Detektory podczerwieni a możliwości diagnozowania urządzeń i instalacji elektrycznych przy zastosowaniu kamer termowizyjnych
Matryca składająca się z 4 detektorów podczerwieni o rozdzielczości 2048x2048 pikseli systemu HAWK-I (High Acuity Wide field K-band Imager) zainstalowana w Yepun, czwartej jednostce teleskopu VLT (Very Large Telescope) znajdującego się na pustyni Atakama
ESO
Diagnostyka termograficzna stosowana jest wszędzie tam, gdzie stan urządzenia może ujawnić się przez zmianę rozkładu temperatury na jego powierzchni. We wszystkich urządzeniach transmitujących lub zasilanych energią elektryczną przed uszkodzeniem lub w stanie krytycznym wzrasta temperatura, powyżej stanu normalnego. Poprzez wykrycie i wskazanie anomalii temperaturowych, bardzo często niewidocznych dla ludzkiego oka, termowizja pozwala na podjęcie działań prewencyjnych. Kamera termowizyjna jest dobrym narzędziem do prowadzenia przeglądów technicznych urządzeń, umożliwiającym szybkie i bezpieczne zlokalizowanie problemów oraz niesprawności, jeszcze zanim nastąpi awaria lub uszkodzenie.
Zobacz także
dr inż. Karol Kuczyński Diagnostyka termowizyjna instalacji elektroenergetycznych przy zastosowaniu kamer termowizyjnych
Pomiary termowizyjne znajdują zastosowanie we wszystkich przypadkach, w których na podstawie wartości oraz rozkładu temperatury na powierzchni badanego obiektu można oceniać jego stan techniczny. Najpopularniejszym...
Pomiary termowizyjne znajdują zastosowanie we wszystkich przypadkach, w których na podstawie wartości oraz rozkładu temperatury na powierzchni badanego obiektu można oceniać jego stan techniczny. Najpopularniejszym sposobem wykrywania uszkodzeń urządzeń elektroenergetycznych jest wykonanie badań termowizyjnych, które stanowią około 70% wykonywanych pomiarów.
Euro Pro Group news Euro Pro Group na Targach Energetab 2022
Euro Pro Group zaprezentowała się podczas wrześniowych targów energetycznych ENERGETAB 2022. Pokazała tam najnowsze produkty firmy FLIR, których jest bezpośrednim importerem.
Euro Pro Group zaprezentowała się podczas wrześniowych targów energetycznych ENERGETAB 2022. Pokazała tam najnowsze produkty firmy FLIR, których jest bezpośrednim importerem.
TERMOCENT Sp. z o.o. Termowizja instalacji i urządzeń elektrycznych do ubezpieczeń
Kiedy rozmawiasz z przedstawicielem firmy ubezpieczeniowej, sytuacja wygląda następująco: możesz zlecić wykonanie badania termowizyjnego instalacji elektrycznej zewnętrznej firmie i uzyskać dzięki temu...
Kiedy rozmawiasz z przedstawicielem firmy ubezpieczeniowej, sytuacja wygląda następująco: możesz zlecić wykonanie badania termowizyjnego instalacji elektrycznej zewnętrznej firmie i uzyskać dzięki temu korzyści. Możesz też zrezygnować z badania i zapłacić wyższą składkę lub mieć gorsze warunki ubezpieczenia lub nie skorzystać z oferty danego Ubezpieczyciela.
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 medycynie czy wykrywaniu podsłuchów. Okazuje się, że obecnie zobrazowania z wykorzystaniem termowizji stały się najbardziej wiarygodną metodą pomiaru rozkładu temperatury. Pomiary z wykorzystaniem kamer termowizyjnych można wykonywać z bezpiecznej odległości, nawet gdy urządzenie elektryczne jest pod obciążeniem [1, 2].
Budowa kamery
W początkowym okresie rozwoju techniki termowizyjnej stosowano w kamerach pojedyncze detektory promieniowania oraz skomplikowane systemy mechaniczno-optyczne (skanujące) umożliwiające badanie powierzchniowych rozkładów temperatury. Obecnie w konstrukcji kamer są stosowane głównie matryce detektorów. Upraszcza to znacznie ich konstrukcję i pozwala na poprawę parametrów metrologicznych. Jako szczególne osiągnięcie technologiczne ostatnich lat należy wymienić wprowadzenie niechłodzonych, tanich matryc detektorów termicznych. Spowodowało to przełom w masowym stosowaniu systemów termowizyjnych w codziennej praktyce: w przemyśle, medycynie i wielu innych dziedzinach życia.
Obecnie produkowane i oferowane na rynku są matryce, w których liczba pojedynczych detektorów sięga rozmiarów 640x480, a nawet 1600x1200 pikseli, a prowadzone są intensywne prace rozwojowe nad zwiększeniem tej liczby [1, 3].
Pierwsze kamery wyposażone w pojedyncze lub linijkowe detektory zwane są też odpowiednio skanerami punktowymi, lub liniowymi. Obraz pola temperaturowego powstawał w nich za pomocą optomechanicznego układu omiatającego (skanującego), zbudowanego z wirujących lub drgających zwierciadeł albo z graniastosłupów skanujących. Częstotliwość skanowania wynosiła zwykle 25 Hz (50 Hz) dla sygnału PAL oraz 30 Hz (60 Hz) dla sygnału NTSC.
Powstające w wyniku skanowania sekwencje sygnałów są przekazywane do detektora, przetwarzającego je na sygnał elektryczny. Sygnał ten jest proporcjonalny do natężenia promieniowania w poszczególnych punktach przetwarzanego obrazu. Po wzmocnieniu jest przekazywany synchronicznie z ruchem skanującym na ekran monitora, gdzie powstaje termowizyjny obraz pola temperaturowego badanego obiektu (termogram). Opisana zasada działania była wykorzystywana od początku powstania kamer termowizyjnych przez około 20 lat. Charakterystyka detektora określała wówczas rodzaj skanera oraz jego rozdzielczość: temperaturową, zdolność określania różnic temperatury pomiędzy dwoma sąsiednimi punktami oraz przestrzenną liczbę punktów w termogramie.
Od lat dziewięćdziesiątych XX wieku są produkowane kamery wyposażone w matryce detektorów typu FPA. W takich kamerach nie ma wirujących elementów mechanicznych. Zastosowanie szybkich matryc umożliwiło budowanie kamer do rejestracji ultraszybkich procesów cieplnych. W związku z tym faktem powstała nowa dziedzina pomiarów termowizyjnych, tzw. ultraszybka termografia (ultrafast thermography). Obecnie na rynku są oferowane systemy termowizyjne, umożliwiające uzyskanie nawet do kilku tysięcy termogramów na sekundę. Kolejnym etapem w budowie współczesnych kamer termowizyjnych było wprowadzenie na rynek w 1997 roku pierwszej kamery z mikrobolometryczną matrycą termicznych detektorów niechłodzonych.
Kilka lat później wprowadzono niechłodzone matryce zbudowane z detektorów piroelektrycznych. Możliwość wyeliminowania konieczności skanowania oraz chłodzenia poprawiła znacznie parametry eksploatacyjne kamer, które ze względu na wyeliminowanie części mechanicznej stały się lekkie i niezawodne. Czas schładzania detektora do temperatury kriogenicznej trwał niekiedy nawet do 10 minut, natomiast czas potrzebny na stabilizację temperatury jego pracy, w kamerach bez chłodziarek, nie przekracza obecnie kilkudziesięciu sekund [1].
Pojawiły się również kamery termowizyjne pracujące w standardach szybkości stosowanych w przekazie telewizyjnym. Tak więc możliwe stało się uzyskanie obrazu w „czasie rzeczywistym”. Powstanie szybkich systemów akwizycji danych i obróbka cyfrowa obrazu spowodowały, że kamera termowizyjna stała się wspaniałym narzędziem w pracy badawczej, ale także w kontroli produkcji. W tym miejscu nie można zapomnieć o nieniszczących metodach badań materiałów, w diagnostyce medycznej oraz w wielu innych dziedzinach.
Zaletą matryc detektorów jest zdecydowana poprawa stosunku sygnału do szumu, gdyż przetwarzanie obrazu następuje równolegle. Nie ma potrzeby stosowania tu tak szybkich układów pomiarowych, jak w przypadku np. pojedynczego detektora promieniowania. Pasmo układu pomiarowego może zostać zdecydowanie zawężone. Także gabaryty i waga kamery gwałtownie maleją, do wartości podobnych do kamer wideo. Stosując matryce półprzewodnikowe, można uzyskać nawet kilkaset obrazów na sekundę. Równocześnie dostępne stały się kamery o rozdzielczości pojedynczych milikelwinów. Oczywiście, komplikuje się układ elektroniczny, ale postępy technologii i miniaturyzacja w tej dziedzinie spowodowały, że użytkownik nie widzi tego problemu [1].
Detektory podczerwieni
Detektor promieniowania podczerwonego (fot. 1.) jest przetwornikiem, który pochłania energię tego promieniowania i zamienia ją na sygnał w postaci napięcia lub natężenia prądu elektrycznego. Detektory podczerwieni można grupować według różnych kryteriów. Z punktu widzenia zjawisk stanowiących podstawę działania detektory dzielą się na termiczne i fotonowe.
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 możliwie najlepiej izolowany od otoczenia. Poważnym ograniczeniem osiągnięcia tego stanu jest wymiana ciepła pomiędzy elementem aktywnym detektora a otoczeniem na drodze promieniowania. Właściwością zależną od temperatury może być przykładowo oporność elektryczna materiału detektora. Detektory, w których zastosowano 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 ośrodku o nieznanej temperaturze, to jej wartość, możemy wyznaczyć mierząc siłę elektromotoryczną, oraz 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 [4].
Kolejną grupę detektorów termicznych stanowią czujniki oparte na zjawisku piroelektrycznym. Może ono zachodzić w ferroelektrykach i polega na powstawaniu ładunku elektrycznego na zaciskach detektora podczas jego ogrzewania lub studzenia. Ładunek indukuje się w wyniku zmiany polaryzacji ferroelektryka. Wartość zmiany polaryzacji zależy od szybkości zmiany temperatury. Niestety w miarę upływu czasu ładunek na okładkach ferroelektryka maleje. Detektory piroelektryczne można stosować w pomiarach termowizyjnych, uziemiając moc padającego na nie promieniowania za pomocą modulatora.
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 najczęściej w przedziale od 10–3 do 10–1 s [4].
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.
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. Jednak mniejsza przerwa sprzyja większej liczbie nośników ładunku generowanych termicznie, co podnosi poziom szumu, a więc pogarsza detekcyjność przetwornika. Dlatego detektory fotonowe wymagają chłodzenia. 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 [4].
Absorpcja fotonu powoduje przesunięcie elektronu z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa, powodując spadek oporności detektora i w konsekwencji zmianę natężenia prądu elektrycznego w jego obwodzie. Detektory fotoprzewodzące nazywane są bolometrami, ponieważ, podobnie jak w niektórych detektorach termicznych, wielkością zależną od temperatury jest oporność elektryczna aktywnego elementu detektora. W detektorach fotowoltaicznych wygenerowane, w wyniku absorpcji fotonu, nośniki ładunku zwiększają różnicę potencjałów na złączu p-n, tworząc na wyjściu detektora, sygnał napięciowy. Najważniejszymi materiałami do konstrukcji fotonowych detektorów podczerwieni są: antymonek indu – InSb, o zakresie widmowym od około 2 do 5,5 mm oraz telurek kadmowo-rtęciowy – HgCdTe o zakresie do 20 mm.
Do oddzielnej grupy detektorów fotonowych zaliczają się tzw. detektory na studniach kwantowych, QWIP (od ang. Quantum Well Infrared Photodetector), czyli detektory wykonane z półprzewodników zawierających studnie kwantowe. Studnia kwantowa jest to cienka warstwa materiału, wewnątrz której energia potencjalna nośników ładunku jest niższa niż poza warstwą. Ruch elektronów w kierunku prostopadłym do warstwy jest więc skwantowany. Zaawansowana technologia domieszkowania półprzewodników umożliwia uzyskiwanie studni kwantowych zawierających tylko dwa poziomy energetyczne: poziom podstawowy i poziom przewodnictwa. Absorpcja fotonu sprawia, że elektron z poziomu podstawowego przeskakuje na poziom przewodnictwa, by następnie, w wyniku przyłożonego zewnętrznego napięcia, wygenerować sygnał w postaci zmiany natężenia prądu w obwodzie detektora.
Ponadto, różnicę energii między poziomem podstawowym i poziomem przewodnictwa można dopasować do konkretnej energii fotonu. Wytwarzając strukturę szeregu studni kwantowych o odpowiednich różnicach pomiędzy wspomnianymi poziomami energetycznymi mamy możliwość skonstruowania detektorów podczerwieni, czułych w stosunkowo szerokim paśmie długości fali od 3 do 25 mm. W praktyce pasmo to pokrywa nie jeden, ale kilka detektorów QWIP. Są to obecnie najczulsze detektory o temperaturowej zdolności rozdzielczej wynoszącej (20–40) mK, które znalazły stosowane w badaniach naukowych. W nowoczesnych kamerach termograficznych znalazły zastosowanie chłodziarki termoelektryczne zamiast dotychczas stosowanego ciekłego azotu. Dzięki czemu użytkownik może nie zdawać sobie sprawy z problemu chłodzenia [4].
Bierna termografia podczerwieni
Wykrycie nadmiernie nagrzanych obszarów w urządzeniach rozdzielni energii elektrycznej może wskazywać na nieprawidłowy montaż elementów lub ich uszkodzenie (fot. 2). Trzeba jednak zdawać sobie sprawę z tego, że na podstawie obrazu termicznego badanego fragmentu rozdzielni łatwo jest wyciągnąć także błędne wnioski, jeśli nie zostanie uwzględniony fakt, iż moc emitowanego promieniowania przez daną powierzchnię zależy nie tylko od temperatury, ale także od innych składników emisyjności [3].
Niekiedy pojawiają się trudności w przyporządkowaniu gorących punktów, widocznych na obrazie termicznym, odpowiednim punktom badanej powierzchni. W takich wypadkach zaleca się jednoczesne rejestrowanie obrazów termicznych i obrazu badanego obiektu w widzialnym zakresie promieniowania. Ich porównanie redukuje możliwość błędnej lokalizacji źródeł ciepła.
W niektórych systemach termograficznych elementem wyposażenia jest także wbudowany aparat fotograficzny, sprzężony z kamerą podczerwieni. Błędy przy lokalizacji nadmiernie nagrzanych obszarów można także łatwo popełnić, jeśli obrazy termiczne badanego obiektu zostały zarejestrowane przy silnym wietrze lub podczas deszczu. Wiatr, poprzez zwiększenie konwekcji, a deszcz – w wyniku przewodnictwa cieplnego zwiększa bowiem intensywność procesu chłodzenia oraz powoduje rozproszenie promieniowania.
Po wykryciu i lokalizacji gorących obszarów w badanym elemencie rozdzielni powstaje problem oceny, czy ów element może bezpiecznie pracować nadal, czy też wymaga wymiany lub naprawy. Taka ocena jest dokonywana na podstawie określonych norm, jeśli one istnieją, lub osoba odpowiedzialna za kontrolę podejmuje decyzję biorąc pod uwagę rozwój zjawisk fizycznych, wywołanych podwyższoną temperaturą w porównaniu z temperaturą podobnego elementu, uznanego za wzorcowy, podłączonego do obwodu w taki sam sposób. Zwykle przyjmuje się, że jeśli podwyższenie temperatury przekracza 20°C, to badanym fragmentem rozdzielni należy się zająć bezzwłocznie [3].
Praktyka wykazuje jednak, że pomiary powinno się wykonać nawet wtedy, gdy obciążenie jest niskie. Niewykrycie wad nie zmieni wiedzy o instalacji, natomiast ich wykrycie dowodzić będzie rangi zagrożenia – fotografia 3.
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 [2, 3].
Wpływ czynników związanych między innymi ze środowiskiem, uwarunkowaniami technicznymi, konstrukcją badanego obiektu oraz zastosowaną aparaturą powoduje, że prawidłowa identyfikacja wad zależy od doświadczenia osób wykonujących pomiary. Muszą one uwzględnić omówione czynniki, zarówno związane z wiedzą o badanym elemencie, o warunkach i metodzie pomiaru, jak i wziąć pod uwagę specyfikę zastosowanej kamery.
Termografia jest metodą porównawczą, dlatego dla właściwej oceny wady i jej lokalizacji niezbędne jest uwzględnienie również wpływu elementów sąsiednich, geometrii obiektu, symetrii budowy itp.
W torach prądowych trójfazowych przyjmuje się, że obciążenie prądowe we wszystkich fazach tego samego toru jest takie samo. Wówczas obrazy cieplne elementów porównuje się z tymi samymi elementami w innych fazach. Pozwala to na uproszczenie metodyki badań i ułatwienie procesu interpretacji. Niestety dokonując badań, można stwierdzić znaczną niesymetrię obciążenia instalacji, co należy uwzględnić przy analizie obrazów termowizyjnych.
Podsumowanie
Oprogramowanie wewnętrzne umożliwiające nakładanie obrazu termicznego na obraz widzialny nie jest już rzadkością. Zapewnia to lepszą identyfikowalność miejsc o podwyższonej temperaturze. Inną interesującą funkcją jest możliwość rysowania szkiców na ekranie dotykowym kamery i nagrywanie komentarzy głosowych, co ułatwia późniejszą analizę otrzymanych termogramów. Obszar zastosowań kamer termowizyjnych nieustannie się rozszerza i dawno już wykroczył poza zakres związany bezpośrednio z diagnostyką urządzeń elektroenergetycznych, zyskując uznanie również w medycynie i audycie energetycznym izolacji budynków, a także elektronice, kontroli jakości, czy w ratownictwie.
Literatura
- A. Klewski, J. Sanecki, P. Sacha, Nowe rozwiązania techniki termalnej zastosowane do diagnostyki urządzeń, Zeszyty Naukowe nr 1 (73) Akademii Morskiej w Szczecinie, EXPLO-SHIP 2004.
- Pomiary termowizyjne w praktyce, pod red. H. Madury, Agenda Wydawnicza PAK-u, Warszawa 2004.
- W. Oliferuk, Termografia podczerwieni i zastosowanie jej do kontroli pracy urządzeń elektrycznych, „elektro.info” 11/2011.
- K. Kuczyński Zastosowanie termowizji w badaniach urządzeń elektroenergetycznych, „elektro.info” 11/2008.
- B. Więcek, G. De Mey, Termowizja w podczerwieni: podstawy i zastosowania, Wydawnictwo PAK, Warszawa 2011.
