Elektryka w podczerwieni

Środa, 20 Kwiecień 2011

To może zacznijmy zatem od początku, czyli od historii termowizji, nazywanej także termografią. Mówi się, że jej geneza sięga początku XIX w. Wiąże się ona z badaniami nad rozpraszaniem światła za pomocą pryzmatu. Angielski astronom William Herschel, prowadzący badania, zaobserwował interesujące zjawisko podczas rzutowania na kartkę papieru barwnej wiązki światła słonecznego, które rozszczepione jest przez pryzmat. Powierzchnia kartki ulega bardziej intensywnemu ogrzaniu po stronie czerwonej barwy, a także poza nią. Autor eksperymentu doszedł do wniosku, że zbiorniczki termometrów, umieszczone na powierzchni papieru, są w stanie rejestrować różne wartości temperatury w strefie poszczególnych barw oraz poza nimi. Tak właśnie odkryto zjawisko promieniowania cieplnego w zakresie podczerwieni. W połowie XX w. zaczęto stosować zjawisko promieniowania podczerwonego, najpierw w wojsku, a potem w użytku cywilnym.
Można zatem powiedzieć, że termowizja stanowi proces obrazowania w paśmie średniej podczerwieni, w efekcie czego możliwe jest rejestrowanie promieniowania cieplnego, emitowanego przez ciało fizyczne w zakresie temperatur spotykanych w warunkach codziennych bez dodatkowego oświetlenia. Termowizja stanowi więc rodzaj aparatu fotograficznego, który pracuje w podczerwieni. Każde ciało, które osiąga temperaturę wyższą od temperatury zera bezwzględnego, emituje fale nazywane promieniowaniem podczerwonym lub cieplnym. Intensywność promieniowania jest wprost proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury badanego obiektu. Stąd też dokonując pomiaru promieniowania cieplnego określonego obiektu, mierzymy jego temperaturę. Przyjmuje się jednak, że model ten nie jest idealny a badane obiekty odbiegają od niego. Kluczowe miejsce zajmuje zatem uwzględniany w pomiarach współczynnik emisyjności, dobierany dla konkretnego materiału. Stanowi on miarę danego ciała do emisji promieniowania cieplnego. W efekcie badania termowizyjnego powstaje termogram, który stanowi przedstawienie promieniowania z jednoczesnym uwzględnieniem rozkładu temperatur badanej powierzchni.

Fot. 1. Termogramy

Termowizja w elektroenergetyce

Fot. 2. Kamera Flir i60. Urządzenie cechuje się niewielką masą i rozdzielczością 180 x180 pikseli. Przewidziano także wbudowany aparat cyfrowy. W urządzeniu uwzględniono funkcję Obraz w Obrazie (PiP), łączącą obraz widzialny z termowizyjnym dla profesjonalnych analiz. Wskaźnik laserowy z markerem na termowizyjnym obrazie wyświetlanym na ekranie LCD sprawia, że inspekcje elektryczne i mechaniczne są bardziej wydajne.

Fot. 3. Kamera Flir T365. Możliwe jest nagrywanie notatek głosowych – do poszczególnych zdjęć z możliwością wprowadzania ich do raportu. Opcjonalnie dostępne obiektywy 6º, 15º, 45º, 90º, 2x i 4x, łatwe w montażu do korpusu kamery, dzięki czemu zyskuje się dużą różnorodność zastosowań urządzenia. Standardowa karta pamięci SD umożliwia zapis ponad 1000 zdjęć pomiarowych w formacie JPEG.

Fot. 4. Kamera termowizyjna Testo 882 o ergonomicznym kształcie pistoletu, z rozdzielczością 320 × 240 pikseli. W urządzeniu przewidziano standardowy obiektyw 32°. Możliwe jest wyświetlanie wilgotności powierzchni. Jakość obrazu NETD < 60 mK.

Co dokładnie można diagnozować za pomocą kamery termowizyjnej? Na termogramie poszczególnym barwom, przyporządkowana jest temperatura odpowiadająca skali. W praktyce w kolorach jasnych, oznacza się powierzchnie o wyższej temperaturze, zaś barwami ciemniejszymi przedstawia się niższe temperatury. Obróbka danych odbywa się przy użyciu specjalistycznego oprogramowania komputerowego. W zależności od temperatury badanego obiektu, podejmowane się późniejsze działania. W ramach nich rozróżnia się tzw. zalecenia miękkie oraz zalecenia ostre. Zalecenia miękkie występują w przypadku, gdy przyrost temperatury badanego obiektu wynosi:
- ponad 50K - konieczna jest natychmiastowe podjęcie działań,
- 30K do 50K - niezbędna jest naprawa tak szybko jak to tylko możliwe,
- 10K do 29K - należy podjąć działania w pierwszym możliwym terminie,
- mniej niż 10K - należy monitorować obiekt.

Zwróćmy uwagę, że zalecenia miękkie determinowane są przez wiele czynników. Przede wszystkim chodzi o możliwość wystąpienia większych obciążeń prądowych oraz skutków ewentualnej awarii. W badaniach termowizyjnych często uwzględnia się nadwyżkę temperatury, która określana jest jako różnica pomiędzy temperaturą wadliwego obiektu a temperaturą takich samych elementów, które pracują w dwóch pozostałych fazach. Badania powinny być przeprowadzone przy pełnym obciążeniu prądowym. Zalecenia ostre występują wtedy, gdy przyrost temperatury badanego obiektu wynosi:
- ponad 30K - należy podjąć działania natychmiastowo,
- do 30K - należy podjąć działania jak najszybciej,
- do 5K - należy monitorować obiekt.

Kamery termowizyjne są dobrym narzędziem przy diagnostyce rozdzielni elektrycznych. W tym obszarze spektrum zastosowań kamer jest bardzo szerokie. Obejmuje ono bowiem szyny zbiorcze, odłączniki a także wyłączniki mocy oraz przekładniki i transformatory. Podczas pomiarów, w pierwszej kolejności, przeprowadzane jest badanie mające charakter bardziej ogólny, po którym odbywa się szczegółowa analiza. Na termografie zostają zaznaczone miejsca o podwyższonej temperaturze, na co składa się wiele przyczyn. Mogą to być chociażby niewłaściwie obrobione końcówki przewodów czy też wadliwe podłączenia do zacisków. Za pomocą termowizji sprawdzić możemy również transformatory. Kontrolowana jest wtedy zewnętrzna powierzchnia kadzi z olejem a także osprzęt, izolatory przepustowe oraz elementy przyłączeniowe. Jedną z kluczowych kwestii stanowi kontrola termowizyjna pokrywy transformatora. Termowizja bardzo dobrze sprawdza się przy wykrywaniu asymetrii zasilania lub przeciążeń w instalacjach. Termogramy są niezastąpione przy diagnozowaniu silników elektrycznych. Kamer termowizyjnych użyć możemy do sprawdzania poprawności działania złącz elektrycznych, które nie powinny wykazywać podwyższonej temperatury, względem łączonych elementów. Pamiętać jednak należy, że w czasie długiej eksploatacji instalacji z prądem o dużym natężeniu, zmęczeniem materiału czy też korozją styków, ulega pogorszeniu stan złączy. Stąd też pole do popisu dla termowizji, dzięki której można stwierdzić wzrost temperatury złącza prądowego w stosunku do innych podzespołów pracujących w sieci.

Gdzie jeszcze termowizja

Na chwilę obecną kamera termowizyjna jest nieocenionym narzędziem diagnostyki zarówno w przemyśle jak i w budownictwie. Przyrządy tego typu stwarzają możliwość uzyskania rozkładu temperatury w budynku. Tym sposobem zyskuje się ocenę konstrukcji obiektu pod kątem straty energii w instalacjach zarówno klimatyzacyjnych jak i grzewczych. Kamery termowizyjne są nieodzownym narzędziem przy badaniu szczelności pokryć dachowych czy też podczas lokalizowania mostków termicznych.
Pamiętajmy, że kamery termowizyjne znajdują również zastosowanie przy diagnostyce układów ogrzewania, wentylacji a także klimatyzacji. W szczególności chodzi o instalacje ogrzewania podłogowego oraz zespoły grzewcze, systemy uzdatniania wody i instalacje chłodnicze. Termografię można także zastosować przy zewnętrznych układach dystrybucji energii elektrycznej takich jak transformatory, izolatory przepustowe, linie przesyłowe, przewody itp.
Kamer termowizyjnych użyć można w procesie związanym z serwisowym pomp. Termowizja dobrze sprawdza się także w mechanice. Dzięki niej kontroluje się bowiem pracę łożysk, sprężarek, parowników, złącz, skrzyń przekładniowych czy też pasów i rolek.

Fot. 5. Kamera termowizyjna Fluke podczas diagnostyki elektroenergetycznych linii przesyłowych. Przetwarzanie obrazu zapewnia przetwornik o rozdzielczości 320 x 240. Czułość termiczna (NETD) umożliwia identyfi kację nawet najmniejszych różnic temperatur, które mogą wskazywać na problemy. Obrazy w podczerwieni i w paśmie światła widzialnego są nakładane automatycznie.

Fot. 7 Kamera termowizyjna Testo 876. Urządzenie wyróżnia się dużym, obrotowym wyświetlaczem. Pozwala to użytkownikowi na podgląd obrazu termografi cznego na wyświetlaczu, niezależnie od pozycji urządzenia, umożliwiając pomiar w każdym trudno dostępnym miejscu (np. za narożnikami).

Co w kamerze piszczy

W niektórych modelach przewidziano duży obrotowy wyświetlacz, dzięki któremu zdecydowanie zwiększają się możliwości w zakresie operowania kamerą. Przede wszystkim chodzi o wykonywanie pomiarów w trudno dostępnych miejscach. Zwróćmy również uwagę na ergonomiczny kształt. W szczególności chodzi o kamery, których obudowy kształtem przypominają pistolety. Za przetwarzanie obrazu odpowiedzialne są przetworniki, zapewniające zarówno ostre jak i precyzyjne zdjęcia. W niektórych modelach uwzględnia się bardzo wysoką czułość termiczną, umożliwiającą identyfikowanie nawet najmniejszych różnic temperatur.
Wydawać by się mogło, że pomimo wielu zaawansowanych funkcji, kamery termowizyjne są skomplikowane w obsłudze. Nie do końca tak jest. W większości modeli menu jest intuicyjne a system obsługi bazuje na trzech przyciskach, przystosowanych do obsługi kciukiem.
Z pewnością przydatne rozwiązanie stanowi również funkcja dyktafonu. Stąd też jest możliwe nagrywanie komentarzy głosowych, przypisanych do konkretnego obrazu. Regulować można ostrość, emisyjność, kompensację odbitej temperatury tła oraz korekcję transmisji. Specjalnie zaprojektowany pasek na nadgarstek, pozwala na dostosowanie do obsługi przez osoby zarówno prawo- jak i leworęczne. Zwróćmy również uwagę na wytrzymałość obudowy. Podaje się bowiem, że niektóre modele są w stanie wytrzymać upadek z wysokości 2 metrów.
Do interesujących rozwiązań, które spotkać możemy w kamerach termowizyjnych, zaliczyć należy nakładanie obrazu wykonanego w podczerwieni do widoku w paśmie światła widzialnego. Na uwagę zasługuje również szybka identyfikacja wybranych punktów, przy użyciu różnych trybów podglądu, dobieranych w zależności od konkretnej sytuacji. Tradycyjny, pełnoekranowy obraz można obejrzeć w podczerwieni, dzięki czemu dostrzegane są wszystkie szczegóły. Istnieje możliwość wykonywania tradycyjnych zdjęć cyfrowych.
Przydatne rozwiązanie stanowi okienko obrazu, który zarejestrowany jest w podczerwieni, otoczonego ramką obrazu zarejestrowanego w paśmie światła widzialnego. Jak zalety takiego rozwiązania należy wymienić łatwe identyfikowanie badanych miejsc przy jednoczesnym zachowaniu otaczającej ramki, będącej punktem odniesienia. Kamera jest w stanie wyświetlać wyłącznie temperatury wyższe, niższe lub te, które mieszczą się w zakresie się pomiędzy wartościami zdefiniowanymi przez użytkownika. Pozostała część obrazu widziana jest jako obraz wykonany w paśmie światła widzialnego.

Fot. 6. Kamera Fluke podczas diagnostyki transformatorów. W urządzeniu przewidziano zoptymalizowaną konstrukcję do pracy w trudnych warunkach w terenie. Kamera zaprojektowana i przetestowana tak, aby mogła wytrzymywać upadek z wysokości 2 metrów. Odporna na kurz i wodę: stopień ochrony IP 54.

No to wybieramy

Dobierając kamerę termowizyjną zwróćmy uwagę na dołączone do niej oprogramowanie. To właśnie dzięki niemu możliwe jest tworzenie raportów, zapisywanie oraz przechowywanie obrazów w podczerwieni. Z pewnością przydatne okażą się funkcje pozwalające na zarządzanie obrazami poprzez ich przeglądanie, analizowanie a także prezentowanie i udostępnianie.
Bardziej zaawansowane programy stanowią profesjonalne narzędzia to tworzenia raportów. Funkcjonalność aplikacji komputerowych pozwala na przetwarzanie obrazu, automatyczne generowanie dokumentów oraz na obliczanie oczekiwanych parametrów termicznych (wyznaczanie trendów).
Dobra kamera termowizyjna powinna zapewnić precyzyjne a zarazem powtarzalne odczyty. Stąd też istotną rolę odgrywa sprawdzenie błędu pomiarowego. Zwróćmy uwagę na dobrą rozdzielczość pomiarową i jakość obrazu. Pamiętajmy, aby w kamerze był wymienialny akumulator. Warto zastanowić się nad ładowarką, która może być używana w samochodzie.
Wybierając kamerę termowizyjną zadbajmy o to, aby zapisywała ona obrazy w standardowym formacie JPEG. Nie bez znaczenia pozostają również wymiary urządzenia a przede wszystkim jego masa i ergonomia. Istotną rolę odgrywają klawisze. Wiele modeli obsługuje się za pomocą 3 lub 4 przycisków lub ekranu dotykowego.
Z pewnością ważną cechą jest możliwość modernizowania kamery. W szczególności chodzi o rozbudowanie oprogramowania, które pozwala na zwiększenie rozdzielczości czy też na rozszerzenie funkcjonalności. Oprogramowanie, które odpowiedzialne jest za tworzenie raportów, również powinno cechować się możliwością pobrania aktualizacji. Zwróćmy uwagę, aby w naszej kamerze, uwzględniony był szeroki zakres temperatur. Komfort użytkowania poprawi również wbudowany wskaźnik laserowy. Kluczowe jest wsparcie techniczne producenta oraz możliwość uczestnictwa w specjalistycznym szkoleniu, na którym poznawana jest funkcjonalność kamer termowizyjnych.

Damian Żabicki