Kamery termowizyjne w inżynierii bezpieczeństwa
Technologia i przykłady zastosowania
Technologia zobrazowania w podczerwieni stała się jednym z najbardziej wartościowych narzędzi diagnostycznych w zastosowaniach przemysłowych. Termowizja, wykrywając anomalie termiczne, które są na ogół niewidzialne dla oka ludzkiego, umożliwia podjęcie działań prewencyjnych, zanim nastąpi awaria. Technika zobrazowania w podczerwieni uległa ewolucji w ciągu ostatnich kilkunastu lat. Kamery termowizyjne zmniejszyły się do kompaktowych rozmiarów i można je pomylić z kamerą wideo lub aparatem cyfrowym. Są proste w obsłudze, a jednocześnie wbudowane oprogramowanie daje coraz więcej różnych możliwości, jak choćby nakładanie obrazów termicznych na obraz w świetle widzialnym i komunikację z innymi urządzeniami pomiarowymi dostarczającymi dodatkowych informacji o badanym obiekcie [1, 2].
Zobacz także
mgr inż. Grzegorz Loska Zmiany wartości pomiarowej impedancji pętli zwarcia w rzeczywistych niskonapięciowych sieciach IT
Przy pomiarach impedancji pętli zwarcia w przemysłowych, niskonapięciowych sieciach IT występuje wiele czynników wpływających na dokładność pomiarów. Wartości wyznaczonych pomiarowo impedancji pętli zwarcia...
Przy pomiarach impedancji pętli zwarcia w przemysłowych, niskonapięciowych sieciach IT występuje wiele czynników wpływających na dokładność pomiarów. Wartości wyznaczonych pomiarowo impedancji pętli zwarcia są często znacząco różne od wartości otrzymanych na podstawie obliczeń. Mają na to wpływ czynniki związane z zastosowaną metodą pomiarową (sposób uziemienia na czas pomiarów punktu neutralnego transformatora zasilającego), a także konfiguracja samej sieci IT, w której wykonujemy pomiary, oraz...
Felicity Polska Pożar magazynu energii? Zanim obwinisz baterię, sprawdź przewody
„Pożar domu jednorodzinnego. Zapalił się magazyn energii”. Takie nagłówki pojawiają się w mediach coraz częściej i za każdym razem wywołują to samo pytanie: czy baterie litowe w domu są bezpieczne? Odpowiedź...
„Pożar domu jednorodzinnego. Zapalił się magazyn energii”. Takie nagłówki pojawiają się w mediach coraz częściej i za każdym razem wywołują to samo pytanie: czy baterie litowe w domu są bezpieczne? Odpowiedź jest mniej sensacyjna niż nagłówek. Nowoczesny magazyn energii ma kilka warstw zabezpieczeń, które reagują, zanim zrobi się groźnie. Gdy dochodzi do pożaru, przyczyną nierzadko okazuje się nie sama bateria, lecz sposób, w jaki została podłączona. Czasem wystarczy jeden przewód mniej.
APATOR SA SPV RM – regulator parku energii z funkcją strażnika mocy dla nowoczesnej generacji rozproszonej
Rosnący udział odnawialnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym sprawia, że coraz większego znaczenia nabiera nie tylko sama produkcja energii, ale również jej bezpieczne, przewidywalne i zgodne...
Rosnący udział odnawialnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym sprawia, że coraz większego znaczenia nabiera nie tylko sama produkcja energii, ale również jej bezpieczne, przewidywalne i zgodne z wymaganiami operatorów zarządzanie. Farmy fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe, instalacje biogazowe czy układy przemysłowe typu „zero eksport” wymagają dziś rozwiązań, które pozwalają kontrolować parametry pracy źródeł, ograniczać moc oddawaną do sieci oraz zapewniać skuteczną komunikację z systemami...
Kamera termowizyjna jest bardzo skutecznym narzędziem diagnostycznym w elektroenergetyce. Przeglądy rozdzielni średniego oraz niskiego napięcia pozwalają na bezdotykowe wykrywanie wad i uszkodzeń instalacji elektrycznych bez konieczności wyłączeń. Praca badanych urządzeń pod obciążeniem minimum 30% jest warunkiem niezbędnym do przeprowadzenia badania. Umożliwia to szybkie wykrywanie miejsc potencjalnych awarii oraz nie powoduje przestojów w pracy zakładów przemysłowych i utrudnień dla mieszkańców. Badania instalacji elektrycznych bardzo rzadko przeprowadzane są w domach mieszkalnych, gdzie zapotrzebowanie na moc elektryczną jest małe.
Z tego powodu głównymi zleceniodawcami termowizyjnych inspekcji instalacji elektrycznych są przede wszystkim zakłady przemysłowe. Badania przeprowadzane są nie tylko w celu rozpoznania stanu instalacji elektrycznej i przez to zapewnienia bezawaryjnej pracy w zakładzie, ale także ze względu na wymogi firm ubezpieczeniowych. Inspekcje rozdzielni średniego oraz niskiego napięcia są szybką i sprawną formą zapobiegania awariom [1, 2].
Kamera termowizyjna rejestruje termogramy, czyli rozkład temperatur na badanych urządzeniach elektrycznych. Odpowiednia interpretacja termogramu, uwzględniając wpływ środowiska, zastosowanych materiałów oraz obciążenia torów prądowych mają ogromne znaczenie w przypadku zakwalifikowania zarejestrowanego defektu i wykonania niezbędnej naprawy. współczynnik emisyjności i inne zależnościZnajdujące się w polu widzenia kamer obiekty dążą do zachowania równowagi termodynamicznej poprzez wyrównanie temperatur, a ciepło jest przekazywane ośrodkom o niższej temperaturze trzema drogami: poprzez przewodnictwo, konwekcję oraz promieniowanie cieplne.
Kamera niestety rejestruje jedynie powierzchnię obserwowanych obiektów i to poprzez warstwę powietrza odwzorowując sygnał na płaszczyźnie detektora o pewnej charakterystyce widmowej. Wszystko to wpływa na komplikację w uzyskaniu precyzyjnego wyniku pomiaru. Do oceny temperatury wymagane są więc skomplikowane wzory widmowo-energetyczne oraz uwzględniające dodatkowo liczne zjawiska, jakie mają miejsce w systemie pomiarowym.
Gdy wykonano pierwsze pomiary za pomocą detektorów podczerwieni (pirometrów), to stwierdzono, że wskazywana temperatura jest zazwyczaj niższa od rzeczywistej. Powodem niedokładności jest fakt, iż ciała emitują mniej energii niż opisuje to wzór Plancka, w którym nie uwzględnia się typu materiału, z jakiego zbudowany jest badany obiekt, oraz stanu jego powierzchni (porowatość, gładkość). Wzór Plancka dla zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego wyrażonej za pomocą długości fali można opisać zależnością [5]:
gdzie:
λb – zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego wyrażonej za pomocą długości fali, w [mm],
c – prędkość światła = 3 ´108 m/s,
h – stała Plancka ( 6,62´10–34 J s),
k – stała Boltzmanna (1,38´10–23 J/K),
T – temperatura bezwzględna ciała doskonale czarnego, w [K],
λ – długość fali, w [μm].
Dwie najważniejsze informacje z tego wzoru są takie, że dla każdej długości fali emitowana energia rośnie, gdy wzrasta temperatura, a przez obniżenie temperatury maksimum emitowanej energii przesuwa się w kierunku dłuższych fal. Przekształcając wzór Plancka można wyznaczyć długość tej fali o maksymalnej energii w postaci zależności Wienia:
gdzie:
C – stała Wiena równa 2,897768´10–3, w [m·K].
Dla pomiarów ważną zależnością jest również wzór Stefana–Boltzmana, określający zależność między emitancją ciała czarnego a temperaturą:
gdzie:
s – stała Stefana-Bolzmana, wynosząca 5,6704´10–8, W [Wm–2K–4].
W opisie zjawisk związanych z detekcją sygnałów w podczerwieni ważne jest również prawo Lamberta mówiące o tym, że rozkład natężenia promieniowania ciała czarnego jest iloczynem natężenia promieniowania ciała czarnego w kierunku normalnym i kosinusa kąta a tworzącego kąt z normalną do powierzchni promieniującej:
Poprzez modyfikację powyższej zależności można wyznaczyć emitancję promieniowania w kącie bryłowym.
Opisane powyżej zależności dotyczyły idealnego, doskonale czarnego ciała niezależnego od długości fali i innych czynników. Niestety istnieją odstępstwa zachowania się rzeczywistych powierzchni obiektów w stosunku do ciała doskonale czarnego, dla którego emisyjność wynosi 1.
W celu uwzględnienia wpływu rodzaju materiału, z którego wykonany jest badany obiekt, oraz stanu jego powierzchni wprowadzony został współczynnik emisyjności, który opisuje stosunek ilości energii emitowanej przez ciało do energii, która powinna być wyemitowana. Wartość współczynnika emisyjności zależy dodatkowo od: geometrii powierzchni, temperatury materiału i szybkości jej zmian, długości fali oraz czasu i kąta obserwacji. Przykładowo, beton ma współczynnik emisyjności 0,95, czyli emituje tylko 5% energii mniej niż wynika to ze wzoru Plancka. Natomiast wypolerowana powierzchnia aluminiowa ma współczynnik 0,05, co oznacza, że prawie nie emituje energii. Znajomość współczynnika emisyjności jest konieczna do określenia dokładnej temperatury obiektu, nie jest natomiast niezbędna do diagnostyki. Niekiedy warto przeprowadzić badania testowe próbek materiałów i uwzględnić inne doświadczenia interpretującego. Należy zwrócić uwagę, że w przypadku badań diagnostycznych, np. połączeń elektrycznych, łożysk, uzwojeń silników, izolacji ścian pieców, zależy nam na znalezieniu anomalii temperaturowych. Przykładem może być zdjęcie złącza kablowego (fot. 1.). Skrajne styki podstaw bezpiecznikowych mają podwyższoną temperaturę względem otoczenia, co wskazuje na możliwe uszkodzenie bezpiecznika, pogorszenie zestyku lub nierównomierne obciążenie faz. Należy dodać, że zmierzono prądy obciążenia i wynosiły odpowiednio 28 A, 15 A i 18 A.
Parametry zależne od operatora
Urządzenia termograficzne są dość specyficznymi przyrządami pomiarowymi, w których samo wykonanie pomiaru nie jest problemem dla większości służb technicznych. Prawidłowe nastawienie parametrów obserwacyjnych kamery termowizyjnej i późniejsza interpretacja wyników są jednak skomplikowane. Podstawowym błędem pomiarów jest niedostosowywanie parametrów obserwacyjnych kamery do środowiska pomiarowego, w którym pracujemy. Kamera termowizyjna obserwuje obiekty z pewnego dystansu. W przestrzeni pomiędzy kamerą a obiektem jest wiele czynników zakłócających. Operator kamery powinien dostosować kamerę do środowiska pracy, a mianowicie wprowadzić odpowiednią odległość od obiektu, temperaturę otoczenia, wilgotność, jak również uwzględnić promieniowanie odbite od obserwowanego obiektu [3]. Różnica między rzeczywistą temperaturą obiektu a temperaturą zmierzoną kamerą termowizyjną z typowego dystansu obserwacyjnego 6 m może wynosić około 3°C. Nie jest to błąd znaczący, ale biorąc pod uwagę możliwość nakładania się kolejnych błędów, może prowadzić do błędnych wnioskowań.
Następnym parametrem obserwacyjnym, który wymaga zwrócenia uwagi, jest wilgotność powietrza otaczającego obserwowany obiekt. Wpływa ona zasadniczo na przepuszczalność promieniowania podczerwonego emitowanego lub odbitego przez obserwowany obiekt [3].
Kolejne błędy wykonywane przez operatorów związane są z niedostosowaniem parametrów obserwacyjnych kamery do właściwości fizycznych obserwowanego obiektu. Każdy materiał, z wyjątkiem ciała doskonale czarnego, charakteryzuje się pewną emisją promieniowania z zakresu podczerwieni, absorpcją promieniowania i jego refleksyjnością. Wprowadzany współczynnik emisyjności, umożliwia skorygowanie odczytu kamery termowizyjnej i uzyskanie wiarygodnych danych metrologicznych. Z punktu widzenia pomiarów termowizyjnych instalacji elektrycznych, tzw. emisyjność mierzonego obiektu jest bardzo istotna. Wprowadzono tę wielkość w celu odniesienia promieniowania ciała rzeczywistego do „wzorca”, jakim jest ciało doskonale czarne. Współczynnik emisyjności określa zdolność danego ciała do emitowania własnej energii z pominięciem energii odbitej i przepuszczanej. Współczynnik emisyjności zawiera się w przedziale od 0 do 1. Z praktyki wynika, że im jest on bliższy 1 dla danego ciała, tym pomiar jest prostszy i daje dokładniejsze wyniki. Współczynnik emisyjności zależy od faktycznej temperatury ciała, właściwości materiału oraz otaczającego go środowiska. Często spotykane w instalacjach elektrycznych materiały polerowane czy czarna izolacja przewodów, wymuszają kalibrację kamery o odpowiedni współczynnik emisyjności, właściwy dla obserwowanego obiektu. Współczynnik ten powinien być każdorazowo zadany kamerze. Jeżeli znamy dokładnie materiał, sprawa jest prosta, jeżeli nie znamy, wymagane jest przeprowadzenie prób, które pozwolą ustalić faktyczny współczynnik emisyjności danego obiektu [3].
Należy także pamiętać, że niektóre materiały odbijają promieniowanie cieplne podobnie jak lustro odbija światło widzialne. Przykładem może być wypolerowany metal. Odbicia mogą prowadzić do niewłaściwej interpretacji obrazu w podczerwieni. Odbicie własnego promieniowania podczerwonego operatora, grzejnika lub żarówki może spowodować pojawienie się fałszywych punktów o podwyższonej temperaturze. Operator powinien wybierać odpowiedni kąt obserwacji obiektu, aby uniknąć takich odbić [3].
Zastosowanie kamer w inżynierii bezpieczeństwa
Obszar zastosowań kamer termowizyjnych nieustannie się rozszerza i dawno już wykroczył poza zakres związany bezpośrednio z diagnostyką urządzeń elektroenergetycznych, zyskując uznanie również w medycynie, audycie energetycznym izolacji budynków oraz elektronice, kontroli jakości i ratownictwie [4, 5]. Kamera termowizyjna jest dobrym narzędziem do prowadzenia przeglądów technicznych urządzeń, umożliwiającym szybkie i bezpieczne zlokalizowanie problemów oraz niesprawności, jeszcze zanim nastąpi awaria lub uszkodzenie. Jest to możliwe zarówno w przypadku zewnętrznych i wewnętrznych instalacji elektrycznych, urządzeń mechanicznych, jak również instalacji przemysłowych. Współcześnie termowizja i jej narzędzia znajdują zastosowanie w ochronie przeciwpożarowej, medycynie czy wykrywaniu podsłuchów [1, 5]. Praktyka wykazuje, że pomiary urządzeń elektrycznych powinno się wykonać nawet wtedy, gdy obciążenie jest niskie. Niewykrycie wad nie zmieni wiedzy o instalacji, natomiast ich wykrycie dowodzić będzie rangi zagrożenia. Wykonywanie w takich sytuacjach pomiarów uzasadnione jest również faktem, że jednoczesna obserwacja znacznego obszaru, a przy tym wysoka wyróżnialność małych różnic temperatury powoduje, że pominięcie ewidentnej wady, nawet słabo skontrastowanej, jest bardzo mało prawdopodobne. Kamery termowizyjne mają rozdzielczości termiczne na poziomie poniżej 0,1°C, podczas gdy istotne wady to przyrosty temperatury kilkunasto- czy kilkudziesięciostopniowe. Jedyny mankament badań przy niskim obciążeniu to mniej precyzyjna klasyfikacja wady niż przy większych obciążeniach. Zwykle przyjmuje się, że jeśli podwyższenie temperatury przekracza 20°C, to badanym fragmentem rozdzielni/instalacji należy się zająć bezzwłocznie [5].
Przeszukiwanie zadymionych pomieszczeń
Przeszukiwanie zadymionych pomieszczeń należy do ważnych i wyjątkowo niebezpiecznych zadań. Kamery stosuje się do poszukiwania źródeł ognia, jak również do poszukiwania ofiar pożaru. Ofiar poszukuje się w pomieszczeniu objętym pożarem i w pomieszczeniach sąsiednich. Toksyczne produkty spalania, szczególnie tlenek węgla, mogą spowodować zatrucie osób znajdujących się w strefie zadymienia. Zdarza się, że osoby te znalazły się w obszarze pożaru podczas snu. Po polaniu ognia wodą powstają kłęby pary wodnej i widzialność spada do zera. Kamera w tych warunkach umożliwia zlokalizowanie źródeł ognia i odszukanie zaczadzonych osób. Widoczność zostaje przywrócona dopiero po oddymieniu pomieszczeń w czasie od kilku do kilkunastu minut. Czas ten może przesądzić o życiu lub śmierci poszkodowanych. Bardzo niebezpieczne dla strażaków jest również przeszukiwanie piwnic. Mieszkańcy trzymają w nich różne przedmioty i materiały, w tym turystyczne butle z gazem płynnym, rozpuszczalniki i inne łatwopalne substancje. Piwnice bywają zagracone i zakratowane, a w niektórych brak jest okienek. Piwnice są niskie, co powoduje, że strefa zadymienia sięga podłogi. Poruszanie się w tych warunkach i szukanie leżących gdzieś w zakamarkach nieprzytomnych osób wymaga wielkiej wprawy i odwagi. W takich przypadkach kamera termowizyjna jest bardzo pomocna, gdyż poszukiwanie ofiar może być efektywnie przeprowadzone przed oddymieniem pomieszczeń, co daje cenne minuty lekarzom ratującym życie [4].
Lokalizacja źródeł ognia w zsypach
W wielkich miastach strażacy często wyjeżdżają do pożarów śmietników i zsypów. Zdarza się, że lokator wrzuci tlący się niedopałek do kanału zsypowego. Może to spowodować pożar pojemnika na śmieci lub spowodować zapłon śmieci nagromadzonych w zakamarkach kanału zsypowego. Rury zsypowe nie zawsze są proste i wówczas śmieci gromadzą się w zakolach lub przy wlotach do kanału na klatkach schodowych. Kanały bywają zapchane i śmieci mogą palić się między piętrami. W pożarze zsypu, po przybyciu na miejsce zdarzenia, strażacy najpierw wyciągają wózki ze śmieciami z pomieszczenia zsypowego i gaszą je na zewnątrz [4]. Jeśli okaże się, że źródło ognia znajduje się gdzieś w kanale zsypowym, to przystępują do jego odnalezienia na poszczególnych kondygnacjach. Obserwują, w których miejscach wydobywa się dym. Jeśli nie mają kamery termowizyjnej, to zdejmują rękawice i przykładają dłonie do ściany, aby wykryć ciepłe miejsca w okolicy kanału zsypowego. Zdarza się, że instalacja elektryczna budynku jest uszkodzona lub uszkodzenie to spowodował zaistniały pożar. W takim przypadku zawilgocona ściana może być pod napięciem powodując porażenie prądem elektrycznym. Zastosowanie kamery termowizyjnej umożliwia określenie ciepłych miejsc na ścianie przyległej do zsypu z bezpiecznej odległości. Wykonuje się obrys ciepłego obszaru. Następnie wierci się otwory nad górną powierzchnią obrysu i wybija otwór w ścianie. Wywiercenie otworów w dolnej części obrysu mogłoby rozniecić ogień w kanale, dzięki zapewnieniu lepszego dopływu powietrza. Przez otwór wpompowuje się wodę do kanału. Po odczekaniu kilkunastu minut strażacy sprawdzają, czy ściana uległa schłodzeniu. Jeśli pozostaje ciepła, należy dalej szukać ognia, wykonując otwory i wpompowując wodę do kanału. Im precyzyjniej zlokalizuje się źródło ognia, tym zużyje się mniej wody i straty spowodowane zalaniem będą mniejsze [4].
Lokalizacja źródeł ognia w wolnych przestrzeniach między stropami lub ścianami
Czasami bardzo trudno jest ugasić pożar usytuowany w niedostępnych miejscach. Znajdujące się między stropami lub ścianami materiały palne, takie jak płyty pilśniowe, styropian, nagromadzone śmieci, po zapaleniu tlą się powoli z powodu utrudnionego dostępu powietrza. W ostatnich latach w Warszawie było kilka zdarzeń, w których ten sam pożar gasiły trzy zmiany. Trzeba było aż trzech dni, aby uporać się z niewielkim pożarem, ukrytym w przestrzeniach między ścianami budynków. Udało się to dopiero po zastosowaniu kamer termowizyjnych [4].
Kontrola temperatury schładzanych elementów budynku i poszukiwanie osób zaginionych
Kamery termowizyjne stosowane są w fazie końcowej akcji ratowniczo-gaśniczej, gdzie następuje dogaszanie i kontrola pogorzeliska. Bada się temperaturę schładzanych elementów budynków. Sprawdza się, czy gdzieś nie pozostały zarzewia pożaru [4]. W mniejszym zakresie kamery termowizyjne wykorzystywane są do poszukiwania zaginionych w terenie osób, szczególnie dzieci.
Literatura
- Pomiary termowizyjne w praktyce, pod red. H. Madury, Agenda Wydawnicza PAK, Warszawa 2004.
- W. Oliferuk, Termografia podczerwieni w nieniszczących badaniach materiałów i urządzeń, Biuro Gamma, Warszawa 2008.
- T. Karwat, Termowizja instalacji elektrycznych narzędziem oceny zagrożenia pożarowego, „elektro.info” 5/2010.
- J. Rybiński, A. Szajewska, Wykorzystanie termowizji w Państwowej Straży Pożarnej, PAK vol. 57, nr 10/2011.
- K. Kuczyński, Termowizja czyli bezkontaktowe diagnozowanie urządzeń, „elektro.info” 3/2007.
