Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (PIM Kft.)
Die Thermografie ist mittlerweile in fast allen Berufen zu finden. Gerade jetzt erleben wir die rapide Ausbreitung dieses berührungslosen Temperaturmessverfahrens, aber gleichzeitig auch die grobe Abwertung des Fachwissens. Einige Hersteller und Händler von Wärmebildkameras sind auf ein Niveau gesunken, bei dem sie 80x60 Pixel Smartphones ohne radiometrische Fähigkeiten (und ähnliche Produkte) als professionelle Wärmebildkameras bezeichnen (als ob man eine VGA-Webkamera als professionelle Videokamera bezeichnen würde). Darüber hinaus ist es traurig zu sehen, dass jeder, der sich ein solches billiges Gerät kauft, sich ohne jegliche fachliche Ausbildung als Thermograf bezeichnet, oft sogar ohne Kenntnisse (und Berücksichtigung) der Physik und Messtechnik auf Schulniveau! In unserer neuen Artikelserie versuchen wir, einen Einblick in die erstaunliche Vielseitigkeit der Thermografie und ihre theoretischen sowie praktischen Grenzen zu geben, basierend auf Rahne Erics Buch "Thermografie - Theorie und praktische Messtechnik" mit 650 Seiten. Die ersten Teile behandeln die Untersuchung von elektrischen Verteiler-, Schalt- und Steuerschränken.
Die Aufnahme von Wärmebildern, also die Thermografie, ist ein äußerst vielseitiges Messverfahren, während die benutzerfreundliche Bedienung moderner Wärmebildkameras mit der verbreiteten digitalen Videokamera vergleichbar ist. Diese Einfachheit sollte jedoch niemanden täuschen: Für die korrekte Aufnahme von Wärmebildern aus messtechnischer Sicht sind angemessenes theoretisches Fachwissen, Erfahrung und eine sorgfältige Messvorbereitung erforderlich. Da wir in früheren Ausgaben der VL bereits über die theoretischen Grundlagen der Thermografie geschrieben haben, werden im Folgenden nur die wichtigsten messtechnischen Anforderungen und praktischen Kenntnisse zur thermografischen Untersuchung elektrischer Anlagen detailliert erläutert. Dabei zeigen wir auch einige häufige Bedienfehler von Wärmebildkameras auf und deren Auswirkungen auf die Genauigkeit und Glaubwürdigkeit der Messungen.
So vielfältig die Möglichkeiten sind, die sich durch den möglichst regelmäßigen Einsatz der Thermografie bei der Organisation der Wartung elektrischer Anlagen ergeben, so viele Schwierigkeiten ergeben sich auch bei der Durchführung der Messungen. Im Folgenden werden einige bedeutende Probleme vorgestellt und Ratschläge gegeben, um die Auswirkungen von Messfehlern zu minimieren. Das größte Problem ergibt sich aus dem Messobjekt selbst - genauer gesagt aus seinem Material. Ein häufiges Fehlverhalten elektrischer Anlagen beruht auf unzureichender Leitfähigkeit der Kontakte von Leitungen/Schienen, sei es durch Schraub-, Feder- oder Pressverbindungen. Der durch erhöhten Übergangswiderstand verursachte Kontaktwärme steigt zwar mit der Belastung, aber aufgrund der geringen Emissionsfähigkeit der metallischen, meist polierten Oberflächen ist die Wärmeabstrahlung minimal. Mit thermografischen Geräten ist die Erkennung der Kontaktwärme zwar möglich, aber eine genaue Messung ist nahezu unmöglich. Ebenso schwierig ist die Messung an schienengeführten Systemen ohne Isolierung. Auch hier führt die metallische Oberfläche des Messobjekts zu einem nicht abschätzbaren Messfehler aufgrund der geringen Emissionsfähigkeit. Die niedrige Emissionsfähigkeit der Oberfläche des nicht durchsichtigen Objekts führt zu einem hohen Reflexionsfaktor, so dass unsere Messaktivitäten so organisiert werden müssen, dass der dadurch verursachte Messfehler minimal ist. Es ist wichtig, dass wir bereits während der Messung darauf achten, da eine nachträgliche Korrektur aufgrund der inhomogenen Umgebung in industriellen Bedingungen praktisch unmöglich ist. Unsere erste Aufgabe besteht darin, eine möglichst homogene Umgebungstemperatur für die Messanordnung anzustreben. Dies erfordert eine Messanordnung, bei der während der Messung keine starken Wärmequellen wie Heizkörper, Strahlungsheizungen, Hochtemperaturtechnologien oder andere störende punkt- oder linienförmige Strahlungsquellen in Richtung der vom Objekt reflektierten Strahlung betrieben werden. Was vorübergehend nicht außer Betrieb genommen werden kann, sollte durch Anwendung anderer Mess- und Beobachtungswinkel eliminiert werden. Wenn dies keine Lösung bietet, sollte es mit einem Paravent oder einer anderen Abschattungsfläche abgedeckt werden, jedoch so, dass es nicht zur störenden Wärmequellenstrahlung gelangt und keine Brandgefahr verursacht. In dieselbe Kategorie fällt auch der oft übermäßige Eifer des örtlichen Elektrikers, der den Thermografen oft begleitet. Während die Messung einer Schaltschrankreihe läuft, öffnet er bereits die Türen der Schränke hinter dem Messenden. Ab diesem Zeitpunkt wird anstelle der fast homogenen reflektierenden Oberfläche der Schranktüren die inhomogene, ortsabhängige Wärmestrahlung der elektrischen Elemente in den Schränken auf das Messobjekt reflektiert! Jetzt kommt der Gnadenstoß im Reflexionsproblem. Der Messende, der Begleiter und die Zuschauer verursachen alle störende Strahlungsquellen, die Reflexionswärme erzeugen! Wir können uns nicht aus dem Sichtfeld entfernen, aber den Begleiter und die Zuschauer schon. Um die Wärmestrahlung unseres Körpers zu eliminieren, müssen wir uns etwas einfallen lassen.
Die Lösung besteht darin, die Messung nicht im 90°-Winkel zur Objektoberfläche durchzuführen, sondern mit einem Betrachtungswinkel von 70 ... 80° zur Objektoberfläche. Wenn bei dieser Winkelmessung keine anderen störenden Wärmequellen reflektiert werden, ist die Aufgabe bereits gelöst.
Falls jedoch auf dem aufzunehmenden Wärmebild verdächtige Reflexionen entdeckt werden, ändern Sie unsere Messposition und wiederholen Sie die Thermografieaufnahme aus einem anderen Beobachtungswinkel. Wenn sich die vermeintliche reflektierte Wärme an einem anderen Ort befindet, handelt es sich um eine tatsächliche Reflexion. In diesem Fall müssen wir nach einer "dritten" Beobachtungsrichtung suchen, um sicherzustellen, dass die Reflexion unsere Messung nicht beeinflusst. Wenn dies nicht möglich ist, notieren Sie die Reflexion, um sie später in der Messdokumentation festzuhalten. Wenn sich die Wärmeabbildung auf dem Wärmebild jedoch nicht ändert, wenn wir unsere Position und den Beobachtungswinkel ändern, handelt es sich um eine reale - objektbezogene - Wärmequelle.
Die Abbildung 3-4 zeigt, dass an der Stelle, die mit einem roten Pfeil markiert ist, eine Reflexion und keine objektbezogene Wärmequelle vorliegt. Aufgrund der meist polierten Oberflächen der Kontakte führen die irreführenden Reflexionen zusammen mit der schlechten Erkennbarkeit der tatsächlichen Objekttemperaturen zu Problemen. Glücklicherweise gibt es normalerweise beschriftete, farbmarkierte oder isolierte Oberflächen, die aufgrund der Erwärmung des Fehlerorts durch die gute Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Leiter ebenfalls warm werden. Bei Schienen können vorhandene Löcher ebenfalls hilfreich sein. Wenn sie mindestens viermal so tief wie ihr Durchmesser sind, können wir aufgrund der darin stattfindenden mehrfachen Reflexionen eine Strahlung messen, die einem Emissionsgrad von nahezu 100% entspricht. Dies gilt natürlich auch für Durchgangs- oder Gewindebohrungen sowie für Montagelücken oder Luftspalte zwischen zwei Schienen. (Abbildung 5-6)
Ein weiteres nicht zu unterschätzendes Problem hängt mit der geometrischen Auflösung des Thermografie-Messgeräts zusammen. Aufgrund der Bedeutung dieses Themas halte ich es für notwendig, dies hier ausführlicher zu erwähnen. Es ist nämlich allgegenwärtig, von einer umfassenden thermografischen Untersuchung eines gesamten Schaltschranks mit einer einzigen Aufnahme zu hören, gefolgt von einer detaillierten Fehlerortaufnahme basierend auf dem umfassenden Wärmebild. Dies klingt natürlich nach sehr effizienter Arbeit, was jedoch nur dann zutrifft, wenn die Anforderungen an die geometrische Auflösung bei der umfassenden Aufnahme eingehalten wurden. Wenn dies nicht der Fall ist, bleiben die Wärmeeffekte an kleinen Drähten und Kontakten unbemerkt. Wahrscheinlich würden wir keine detaillierte Wärmebildaufnahme machen, und somit würden die Fehler nicht entdeckt werden. Zusammenfassend: Die Erstellung von umfassenden thermografischen Aufnahmen mit unzureichender geometrischer Auflösung ist schlichtweg inakzeptabel und es gibt niemals Ausnahmen. Der Parameter der geometrischen Auflösung, der dies beeinflusst (in englischen Dokumentationen als IFOV = Individual Field Of View oder Instantaneous Field Of View bezeichnet, sinngemäß übersetzt als "individueller Sichtfeld" oder "momentanes Sichtfeld"), wird typischerweise nicht in ° (Grad), sondern in mrad (Milliradiant) angegeben, was die obligatorische Vorabkalkulation im Zusammenhang mit der geometrischen Auflösung erheblich erleichtert. Beachten Sie, dass diese Daten für das Wärmebildgerät und das Objektiv zusammen gelten, sodass bei Verwendung von Objektiven mit unterschiedlichen Blickwinkeln dasselbe Wärmebildgerät über unterschiedliche geometrische Auflösungen verfügen wird. (Abbildung 7)
Zum Glück ist es recht einfach, die spezifische geometrische Auflösung (IFOV) der Wärmebildkamera (bzw. ihrer Linse) in mrad-Winkelmaßeinheit zu bestimmen, um die kleinste messbare Objektgröße aus einer bestimmten Entfernung zu ermitteln. Zum Beispiel bedeutet eine geometrische Auflösung von 1,5 mrad, dass jede individuelle Messfläche (Messpunkt auf der Objektoberfläche) pro 1 m Messabstand genau 1,5 mm groß ist. Die Gleichung für den individuellen "Messpunkt" in der gegebenen Entfernung lautet also: px = py = d ⋅ IFOV wobei: px, py ... horizontale Größe des individuellen Detektormesspunkts [mm] d ... Messabstand [m] IFOV ... geometrische Auflösung [mrad] Basierend auf dem Vorherigen ist bekannt, welche Größe ein individueller Messpunkt bei der gegebenen Messentfernung hat. Nun muss nur noch sichergestellt werden, dass der Messpunkt vollständig auf dem zu messenden Objekt liegt. Wenn dies nicht eingehalten wird, kann der Messpunkt nicht nur die Strahlung der Objektoberfläche, sondern auch die des Hintergrunds (genauer gesagt der seitlich eng benachbarten oder seitlich versetzten dahinter sichtbaren Objekte) enthalten. Da innerhalb des Messpunkts eine Mittelung erfolgt, kann das Messergebnis aufgrund der Temperatur des Hintergrunds (seitliche Umgebung) entweder niedriger oder höher als die tatsächliche Temperatur des Objekts sein. Je größer der Temperaturunterschied zwischen Objekt und Hintergrund (seitliche Umgebung) ist, desto größer wird der Messfehler sein! Da die Position der Erfassungsfläche (Messpunkt) für jeden einzelnen Bildpunkt auf dem zu messenden Objekt nicht bekannt ist, kann die Mathematik zur Hilfe genommen werden. Wenn die minimale Größe des messbaren Objekts das Doppelte der Größe des individuellen Messpunkts wäre, dann würde einer von zwei eng nebeneinander liegenden individuellen Messpunkten immer vollständig auf dem Objekt liegen. Da jedoch die Sensor-Matrix (technologisch bedingte) Lücken aufweist und das Linsensystem auch nicht frei von Abbildungsfehlern ist, hat es sich in der Praxis bewährt, die oben genannte Bildpunktgröße mit 3 zu multiplizieren, um die minimale Größe des messbaren Objekts zu bestimmen. mmin = szmin = d ⋅ IFOV ⋅ 3 Formel (2) wobei: mmin ... vertikale Größe des kleinsten messbaren Objekts [mm] szmin ... horizontale Größe des kleinsten messbaren Objekts [mm] d ... Messabstand [m] IFOV ... geometrische Auflösung [mrad] Anhand der Gleichung kann beispielsweise bei einem "Standard" Objektiv mit einer geometrischen Auflösung von 2 mrad ermittelt werden, dass aus 5 m Entfernung nur Objekte (oder Objektteile) mit einer Mindestgröße von 30 mm thermisch zuverlässig und korrekt erfasst werden können. Für die Messung kleinerer Objekte muss entweder ein geringerer Messabstand oder eine andere Optik gewählt werden. (Übrigens kann eine thermografische Aufnahme die Temperatur von kleinen Objekten/Objektteilen, die für die Messung wichtig sind, nicht nachweisen.) Wenn also das zuvor genannte "Standard" Objektiv durch ein Teleobjektiv ersetzt wird, können beispielsweise bei einer angenommenen geometrischen Auflösung von 0,5 mrad aus 5 m Entfernung Objekte mit einer Mindestgröße von 7,5 mm thermisch gemessen werden.
Die Abbildungen 8-9 zeigen deutlich den Messfehler und dessen Größe bei unzureichender geometrischer Auflösung. Während wir auf dem oberen Bild - einem größeren Durchmesser - die tatsächliche Temperatur des Kabels in unserem Wärmebild sehen (angezeigter Maximalwert 125°C), messen wir auf dem unteren Bild die Temperatur desselben heißen, aber dünnere Kabels fehlerhaft (angezeigter Maximalwert 69°C). Die nächsten beiden Wärmebilder unterstreichen das Risiko einer Aufnahme mit unzureichender geometrischer Auflösung anhand eines konkreten praktischen Beispiels. Ich denke, weitere Erklärungen sind nicht erforderlich. Die Wärmebilder 10-11 verdeutlichen das Risiko einer Aufnahme mit unzureichender geometrischer Auflösung anhand eines konkreten praktischen Beispiels. Während auf dem Bild 10 die lockere Verbindung mit nur 38 °C Temperatur erscheint und nicht als Fehlerquelle erscheint, zeigt das Bild 11 anhand einer thermografischen Detailaufnahme mit ausreichender geometrischer Auflösung, dass die tatsächliche Temperatur bereits über 58 °C liegt (20 °C Messfehler)!
Unsere Situation ist auch aufgrund der Verkleidungen von elektrischen Schaltgeräten nicht einfach. Da auf Kunststoffen mit einer Dicke von nur einem halben Millimeter praktisch keine Wärmestrahlung durchdringt, die die Messung elektrischer Geräte ermöglichen würde, ist es offensichtlich, dass die Kunststoffverkleidungen, die die zu messenden Elemente verdecken, vor der Messung vollständig entfernt werden müssen. Dies gilt sowohl für die Abdeckungen von Sicherungs- und Leistungsschaltern als auch für die Plexiglasverkleidungen in Schaltschränken. Was jedoch in der Praxis sicherlich nicht entfernt werden kann, ist die vollständig geschlossene Kunststoffummantelung moderner verkleideter Geräte. Im Idealfall hat der Gerätehersteller ein kleines Loch mit einem Durchmesser von 3 ... 4 mm gelassen, durch das - aus einem geeigneten Blickwinkel - bei einem Fehler oder schlechtem Kontakt des Geräts die im Inneren entstehende kritische Temperatur beobachtet werden kann. Natürlich erfordert die Fehlererkennung durch das Loch, dass die maximale Messdistanz entsprechend der geometrischen Auflösung des Lochdurchmessers ausgewählt wird. (Siehe das zuvor behandelte Problem.) Wenn es jedoch kein solches Loch für die Erkennung von Problemen innerhalb der Verkleidung gibt, müssen wir uns auf die gute Wärmeleitung des elektrischen Leiters verlassen. Die Beispiele in den Bildern 12-13 sind in dieser Hinsicht recht beruhigend, da in den meisten Fällen der verkleidete Apparat oder der Kontaktfehler eindeutig mit der Temperatur des abgehenden Leiters verbunden werden kann, die sich mit zunehmender Entfernung vom betreffenden Gerät verringert.
Zum Abschluss noch ein weiteres aufmerksamkeitsstarkes Beispiel für thermisch nicht sichtbare Wirkungen aufgrund von Plexi-Verkleidungen für den Berührungsschutz. Im Beispiel ist die tatsächliche Temperatur eines lockeren Kontakts, der aufgrund der Abdeckung thermisch nicht beobachtbar ist, 57°C. Dies würde auf jeden Fall eine Wartungsmaßnahme rechtfertigen, im Gegensatz zu dem scheinbar akzeptablen Wert von 41°C. (Der Unterschied zwischen den Phasen ist dennoch ausreichend Grund für die Notwendigkeit einer Überprüfung und Wartung.)
(Fortsetzung folgt!) Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu
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