Villanyszerelők lapja 2008.6. Villamos berendezések termográfiai vizsgálata II.

Eric Rahne, okl. villamosmérnök, 3-as szintű akkreditált termográfiai szakértő (PIM Kft.)

Az infravörös sugárzás érzékelés alapján csak az emissziós tényező, a reflektált hősugárzás (környezeti hőmérséklet) és (hősugárzás szempontjából átlátszó testek esetén) a háttér hőmérsékletének pontos ismerete mellett számítható ki (a termográfiai alapegyenlet alapján) a tárgy(felület) hőmérséklete. Minél alacsonyabb a tárgy emissziós tényezője (a sugárzás-kibocsájtási képessége), annál többet kell korrigálni, tehát annál pontosabban kell minden paramétert megadni. Az említett összefüggésből következik, hogy egyes esetekben semmiképp nem mérhető a tárgy hőmérséklete:

• tükröződő felületek esetén - pl. polírozott felületek, oxidáció-mentes fémfelületek
• infrasugárzás szempontjából szinte tökéleteseten átlátszó anyagok esetén -például egyes kristályos anyagok, különböző gázok

Magyarázatként elmondjuk, hogy mindkét esetben az emissziós érték közel „0”, tehát a test hőmérsékletével összefüggő és érzékelése alapján hőmérséklet-számításra felhasználható sugárzás szinte nincs. A gyakorlatban ez a tény igen nagy jelentőséggel bír: ugyanis tudomásul kell vennünk, hogy például új - szépen polírozott - alumíniumból vagy rozsdamentes acélból készített burkolattal rendelkező hőszigetelések termográfiai eszközökkel nem ellenőrizhetők. Teljesen mindegy, hogy milyen hőmérsékletű (akár tűzforróságú) a mért felület, mindig csak a rajta reflektált környezeti tárgyak hőmérsékletét fogjuk látni („mérni”). Hasonló ténnyel állunk szemben amikor vadonatúj elektromos szerelvényeket, kapcsolószekrényeket kellene bevizsgálnunk: maga a fémes (polírozott) sínek, kötések, csatlakozások hőmérséklete nem határozható meg érintésmentesen. (Oxidált vagy festett /szigetelővel bevont/ felületek azonban mérhetők - ilyenkor ugyanis nemfémes, matt jellegük miatt magas emissziós tényezőjük van.)

új -polírozott felületű - rézsín - a rézsín alja melegebbnek tűnik a többi részénél, holott a réz jó hővezető képessége miatt biztos nincsenek eltérések - a látható hőhatás a rézsín alatt elhelyezkedő meleg berendezések tükröződéséből adódik Ha egy hőképen sokféle anyagfelület található, akkor a pontos hőmérséklet-számításhoz szükségessé válhat a pixelenkénti emissziós tényező korrekciója. Erre klasszikus példaként az elektronikai kapcsolások hőterhelésének felmérése említendő: vannak nemfémes felületek (kerámia, műanyag, lakk) és fémes (réz, ón, nikkel és arany) felületek is. Megoldásként felmelegítik egyenletesen a bevizsgálandó NYÁK-ot egy a környezettől elegendően eltérő hőmérsékletre (pl. 50°C-ra 20°C-os környezetben) és az érzékelhető hősugárzás-intenzitást pixelenkénti emissziós tényezőként tárolják el. Az ezután üzembe helyezett kapcsolásról készült hőkép számítását pedig a korábban rögzített emissziós tényező pixelmátrix alkalmazásával végzi el a szoftver, aminek eredményeképpen minden egyes pixelre kiszámított hőmérsékletadat az eltérő emissziós tényezők ellenére mégis pontosan meghatározásra kerül. Példa az eltérő emissziós tényezők képpontonkénti korrekciójára

-a valóságban forró áramkör-lábak hidegnek tűnnek -a téves adatok oka az eltérő emissziós értékek

- látszólag eltérő hőmérsékletek vannak - az eltérések oka az eltérő emissziós értékek

- pixelenkénti korrekció a baloldali ábra alapján - a forró áramkörlábak így a hőképen is forrók

- az egyenletes hőmérsékletből számított eps - pixelenként történt az emisszió meghatározása

Gyakorlati mérési tanácsok

Ez a fejezet részletesen foglalkozik azzal, hogy termográfiai módszerekkel villamos berendezésekkel kapcsolatosan milyen méréseket (milyen eredménnyel) lehetséges kivitelezni és mire kell odafigyelni a mérési hibák kiküszöbölése érdekében. Villamos berendezésekkel kapcsolatos termográfiai mérések A villamos berendezések termográfiai állapotfelmérése azon alapszik, hogy az alulméretezett vagy sérült vezetékek, a rossz kötések (a megnövekedett átmeneti ellenállásuk miatt), valamint a legtöbb esetben az elektromos szempontból meghibásodott készülékek a szokásosnál (megengedettnél) magasabb hőfokra melegszenek fel. Eközben a termográfiának az a legnagyobb előnye, hogy a mérések biztonságos távolságból – akár több kV-on üzemelő berendezésekről is – elvégezhetők anélkül, hogy ez a vizsgált eszköz üzemeltetését befolyásolná. Szokásos alkalmazási területek

•   Villamos berendezések állapotfelmérése az energiaiparban: generátorok, transzformátorok, szigetelők, kapcsolók, levezetők, kábelek, kötések, elosztók stb. (magas-, közép- és kisfeszültségű hálózatokban egyaránt).
• Villamos berendezések ellenőrzése a termelési üzemekben: betáp transzformátorok, fő- és alelosztók, kapcsolószekrények, egyéni bekötések stb.
• Villamos gépek, berendezések az iparban: villanymotorok, fázisjavítók, frekvenciaváltók stb.

Termográfiai úton megtalálható villamos hibák

• alulméretezett (túlterhelt) kábelek, kapcsolószerelvények, kötések, transzformátorok,
• hibás (meglazult, korrodált) érintkezések bármilyen villamos berendezésen vagy eszközön,
• sérült kábelfejek, gyűrűk, túlfeszültség-levezetők,
• gyenge érintkezés a biztosítók rugóskapcsain, késes megszakítókon, áramvezető betoldásoknál, kábelkötéseken, motorindítókon,
• sérült árammegszakítók és kapcsoló szerelvények,
• fázis kiegyenlítetlenségek a háromfázisú betáplálásokon,
• túlterhelés vagy felharmonikusok miatti túlmelegedés,
• túlmelegedett (sérült vagy rossz beállítású) motor és generátor kefeszerelvények,
• eltömődött transzformátor és generátor hűtőrendszerek,
• hibás alkatrészek, mint például a kondenzátorok és teljesítményfélvezetők

Fontos tanácsok

•   Nagyfeszültségű berendezések esetén a biztonsági távolság feltétlenül betartandó – életveszély!
• Kültéri mérések (pl. transzformátorok és távvezetékek) a hőreflexiók és a zavaró háttérsugárzás kiküszöbölése érdekében kora hajnalban vagy késő este (napsütés nélküli napszakban) végezhetők.
• Főleg új berendezések esetén (mivel a tükörfényes, illetve szépen megmunkált fémes felületek nagyon kis emissziós tényezővel rendelkeznek) hőreflexió lép(het) föl. Ilyen jellegű mérési hibák kiküszöbölése érdekében többféle mérési pozícióból is ajánlatos elvégezni a méréseket.
• Amennyiben a tükröződések miatt lehetetlen kiértékelhető méréseket végezni, a mérendő felületek mattítása (matt festékkel) vagy ismert emissziós tulajdonsággal rendelkező anyag (például vékony szigetelőszalag) felragasztása segíthet. Természetesen mindez csak feszültségmentes állapotban végezhető el.
• Ahhoz, hogy névleges (illetve üzemi vagy „teljes“) terhelés mellett veszélyessé váló hibahelyek a mérés alkalmával felderítésére kerüljenek, a mérés az üzemi terhelés mellett végzendő. Az áramerősség négyzetével nő a villamos alkatrészek teljesítményterhelése és ezáltal a hőmérséklete is.
• A kapcsoló és elosztó szerelvények tokozott részei nem mérhetők közvetlenül. Plexi vagy más műanyag ablakokon keresztül nem lehet termográfiai méréseket végezni. Ezeket – ha lehetséges – a mérés előtt (Feszültségmentes állapotban!) le kell szerelni.
• Kis mérési tárgyak vagy nagy távolságból (például távvezetékeken) történő mérések esetén figyelembe veendő az alkalmazott termográfiai eszköz (hőkamera) által nyújtott geometriai felbontás. Egy-egy mérési felületre legalább három képpont essen, hogy helyesen értékelhető legyen a mért hőmérsékletadat. Szükség esetén megfelelő optika (speciális teleobjektív) alkalmazásával kell a geometriai felbontóképességet a tárgy méretéhez/távolságához hozzáigazítani.

Tanácsok a megfelelő hőkamera kiválasztásához a mérési feladat függvényében

Míg az előző részben elmagyaráztuk a hőkamerákra jellemező műszaki paraméterek jelentését, a következőkben szakmai területekre vonatkozóan adjuk meg a megfelelő mérőeszköz (hőkamera) kiválasztási szempontjait. I. Villamos berendezések felméréséhez- Hullámhossz-tartomány: hosszúhullámú Megjegyzés: A villamos berendezések tipikus hőmérséklet-tartománya 0°C és 200°C között van. Ezek a mérések legjobb minőségben hosszúhullámú hőkamerával végezhetők el, mivel a Planck-féle törvény szerint a testek ezeken a hőmérsékleten leginkább hosszúhullámú hősugárzást bocsátanak ki. - Mérési (kalibrálási) tartomány: legalább 0°C ... 150°C vagy inkább: -20°C ... 250°C Megjegyzés: A méréstartományt a mérni kívánt berendezések várható hőmérsékletei alapján kell kiválasztani. Amennyiben hasonló áron beszerezhető szélesebb kalibrálási tartományú hőkamera, akkor a biztonság kedvéért ezt válasszuk. Természetesen a legjobb képminőséget a -20 illetve -40°C-tól kalibrált kamerák biztosítanak, mivel kisebb zajszintűek. - Képpontok száma: min. 160x120 illetve 320x240 képpont, jobb 384x288 képpont Megjegyzés: Kisebb pixelszámmal csak nagyon kis felületek, így például 120x160 pixellel csupán a kapcsolószekrények része /a legkisebb kábel keresztmetszetének függvényében csupán negyede, nyolcada/ rögzíthető egy-egy hőképen. Ilyen kis kamera ezért hibakeresés elvégzésére jó /főleg, ha van határérték-túllépésre automatikus vizuális vagy akusztikai riasztása/, de komplett villamos hálózatok vagy gyártói berendezések dokumentálása a rengeteg felvétel, illetve a szükségessé váló hőképmontírozás miatt nem gazdaságos. - Geometriai felbontás: min. 2 mrad, jobb 1,5 mrad, legjobb 1 mrad Megjegyzés: Mivel betartandó, hogy legalább 2 elemi képpont essen a legkisebb mérendő tárgy /a legkisebb keresztmetszetű kábel/ felületére, a geometriai felbontás korlátozza, hogy milyen messziről lehet hőképeket készíteni. „Gyenge” geometriai felbontású hőkamera esetén ez ahhoz vezethet, hogy egy-egy kapcsolószekrényről akár 8-10 felvétel készítése lesz szükséges minden kábel és kötés korrekt felmérése érdekében. - Hőmérséklet felbontás: 120 mK vagy jobb: 80 mK A villamos berendezések felmérése esetén elég nagy hőmérsékletkülönbségekre lehet számítani, ezért nem olyan kritikus a hőmérsékletfelbontás. - Képfelvételi frekvencia: nincs megkötés Megjegyzés: A hőkamera képfelvételi frekvenciája legfeljebb arra vonatkozólag jelent megkötést, hogy a szkennelő hőkamerák 1 másodperces képfelvételi idő miatt kameraállvánnyal kell dolgozni. A gyorsabb mátrixos kamerák esetén pedig „kézből” készíthetők a felvételek. - Javasolt „különleges” funkciók: választható színskála, autofókusz, beépített digitális videokamera vagy kompozit képalkotás (vizuális és hőkép egymásra vetítve).

II. Mikroelektronikai mérésekhez (gyors hőmérséklet-változással járó folyamatokhoz)- Hullámhossz-tartomány: hosszúhullámú Megjegyzés: Az elektronikai eszközök tipikus hőmérséklet-tartománya 0°C és 200°C között van. Ezek a mérések legjobb minőségben hosszúhullámú hőkamerával végezhetők el, mivel a Planck-féle törvény szerint a testek ezeken a hőmérsékleten leginkább hosszúhullámú hősugárzást bocsátanak ki. - Mérési (kalibrálási) tartomány: min. 0°C ... 150°C vagy jobb: -20°C ... 250°C Megjegyzés: A méréstartományt a mérni kívánt elektronikai eszköz várható hőmérsékletei alapján kell kiválasztani. Amennyiben hasonló áron beszerezhető szélesebb kalibrálási tartományú hőkamera, akkor a biztonság kedvéért ezt válasszuk. Természetesen a legjobb képminőséget a -20 illetve -40°C-tól kalibrált kamerák biztosítanak, mivel kisebb zajszintűek. - Képpontok száma: min. 160x120 ill. 320x240 képpont, jobb 384x288 vagy akár 640x480 képpont Megjegyzés: Kisebb pixelszámmal csak nagyon kis felületek, így például 120x160 pixellel csupán egy-két integrált áramkörnyi felületet rögzíthető egy-egy hőképen. Ilyen kis kamera ezért hibakeres elvégzésére jó /főleg, ha van határérték-túllépésre automatikus vizuális vagy akusztikai riasztása/, de komplett nyákokat /elektronikai paneleket/ bemérni és dokumentálni csak rengeteg felvétellel és hőképmontírozással lehet. - Geometriai felbontás: min. 1,5 mrad, jobb 1 mrad Megjegyzés: Mivel betartandó, hogy legalább 2 elemi képpont essen a legkisebb mérendő tárgy /a legkisebb keresztmetszetű áramkör-láb vagy nyomtatott huzal/ felületére, a geometriai felbontás korlátozza, hogy milyen messziről lehet hőképeket készíteni. „Gyenge” geometriai felbontású hőkamera esetén ez ahhoz vezethet, hogy egy-egy nyákról akár 8-10 felvétel készítése lesz szükséges minden egyes alkatrész és vezeték korrekt felméréséhez. - Hőmérséklet felbontás: 120 mK vagy jobb: 80 mK Az elektronikai eszközök mérése esetén elég nagy hőmérsékletkülönbségekre lehet számítani, ezért nem olyan kritikus a hőmérsékletfelbontás. - Képfelvételi frekvencia: > 2 x folyamatfrekvencia Megjegyzés: Ez gyors folyamatok esetén az egyik legkritikusabb hőkamera-paraméter. Mivel a hőképek rögzítése digitális mintavételnek minősül, a digitális jelfeldolgozás egyik alappillerét, a Shannon-törvényt szükséges betartani. Ennek megfelelően a folyamat legmagasabb frekvenciakomponensénél legalább kétszer olyan gyorsan kell mintavételezést /esetünkben hőképrögzítést/ végezni. Ha például egy teljesítményelektronika 50 Hz-es betáp miatt 50 Hz-es frekvenciával melegszik és hűl, a hőképfelvételi frekvencia 100 Hz-nél magasabb kell lennie. Ellenkező esetben az úgynevezett. Aliasing-effektus lép fel és a hőmérsékletfolyamat időbeni lefolyásának ábrázolásánál az alulmintavételezés miatt a valóságban lezajlónál lassúbb folyamatokat /változásokat/ láthatunk. - Javasolt „különleges” funkciók: választható színskála, autofókusz, különbségfelvétel (a referencia-hőképhez képest mi változott), sorozatfelvétel, pixelenkénti emissziós tényező korrekció (az elektronikában alkalmazott alkatrészek - réz, kerámia, műanyag nagyon erősen eltérő emissziós tényezővel rendelkeznek, a sok kis apró felület „kézi” korrekciója viszont szinte lehetetlen).

Villamos távvezetékek felmérése- Hullámhossz-tartomány: hosszúhullámú Megjegyzés: A távvezetékeken mérhető hőmérsékletek azok terhelésétől függően erősen eltérőek lehetnek. Tipikusnak mondható (nyáron, éjjel) a 10...150°C hőmérséklettartomány. Ilyen hőmérsékletek mérése legjobban hosszúhullámú hőkamerával oldható meg, mert a Planck-féle törvény szerint a testek ezeken a hőmérsékleteken döntő mennyiségben hosszúhullámú hősugárzást bocsátanak ki. - Hőkamera típus: mátrixos vagy szkennelő (letapogató) Megjegyzés: A távvezetékek vagy szigetelők meghibásodása esetén elég nagy hőmérsékletkülönbségekre lehet számítani, ezért nem olyan kritikus a képhomogenitás. Akár szkennelő, akár mátrixos kamerákkal is tökéletesen értékelhető adatokat lehet nyerni. - Mérési (kalibrálási) tartomány: -20°C ... 120°C vagy jobb: -40°C ... 300°C Megjegyzés: Mivel szabadtéri mérésekről van szó, ezért ezeket éjjel kell elvégezni. Az évszaktól függően előfordulhat, hogy a mérés közben lesüllyed a hőmérséklet akár -10°C alá is, ilyenkor már csak olyan hőkamerával érünk el elfogadható minőségű felvételeket, amely kalibrálási tartománya -20°C-tól kezdődik. Természetesen még jobb képminőséget biztosítanak a -40°C-tól kalibrált kamerák, mivel kisebb zajszintűek. Ezért leginkább a -20°C illetve -40°C-tól kalibrált hőkamerák alkalmazását javasoljuk. - Képpontok száma: min. 320x240 képpont, jobb 384x288 képpont Megjegyzés: Kisebb pixelszámmal csak nagyon kis felületek -pl. 120x160 pixellel csupán egyetlenegy szigetelő - rögzíthetők egy-egy hőképen. Egy távvezetékszakasz felmérése emiatt rengeteg felvétellel járna, aminek feldolgozása is hatalmas munka. - Geometriai felbontás: min. 0,3 mrad vagy jobb 0,2 mrad Megjegyzés: Ez a legkritikusabb paraméter a távvezetékek felmérése esetén! Ahhoz, hogy megmérjünk egy 20mm átmérőjű sodrony hőmérsékletét 30m magasban korrekt módon /legalább két elemi képpont essen a felületére/, 0,3mrad vagy jobb geometriai felbontás szükséges. Mivel a mátrixos kamerák képpontjai között „hézag” van, még szigorúbb feltételt kellene alkalmazni /3 képpont essen a felületre/, ezért biztonságosan pontos mérés csak 0,2 mrad mellett garantálható. - Hőmérséklet felbontás: 120 mK vagy jobb: 80 mK A távvezetékek hibahelyein leggyakrabban nagy hőmérséklet különbségekre lehet számítani, ezért nem olyan kritikus a hőmérsékletfelbontás. - Képfelvételi frekvencia: talajról, álló járműről történő képfelvételnél nincs megkötés Megjegyzés: A hőkamera képfelvételi frekvenciája legfeljebb arra vonatkozólag jelent megkötést, hogy a szkennelő hőkamerák 1 másodperces képfelvételi ideje miatt kameraállvánnyal kell dolgozni. A mátrixos kamerák esetén szintén állvány szükséges, mivel egyébként nem „célozható” be a messzeségben lévő sodrony vagy szigetelő. -Javasolt „különleges” funkciók: választható színskála, autofókusz, mindenképpen megfelelő teleobjektív, szkennelő kamera esetén valódi (elektrooptikai) nagyítás (Zoom), esetleg kompozit képalkotás (vizuális és hőkép egymásra vetítve), mozgó járműről történő felvételkészítéshez kamerastabilizátor szükséges. Szívesen állok minden érdeklődő rendelkezésére szakmai tanácsadással. Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.