Villamos berendezések termográfiai vizsgálata

Mérési tanácsok, feladatspecifikus hőkamera-követelmények

A hőképfelvételek készítése, azaz a termográfia rendkívül sokoldalú mérési eljárás. A modern hőkamerák kezelése már-már hasonlít az elterjedt digitális videokamerákéhoz, a beszerzési áruk pedig a korábbi évek töredékére esett. Nem meglepő tehát, hogy a villanyszerelők is egyre közelebb kerültek ehhez az új technológiához. Amíg régen csupán a fáziskereső, majd a feszültség- és ellenállásmérő, később a multiméter, a földelésvizsgáló és akár az oszcilloszkóp vált mindennapos munkaeszközzé, várhatóan a hőkamera is bevonul a villamos szakemberek mindennapokba.

A fent említett az egyszerűség viszont ne tévesszen meg senkit: a mérési szempontból helyes hőképfelvételek készítéséhez szakmai tudás, megfelelő mérés-előkészítés és a feladat igényeinek eleget tevő mérőeszköz (hőkamera) is szükséges. (Ellenkező esetben mérési eredmények helyett csak kiértékelhetetlen "színes képek" keletkeznek.) Szomorú tapasztalat, hogy több hőkamera-forgalmazó és hőképfelvétel-készítő szolgáltató is súlyos szakmai hibákat vét a hőképek készítése során. Itt tehát ennek elkerülése véget kezdjük a fizikai alapelvekből adódó gyakorlati korlátokkal:

Az érintésmentes hőmérsékletmérés gyakorlati szempontjai

Mérési pontosság anyagfüggősége, mérhető felületek A termográfiai (hőkamerás) illetve az infrahőmérős (tévesen lézeres hőmérőnek elnevezett eszközökkel történő) hőmérséklet-érzékelés mérési pontossága elsősorban a mért felület sugárzás-kibocsájtási (emissziós) képességétől függ. Minél jobb ez a képessége (minél inkább hasonlít egy ideális sugárzóra), annál kevesebb átengedett és visszaverődött sugárzás lép fel. A mérőeszköz által érzékelt sugárzás is egyre inkább csak a test hőmérsékletével összefüggő sugárzásból tevődik össze, kevesebbet kell tehát a hőmérsékletérték kiszámítása során a többi sugárzás hatását korrigálni. Minél kisebb egy test emissziós képessége, annál fontosabb a korrekciós számítás, mely alapja az úgynevezett emissziós tényező. Az anyagok emissziós tényezője pedig maga az anyagtól, a felület érdességétől, a hullámhossztól és a látószögtől függ. Az infravörös sugárzás érzékelés alapján csak az emissziós tényező, a reflektáló hőmérséklet (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 említettekből következik, hogy egyes esetekben semmiképp nem mérhető a tárgy hőmérséklete:

• tükröződő felületek esetén - pl. polírozott felületek, oxidáció-mentes fémfelületek
• infrasugárzásra átlátszó anyagok esetén - például egyes kristályos anyagok, különböző gázok

Bal oldali kép: forrólevegő-ventilátor hőképe - a hőszigetelés polírozott alumíniumburkolata nagyon alacsony emissziós értékkel bír - a forrólevegő-ventilátor valós hőmérséklete a rozsdás búvónyíláson látható (>160°C), a többi rész tükrözi a környezet hőmérsékletét - a hőszigetelés hőmérséklete (>90°C) nem látható Jobb oldali hőkép: 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

1. ábra: Példák alacsony emisszióval rendelkező - nehezen mérhető - tárgyakra [forrás: PIM Kft.]

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, kapcsoló-szekrényeket kellene bevizsgálnunk: maga a fémes (polírozott) sínek, kötések, csatlakozások hőmérséklete nem határozható meg érintés mentesen. (Oxidált vagy festett /szigetelővel bevont/ felületek azonban mérhetők - ilyenkor ugyanis nemfémes, matt jellegük miatt magas emissziótényezőjük van.) 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 NYÁK hőkép-számítását pedig a korábban rögzített emissziós tényező pixelmátrix alapján végzi el a szoftver, aminek eredményeképpen minden egyes pixelre kiszámított hőmérsékletadat az eltérő emissziós tényezők ellenére mégis pontosan meghatározásra kerül.

Bal oldali kép: NYÁK emisszió-korrekció nélkül - a valóságban forró áramkör-lábak hidegnek tűnnek - a téves adatok oka az eltérő emissziós értékek Jobb oldali kép: az 50°C-ra felmelegített NYÁK hőképe - látszólag eltérő hőmérsékletek vannak - az eltérések oka az eltérő emissziós értékek

Bal oldali kép: NYÁK felületének emissziós értéke - az egyenletes hőmérsékletből számított eps - pixelenként történt az emisszió meghatározása Jobb oldali kép: NYÁK hőképe emisszióérték-korrigálással - pixelenkénti korrekció a baloldali ábra alapján - a forró áramkör-lábak így a hőképen is forróak

2. ábra: Példa az eltérő emissziós tényezők képpontonkénti korrekciójára [forrás: Infratec]

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. E közben 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...
• (magas-, közép- és kisfeszültségű hálózatokban egyaránt)
• Villamos berendezések ellenőrzése a termelési üzemekben
• betáp transzformátorok, fő- és alelosztók, kapcsolószekrények, egyéni bekötések ...
• Villamos gépek, berendezések az iparban
• villanymotorok, fázisjavítók, frekvenciváltók...

Termográfiai úton megtalálható villamos hibák

• alulméretezett (túlterhelt) kábelek, kapcsolószerelvények, kötések, transzformátorok
• hibás (meglazult, korrodált) érintkezések bármilyen villamos berendezésen vagy eszközön
• sérült kábelfejek, gyűrűk, túlfeszültséglevezetők
• 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 - 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.

 

3. ábra: Transzformátorállomás [forrás: Infratec] 4. ábra: Áramsínek [forrás: Infratec]

5. ábra: Transzformátor (hőkép + integrált digitális fénykép) [forrás: Infratec] 6. ábra: Villanymotor [forrás: Infratec]

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. Villamos berendezések felmérése  

7. ábra: Ipari biztosítékok felmérése [forrás: Infratec] 8. ábra: Ipari transzformátor felmérés [forrás: Infratec]

- 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 bocsájtanak ki. Másrészt ez a tartomány a fotondetektorokhoz képeset sokkal kedvezőbb termikus /mikrobolométeres/ detektorokkal is érzékelhető.)

- mérési (kalibrálási) tartomány: min. 0°C ... 150°C vagy jobb: -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 vagy 640x480 képpont (Megjegyzés: Kisebb pixelszámmal csak nagyon kis felületek - pl. 120x160 pixellel csupán a kapcsolószekrények része /a legkisebb kábel kereszt­metszetének függvényében csupán negyede, nyolcada/ rögzíthető egy-egy hőképen. Ilyen kis kamerával ezért hibakeresést elvégezni jó /főleg, ha van határérték-túllépésre automatikus vizuális vagy akusztikai riasztása/, de kom­plett villamos hálózatok vagy gyártói berendezések dokumentálása a rengeteg felvétel ill. 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 szükséges lesz minden kábel és kötés korrekt felmérése érdekében. - hőmérséklet felbontás: 100 mK vagy jobb: 80 mK vagy akár 50mK (A villamos berendezések felmérése esetén elég nagy hőmérséklet-különbségekre lehet számítani, ezért nem olyan kritikus a hőmérséklet-felbontás.) - képfelvételi frekvencia: nincs megkötés, de célszerű 50Hz-es kamerát választani kézi felvételekhez (Megjegyzés: A hőkamera képfelvételi frekvenciája arra vonatkozólag jelent megkötést, hogy lassú - pl. 9, 15 ill. 30 Hz képfrissítésű - hőkamerák esetén a kézremegés miatti elmosódás elkerülése végett kameraállvánnyal kell dolgozni A gyorsabb /min. 50Hz-es/ hőkamerákkal „kézből” készíthetők a felvételek.) - javasolt „különleges” funkciók választható színskála, autófókusz, beépített digitális videokamera vagy kompozit képalkotás (vizuális és hőkép egymásra vetítve)

Mikroelektronikai mérések (gyors hőmérséklet-változással járó folyamatok)

 

9. ábra: Integrált áramkör mikroszkóp-lencsével [forrás: Infratec] 10. ábra: NYÁK standardlencsével [forrás: Infratec]

- 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 bocsájtanak 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 - pl. 120x160 pixellel csupán egy-két integrált áramkörnyi felületet rögzíthető egy-egy hőképen. Ilyen kis kamerával ezért hibakeresést elvégezni jó /főleg, ha van határérték-túllépésre automatikus vizuális vagy akusztikai riasztása/, de komplett nyákokat /elektronikai paneleket/ bemérni és dokumentálni csak rengeteg felvétel és hőkép-montírozással oldható meg.) - geometriai felbontás: min. 1,5 mrad, jobb 1 mrad (Megjegyzés: Mivel betartandó, hogy legalább 3 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 szükséges lesz minden egyes alkatrész és vezeték korrekt felméréséhez. - hőmérséklet felbontás: 100 mK vagy jobb: 80 mK vagy akár 50mK (Az elektronikai eszközök mérése esetén elég nagy hőmérséklet-különb­ségekre lehet számítani, ezért nem olyan kritikus a hőmérséklet-felbontás.) - 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 hőkép-rögzítést/ végezni. Ha például egy teljesítményelektronika 50Hz-es betáp miatt 50Hz-es frekvenciával melegszik és hűl, a hőképfelvételi frekvencia 100Hz-nél magasabb kell lennie. Ellenkező esetben az úgynevezett. Aliasing-effektus lép fel és a hőmérséklet-folyamat időbeni lefolyásának ábrázolásánál az alulmintavételezés miatt lassúbb folyamatokat /változásokat/ látjuk, mint amilyenek ezek a valóságban lezajlanak. ) - javasolt „különleges” funkciók választható színskála, autófókusz, különbségfelvétel (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  

11. ábra: Légvezetékek, kötések és szigetelők ellenőrzése [forrás: Infratec]

  - hullámhossz-tartomány: hosszúhullámú (Megjegyzés: A távvezetékeken mérhető hőmérsékletek azok terhelésétől függően erősen eltérőek lehetnek. Tipikusnak mondható (nyáron, éjjel) a 10...150°C hőmérséklet-tartomány. Ilyen hőmérsékletek mérése legjobban hosszúhullámú hőkamerával oldható meg, mert a Planck-féle törvény szerint a testek ezeken a hőmérsékleteken döntő mennyiségben hosszúhullámú hősugárzást bocsájtanak ki.) - 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, ilyenkor már csak olyan hőkamerával érünk el elfogadható minőségű felvételeket, amely kalibrálási tartománya -20°C-tól kezdődik. Természetesen még jobb képminőséget a -40°C-tól kalibrált kamerák biztosítanak, mivel kisebb zajszintűek. Ezért leginkább a -20°C illetve -40°C-tól kalibrált hőkamerák alkalmazását javasoljuk.) - képpontok száma: min. 160x120 ill. 320x240 képpont, jobb 384x288 vagy akár 640x480 képpont (Megjegyzés: Kisebb pixelszámmal csak nagyon kis felületek - pl. 120x160 pixellel csupán egyetlenegy szigetelő - rögzíthető 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 20 mm átmérőjű sodrony hőmérsékletét 30 m magasban korrekt módon /legalább két elemi képpont essen a felületére/, 0,3 mrad 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: 100 mK vagy jobb: 80 mK vagy akár 50mK (A távvezetékek hibahelyein leggyakrabban nagy hőmérséklet-különbségekre lehet számítani, ezért nem olyan kritikus a hőmérséklet-felbontás.

- képfelvételi frekvencia: talajról, álló járműről történő képfelvételnél nincs megkötés (Megjegyzés: A hőkamera képfelvételi frekvenciája arra vonatkozólag jelent megkötést, hogy lassú - pl. 9, 15 ill. 30 Hz képfrissítésű - hőkamerák esetén kameraállvánnyal kell dolgozni ill. a mozgó (lengő) sodrony nem mérhető. Az 50Hz (és fölötti) hőkamerák esetén szintén állvány szükséges, mivel egyébként nem „célozható” be a messzeségben lévő sodrony vagy szigetelő. Gyakorlati tapasztalatok alapján min. 50Hz-es kamerák alkalmazása javasolt.)

- javasolt „különleges” funkciók választható színskála, autófókusz, mindenképpen megfelelő tele­objektív, esetleg kompozit képalkotás (vizuális és hőkép egymásra vetítve), mozgó járműről történő felvételkészítéshez kamerastabilizátor szükséges. - nem ajánlott választható távvezetékek helikopteres lerepülése, mivel ez tökéletes látási viszonyokhoz kötődik, ami gyakorlatilag napközbeni, tiszta eges repülést jelent (a mérési eredmények a fémes sodronyon várhatóan bekövetkező napsugárzás-reflexió végett értékelhetetlenek lesznek)  

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.