno wykazywać wyższych temperatur od temperatury łączonych elementów.
Przyczyną nadmiernego wzrostu temperatur może być np. niewłaściwie zaprasowany przewód w zacisku lub wadliwe połączenie zacisku z urządzeniem. W tym kontekście kontrola linii elektroenergetycznych, transformatorów i rozdzielni daje ogromne możliwości wykrywania takich elementów, które na skutek długotrwałego przepływu prądu o dużym natężeniu oraz innych czynników, takich jak korozja powierzchni styków, powodują stopniowe pogorszenie się stanu złączy.
Oczywiście zastosowanie techniki termowizyjnej wymaga obciążenia instalacji podczas badania termowizyjnego. Najlepsze efekty daje zapewnienie znanego i odpowiednio dużego obciążenia prądowego (minimum 40%). Powoduje to zwiększoną dokładność pomiarów i pozwala na lepszą ocenę wyników. Praktyka wskazuje jednak, że pomiary takie należy wykonywać nawet wtedy, gdy obciążenie jest niskie, gdyż po wykryciu jakichś wad przy małym obciążeniu pomiary takie wskazują na zwiększony poziom takiego zagrożenia [2, 3].
Podsumowanie
Technika pomiarów termowizyjnych poprzez dwuwymiarowe obrazowanie w postaci zdjęć lub filmów umożliwia szybkie wykrywanie i zapobieganie awariom. Pomiar trwa krótko. Pominięcie obszaru o znacznie podwyższonej temperaturze jest mało prawdopodobne. Obiekty nie wymagają specjalnego przygotowania, a diagnostyka może być również wykonywana zdalnie.
Literatura
1. „Pomiary termowizyjne w praktyce”, pod red. H. Madury, Agenda Wydawnicza PAK, Warszawa 2004.
2. W. Oliferuk, Termografia podczerwieni w nieniszczących badaniach materiałów i urządzeń, Biuro Gamma, Warszawa 2008.
3. K. Kuczyński, G. Dymny, Zasady diagnostyki rozdzielnic nn przy zastosowaniu kamer termowizyjnych, „elektro.info” 6/2013.
Fot. 1. Obraz termowizyjny oraz obraz w świetle widzialnym stycznika umieszczonego w rozdzielnicy z lat 70. ubiegłego wieku
Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!
