Villamos berendezések termográfiája (elméleti alapjai és gyakorlata)

Villamos berendezések termográfiai vizsgálata

Elméleti alapok, méréstechnikai korlátok és gyakorlati tanácsok

A termográfiával kapcsolatos korábbi cikkeinket kiegészítve, jelen cikkel további gyakorlati tanácsokat kívánunk adni ahhoz, hogy az ilyen jellegű méréseket kivitelező szakemberek minél hatékonyabban, és minél kisebb mérési hibákkal tudjanak a villamos berendezések valódi hőmérsékleteit meghatározni.

Abból kiindulva, hogy az alul méretezett 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, a karbantartás szükségessége leginkább a melegedési helyek felderítése révén mérhető föl. Mivel viszont a felmelegedés tipikusan csak üzem közben (tehát feszültség alatt) lép fel, olyan mérési módszer előnyös, mely a hőmérséklet érintésmentes érzékelését lehetővé teszi. Erre alapvetően kétféle kategóriájú eszköz áll rendelkezésre: az infrahőmérők (sajnos gyakran hibásan “ponthőmérő”-nek vagy még inkább tévesen “lézeres hőmérő”-nek elnevezve), vagy a felületi hőmérséklet-eloszlás grafikai megjelenítésre alkalmas hőkamerák (ill. termokamerák, infrakamerák).

Megjegyzés az infrahőmérőkkel kapcsolatosan: Gyakori tévedés, hogy ezek a lézerpont révén mérnek, vagy – ugyanúgy tévesen – éppen pont azon a kis ponton mérnek hőmérsékletet, ahol a lézermutató látszik. Ez a pont csak a mérőfelület közepét, 2-pontos vagy körlézeres műszerek esetén a felület szélét jelöli. A hőmérséklet-méréshez semmi köze nincsen. A hőmérséklet-mérés a felületről kisugárzott hősugárzás érzékelésével történik arra érzékeny detektor alkalmazásával, utána a sugárzás intenzitás átszámítása hőmérséklet-értékké a tárgy emissziójának ismeretében. A hősugárzás érzékeléséhez természetesen sem fény, sem lézersugár nem kell.

Mindkét eszköz legnagyobb előnye, hogy a mérések biztonságos távolságból – akár több kV-on üzemelő berendezéseken is – elvégezhetők anélkül, hogy ez a vizsgált berendezés üzemeltetését befolyásolná. Viszont nagyon lényeges tudni és a mérések értékelésénél figyelembe venni, hogy mindkét mérőeszköz-típus az infravörös sugárzás (hősugárzás) érzékelés alapján határozza meg a tárgyfelület hőmérsékletét, melynek igen komoly fizikai (elméleti) határai vannak. Azok gyakorlati kihatásai a következők:

Kültéri mérések (pl. transzformátorok és távvezetékek) a hőreflexiók és a zavaró háttérsugárzás kiküszöbölése érdekében csak éjjel (napsütés nélküli napszakban, lehetőleg felhős ég mellett) vagy igen vastag, teljesen zárt – de csapadékmentes – felhőzet esetén nappal is elvégezhetők. (Tapasztalatból az éjjeli mérések elvégzését preferáljuk.) Főleg új berendezések esetén (mivel a tükörfényes, ill. szépen megmunkált fémes felületek nagyon kis emissziós tényezővel rendelkeznek) hősugárzás-reflexió lép fel. Ilyen jellegű mérési hibák kiküszöbölése érdekében többféle mérési pozícióból is ajánlatos elvégezni a méréseket. Ilyenkor figyeljük, hogy a feltűnő hőmérséklet-jelenség (pl. forró pont) a mérési helyzet változtatásával “elvándorol” vagy sem. Változik a helye a hőképünkön, akkor valamilyen mögöttünk lévő pontszerű hőforrás reflexiójáról van szó, ha nem “mozog”, akkor valóban magas hőmérsékletű pontról van szó.

Nagyobb teljesítményű/feszültségű elosztóknál gyakorik a lapos réz- vagy alumíniumsínek, majdnem magasfényűre polírozott felülettel. Esetükben könnyen előfordulhat, hogy mindig pont az az áramvezető sín éppen 35°C hőmérsékletűnek “látszik”, amely előtt éppen elvégezzük a méréseket. Ennek elkerülése végett a méréseket lehetőleg nem a sín felületére merőlegesen, hanem kb. 75-80° szögből végezzünk el. Ezzel a trükkel kiküszöböljük saját testhőmérsékletünk reflexióját az áramsíneken.

Amennyiben a tükröződések miatt (pl. új szerelésű, polírozott fémfelületű berendezések esetén) lehetetlen kiértékelhető méréseket végezni, a mérendő felületek részleges vagy teljes bevonása segíthet, jellegzetesen matt festék vagy ismert emissziós tulajdonsággal rendelkező, vékony szigetelőszalag alkalmazásával. Természetesen mindezek az előkészítő tevékenységek csak feszültségmentes állapotban végezhetők el.

A kapcsoló és elosztó szerelvények tokozott részei nem mérhetők közvetlenül. Plexi vagy más műanyag ablakokon/ajtókon/fedőlemezeken keresztül nem lehet érintésmentes hőmérséklet-méréseket végezni. Ezeket a burkolatokat – ha lehetséges – a mérés előtt (feszültségmentes állapotban!) le kell szerelni.

Reflexió villamos berendezéseken (forrás: PIM)
Ábra: Téves hőmérséklet-kijelzés áramsíneken ill. polírozott felületeken előforduló reflexió miatt [forrás: PIM]
Napsugárzás reflexiója (forrás: PIM)
Ábra: Téves hőmérséklet-kijelzés kültéri szigetelőkön napsugárzás hatása miatt [forrás: PIM]

Példák kültéri mérésekre:

Transformator hőkamerás mérése (forrás: Infratec)
Ábra: Transzformátor [forrás: InfraTec]
Alálómás termográfiai mérése (forrás: Infratec)
Ábra: Alállomás vizsgálata [forrás: InfraTec]
Távvezeték ellenőrzése (forrás: Infratec)
Ábra: Távvezeték hibával [forrás: InfraTec]

Úgyszintén a gyakorlati mérések kivitelezése során figyelembe veendő, hogy az infrahőmérők és a hőkamerák egyaránt optikai műszer, mely csak adott geometriai felbontással képes a mért tárgyfelület egy-egy részéről a hősugárzás érzékelésére. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy kis mérési tárgyak vagy nagy távolságból (pl. távvezetékeken) történő mérések esetén figyelembe veendő az alkalmazott érintésmentes hőmérséklet-mérő eszköz (akár hőkamera, akár infrahőmérő) által nyújtott geometriai felbontás. Túl kicsi tárgyak vagy túl nagy távolságokból történő mérések esetén a háttér és a tárgy hőmérséklet átlagolása réven (magasabb hőmérsékletű tárgyat feltételezve) téves, túl alacsony tárgyhőmérsékletek kerülnek kijelzésre. Minél nagyobb a tárgy és a háttér hőmérsékletének különbsége, annál nagyobb lesz a mérés hibája is!

Az infrahőmérők esetén az optikájukra jellemző 20:1, 30:1 vagy 50:1 ill. 60:1 érték dönti el, hogy egyáltalán ezek mennyire alkalmasak villamos berendezések hőmérsékletének mérésére, valamint mekkora a legkisebb mérhető tárgy ill. legnagyobb mérési távolság. 20:1 optikával rendelkező infrahőmérő esetén 20 m távolságból egy 1 m átmérőjű kőralakú felületről kerül kijelzésre eme tárgyfelület átlaghőmérséklete. 1 m távolságból ez a felület körülbelül 50 mm átmérőjű. (A gyakorlatban ilyen optikával rendelkező infrahőmérő alig használható villamos berendezések hőmérsékletének mérésére, mivel – a biztonsági előírások miatt – magas feszültségű berendezések esetén nagyobb távolságokból kell mérni, kis- és középfeszültségű berendezések esetén pedig a tárgyméretek kisebbek 50 mm-nél. Villamos berendezések állapotellenőrzésére ezért célszerű 50:1 vagy 60:1 optikájú infrahőmérőket alkalmazni. 60:1-es műszerrel 1 m távolságból akár 16 mm méretű tárgyak hőmérséklete még érzékelhető, természetesen feltételezve, hogy a mérőfelület (jobb műszerek esetén legalább 2 lézerponttal jelölve) nem lóg le a mérendő tárgy (kábel, csatlakozó, kontaktus) felületéről.

A hőkamerák alkalmazása esetén viszont azt a szabályt kell betartani, hogy egy-egy mérési felületre legalább három elemi képpont (képpixel9 essen, hogy helyesen értékelhető legyen a mért hőmérsékleti adat. Ha ezt nem tartjuk be, akkor nagy valószínűséggel csak olyan pixelek lesznek a hőképünkön, melyek a tárgyfelület és a háttér átlaghőmérsékletét mutatnak. Ahhoz, hogy a mérések során eldönthessük, mi az adott hőkamerával mérhető legkisebb tárgy ill. mi a legnagyobb megengedhető mérési távolság (ez a két számérték természetesen egymástól függ), a hőkamera műszaki adatai között szerepel az IFOV paraméter (instantaneous field of view, legkisebb elemi látószög) paraméter. Az a számérték azt a látószöget adja meg, amelynek leképezése egy egyedülálló érzékelővel (képponttal) történik. Például az 1,5 mrad érték azt jelzi, hogy minden egyes pixelhez rendelt – a tárgyra vetített – mérési pont 1 m-es távolságon 1,5 mm átmérővel rendelkezik, 2 m távolságon pedig a kivetített felület 3 mm átmérőjű stb. (Ezt úgy kell elképzelni, mint a zseblámpa sugárnyalábját, amely a távolság függvényében egyre nagyobb átmérőjű körfelületet ölel át.) Szükség esetén megfelelő optika (speciális teleobjektív) alkalmazásával kell a geometriai felbontóképességet a tárgy méretéhez/távolságához hozzáigazítani.

Geometriai felbontás (forrás: Infratec)
Ábra: A hőkamera látómezője és geometriai felbontóképessége [forrás: Infratec]
Geometriai felbontás hatása (forrás: PIM)
Ábra: A geometriai felbontás hatása a mérési eredményre [forrás: PIM Kft.]

A lenti hőkép-sorozat bemutatja igen szemléletesen annak fontosságát, hogy a mérendő tárgy legalább háromszor nagyobb legyen az adott távolságban kivetített egyedi mérőfelületnél. Ettől eltérő esetben – példáúl, ha valaki helytelenül “áttekintő” hőképet készítene egy nagy kapcsoló- vagy elosztószekrénről – az egyedi mérőfoltok nemcsak a tárgy felületét, hanem annak hátterét is tartalmazhatja. Mivel a mérőfolton belül átlagolás történik, a háttér hőmérsékletének hatására a mérési eredmény kisebb vagy nagyobb is lehet a tárgy valódi hőmérsékleténél.

Geometriai felbontás hősugárzó mérésénél (forrás: PIM)
Ábra: A geometriai felbontás hatása. Hősugárzó felvétele 1,5 mrad értékkel, balra 2 m távolságból (maximum érték 261 °C), középen 1 m távolságból (maximum érték 320 °C), jobbra 0,2 m-ről (maximum érték 415°C) [forrás: PIM Kft.]

Az előzőek alapján már látható, hogy a hőkamera érzékelője által érzékelt hősugárzás mennyisége optikai összefüggésektől függ. Külön figyelmet érdemel ezért a helyes fókuszálás, mivel ennek elhibázása – az általános tévhit ellenében – nem csak életlen hőképekhez, hanem súlyos mérési hibákhoz is vezet.

Az optikai fókusz ugyanúgy “működik”, mint ahogy azt a fényképezésnél megszoktuk: a kamerán belüli gyűjtő- vagy fókuszlencse feladata, hogy a beérkező sugarakat az érzékelő felületére (a hagyományos fényképezés esetén a filmre) vetítse. Rossz fókusz esetén a sugarak az érzékelő síkja előtt vagy mögött kerülnek összegyűjtésre. Ilyenkor a kép életlen lesz. De hőkép esetében a baj nagyobb ennél: ugyanis a sugárzás valós mennyiségének csak egy része esik az érzékelőre, a többi annak környékére vetítődik. Ez ahhoz vezet, hogy a mért hőmérséklet egy magas hőmérsékletű pont (ún. hot-spot) esetén mindenképpen alacsonyabb lesz a valóságosnál. Minél rosszabb a fókuszbeállítás, annál nagyobb mértékben tér el a helyes értéktől.

Fókusz működése / hatása (forrás: PIM)
Ábra: Jó fókuszálás (bal oldal) , valamint rossz fókuszálás (jobb oldal) [forrás: PIM Kft.]

A jobboldali ábra mutatja, hogy – rossz fókuszálás esetén – az érzékelő felületére csak a beérkező sugárzás egy része esik (a többi sugárzás a környezetét éri). Tehát: rossz fókusz-beállítás esetén mindig alacsonyabb maximum-értékeket, valamint magasabb minimum-hőmérsékleteket mutat a hőkamera, mint amilyen a tárgy felülete a valóságban. Ez a hiba akár 20-30%-ot is elérhet.

Fókusz hatása (forrasztópáka mérése) (forrás: PIM)

Bal oldali kép: forrasztópáka felvétele
nagyon rossz fókuszálással
(maximum érték: 280°C)
Középső kép: forrasztópáka felvétele
kevésbé rossz fókuszálással
(maximum érték: 338°C)
Jobb oldali kép: forrasztópáka felvétele
tökéletes fókuszálással
(maximum érték: 428°C)

Ábra: A fókuszálás hatása [forrás: PIM Kft.]

 

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.