Zastosowanie kamer termowizyjnych do oceny wykonania instalacji elektrycznej

The using of infrared cameras to evaluate the quality of the electrical installation
Widok wyłączników nadmiarowoprądowych w podczerwieni
Widok wyłączników nadmiarowoprądowych w podczerwieni
Fot. K. Kuczyński, G. Dymny

Przez ostatnie stulecie zbudowano wiele urządzeń pomiarowych w zakresie podczerwieni, ale największe możliwości i popularność zyskały rozwiązania w połączeniu z technikami dwuwymiarowego obrazowania. Pozwalają one poznawać świat „widziany” w tym zakresie spektralnym własnymi oczami.

W artykule:

• Przetworniki pomiarowe
• Układ optyczny
• Warunki pomiarów i oprogramowanie
• Pomiary wewnątrz budynków

Prawie do końca XX wieku wszystkie produkowane kamery termowizyjne wyposażone były w detektory wymagające chłodzenia. Pojawienie się kamery z mikrobolometrycznym detektorem niechłodzonym zmieniło tę sytuację. Detektor dokonuje konwersji energii promieniowania podczerwonego na sygnał elektryczny, który może być zmierzony, a jego wielkość przeliczona na odpowiadającą jemu temperaturę ciała czarnego.

Czytaj też: Jak zwiększyć niezawodność instalacji elektrycznej? >>

Po uwzględnieniu właściwości badanego obiektu oraz parametrów otoczenia otrzymamy rzeczywistą temperaturę tego obiektu. Najczęściej obecnie spotykanym detektorem jest detektor bolometryczny, który pod wpływem mierzonego promieniowania zmienia swoją rezystancję. Posiada dobre własności pomiarowe i brak wymogu schładzania do niskiej temperatury w czasie pracy. Ma on jednak nieco niższą czułość w porównaniu z detektorami fotonowymi [1, 2].

Przetworniki pomiarowe

Można powiedzieć, że praktycznie każde ciało jest źródłem promieniowania cieplnego. Widmo tego promieniowania jest widmem ciągłym od fal rentgenowskich aż po mikrofale. W tym zakresie znajduje się również pasmo podczerwieni (obejmujące w swym zakresie fale λ o długościach od 780 nanometrów do 1 milimetra). Warto przy tym zauważyć, że ciała o temperaturze pokojowej emitują najwięcej promieniowania o długości fali rzędu 10 μm. Oczywiście rzeczywiste obiekty nie tylko emitują to promieniowanie, ale również je częściowo pochłaniają, przepuszczają oraz odbijają [1]. Do celów pomiarowych wykorzystuje się pewną część pasma w zakresie od 2 do 14 μm z wyłączeniem przedziału 5,6 – 7,5 μm. Spowodowane jest to silnymi własnościami tłumiącymi atmosfery, a głównie obecnością dwutlenku węgla i pary wodnej. Najczęściej stosowane są dwa zakresy spektralne: 2 – 5 μm oraz 7,5 – 14 μm. Produkowane obecnie kamery termowizyjne z detektorami niechłodzonymi pracują zwykle w zakresie 7,5 – 14 μm [1].

Emitowany strumień promieniowania cieplnego jest zazwyczaj różny dla różnych obiektów i zależny od ich własności fizykochemicznych. I 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, zanieczyszczeniach) i wielu innych czynników, a także od kierunku obserwacji. Można stąd wyciągnąć wniosek, że dla pomiaru technikami wykorzystującymi moc promieniowania emitowanymi przez obiekt niepewność określenia emisyjności decyduje o niepewności całego pomiaru.

Czułość kamery termowizyjnej określa, jakie najmniejsze zmiany temperatur jest w stanie wykryć przetwornik kamery. Czułość przetwornika ma istotne znaczenie przy wykrywaniu niewielkich różnic temperatury. Detektory bolometryczne stosuje się w konstrukcji kamer działających w zakresie 7,5 – 14 μm. Wymiar pojedynczych pikseli w matrycy detektorów wynosi zazwyczaj ok. 17 μm [1].

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, wspomagane specjalnie dostosowanym do potrzeb oprogramowaniem. Warunki pomiarowe niekiedy uniemożliwiają obserwację obiektu z dogodnej odległości i pod dogodnym kątem. W badaniach urządzeń elektroenergetycznych i energetycznych spotykane są zarówno obiekty duże, takie jak kotły, elektrofiltry, kominy, transformatory, jak i obiekty małe, np. nóż odłącznika, przepust izolatora ściennego. Najlepiej, gdy kamera zapewnia odpowiednią rozdzielczość rejestrowanych obrazów, przy jednoczesnym dużym polu widzenia. Większość obecnie stosowanych kamer to kamery wyposażone w matryce detektorów o liczbie pikseli: 60×60, 80×80, 120×120, 160×120, 240×180, 320×240, 640×480, 640×512 lub 1280×1024.

Układ optyczny

Oprócz matrycy detektorów do odwzorowania promieniowa podczerwonego potrzebny jest jeszcze odpowiedni układ odwzorowujący. Konstrukcyjnie obiektywy dla kamer termowizyjnych różnią się od tych dla zakresu widzialnego przede wszystkim rodzajem materiału, z jakiego wykonane są elementy optyczne (np. krzem lub german). Materiały te są transmisyjne w zakresie podczerwieni. Podobnie jak dla zakresu widzialnego dla jeszcze lepszej transmisji promieniowania podczerwonego oraz tłumienia zbędnych zakresów promieniowania elementy optyczne obiektywu pokrywa się dodatkowymi warstwami optycznym. 

W obiektywach stosowanych w kamerach termowizyjnych wartość ogniskowej jest stała. Stąd też w wielu kamerach możliwa jest wymiana standardowego obiektywu na teleobiektyw (obiektyw o małym kącie widzenia) lub obiektyw szerokokątny. Powinno dążyć się do tego, aby analizowany obiekt maksymalnie wypełnił pole widzenia. Również dlatego jest to tak ważne, że przecież nie zawsze metodą osiągnięcia takiego efektu jest dobór odległości, z jakiej prowadzimy obserwacje. Są sytuacje, w których nie możemy odsunąć się odpowiednio daleko od badanego obiektu, czy wprost przeciwnie – podejść odpowiednio blisko w przypadku elementów sieci i instalacji znajdujących się pod napięciem [1].

Do szczególnie istotnych parametrów obiektywu należy zaliczyć: pole widzenia (FOV – Field Of View), odległość ogniskową oraz rozdzielczość geometryczną (IFOV – Instantaneous Field Of View). Pole widzenia obiektywu należy rozumieć, jako ostrosłup, którego wierzchołek znajduje się w ogniskowej. FOV to kąt pomiędzy przeciwnymi ścianami tego ostrosłupa. Z uwagi na proporcje wymiarów matrycy detektorów zazwyczaj pole widzenia w kierunku pionowym (VFOV) jest inne niż pole widzenia w kierunku poziomym (HFOV). Ogniskowa to odległość pomiędzy matrycą a dobrze odwzorowaną płaszczyzną obrazu. Im dłuższa jest ogniskowa, tym większe jest powiększenie, a im krótsza – tym większe jest pole widzenia.

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!

[termowizja, kamery termowizyjne, instalacje elektryczne, przetworniki pomiarowe, sygnał elektryczny, promieniowanie cieplne, obraz termiczny,]

Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 5/2019

Komentarze

(0)
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl