Villanyszerelők lapja 2011.9. Villamos berendezések termográfiai vizsgálata II.

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

A villamos berendezések termográfiájával kapcsolatos korábbi cikkünket kiegészítve, jelen publikációval további gyakorlati tanácsokat kívánunk adni ahhoz, hogy az ilyen jellegű méréseket kivitelező szakemberek minél hatékonyabban és minél kisebb mérési hibával tudják a berendezések valódi hőmérsékletét meghatározni. Abból kiindulva, 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, 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 teszi lehetővé . Erre alapvetően kétféle kategóriájú eszköz áll rendelkezésre: az infrahőmérők (sajnos gyakran hibásan „ ponthőmérőnek " vagy még inkább tévesen  ,,lézeres hőmérőnek" elnevezve), vagy a felületi hőmérséklet-eloszlás grafikai megjelenítésre alkalmas hőkamerák, illetve termokamerák, infrakamerák. Mindkét eszköz legnagyobb előnye az, 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 azt, hogy mindkét mérőeszköz-típus az infravörös sugárzás (hősugárzás) érzékelése alapján határozza meg a tárgyfelület hőmérsékletét, melynek igen komoly fizikai (elméleti) határai vannak. Ezek gyakorlati kihatásai a következők.

• Kültéri mérések (pl. transzformátorok és távvezetékek) a hőreflexiók és a zavaró hát, térsugárzás 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, illetve 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 arra,hogy a feltűnő hőmérséklet-jelenség (pl. forró pont) a mérési helyzet változtatásával „elvándorol-e" vagy sem. Ha változik a helye hőképünkön, akkor valamilyen mögöttünk lévő pontszerű hőforrás reflexiójáról van szó, ha nem „mozog", akkor valóban magas hő­mérsékletű pontról van szó.
• Nagyobb teljesítményű/feszültségű elosztóknál gyakoriak 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 ne a sín felületére merőlegesen, hanem kb . 75-80°-os szögből végezzünk el. Ezzel a trükkel kiküszöböljük saját  testhőmérsékletünk reflexióját az áramsíneken.
• Amennyiben a tükröződések miatt (pl. új polírozott fémfelületű berendezések esetén) lehetetlen kiértékelhető méréseket végezni, úgy 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 - azok infrasugárzás-elnyelése miatt - nem lehet érintésmentes hőmérsékletméréseket végezni . Ezeket a burkolatokat - ha lehetséges - a mérés előtt (feszültségmentes állapotban!) le kell szerelni, illetve ki kell nyitni.

Úgyszintén a gyakorlati mérések kivitelezése során figyelembe veendő az, hogy az infrahőmérők és a hőkamerák egyaránt optikai műszerek, amelyek csak adott geometriai felbontással képesek a mért tárgyfelület egy-egy részéről a hősugárzás érzékelésére. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy kis méretű tárgyak vagy nagy távolságból (pl. távvezetékeken) történő mérések esetén figyelembe veendő az alkalmazott érintésmentes hőmérsékletmérő eszköz (akár hőkamera, akár infrahőmérő) által nyújtott geometriai felbontás . Túl kicsi tárgyak vagy túl nagy távolságokból történő mérések esetén a háttér és a tárgy hő­mérsékletének átlagolása révén (magasabb hőmér­sékletű tárgyat feltételezve) téves, túl ala- csony tárgyhőmérsékletek kerülnek kijelzésre. Minél nagyobb a tárgy és a háttér hőmérsékletének különbsége, annál nagyobb lesz a mérés hibája is! További fontos szempontok és szabályok Az infrahőmérők esetén az optikájukra jelemző 20: 1, 30: 1 vagy 50: 1, illetve 60: 1 érték dönti el, hogy egyáltalán ezek mennyire  alkalmasak villamos berendezések hőmérsékletének mérésére, valamint mekkora a legkisebb mérhető tárgy, illetve legnagyobb mérési távolság. 20: 1 optikával rendelkező infrahőmérő esetén 20 m távolságból egy 1 m átmérőjű, köralakú 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. Egy 60:1-es műszerrel 1 m távolságból akár 16 mm méretű tárgy hőmérséklete is 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 (pixel) 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 mutatják. Ahhoz, hogy a mérések során eldönthessük, mi az adott hőkamerával mérhető legkisebb tárgy, illetve mi a legnagyobb megengedhető mérési távolság (ez a két számérték természetesen egymástól függ), a hőkamera műszaki adatai között szereplő IFOV paramétert  (instantaneous field of view, legkisebb elemi látószög) kell ismerni . Ez a számérték azt a látószöget adja meg, amelynek egy egyedülálló érzékelő (képpont) leképezését jellemzi. 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.

A mellékelt hőkép-sorozat (8. ábrák) igen szemléletesen mutatja be annak fontosságát, hogy a mérendő tárgy legalább háromszor nagyobb legyen az adott távolságban kivetített egyedi  mérőfelületnél. Ettől eltérő esetben - például, ha valaki helytelenül „áttekintő" hőképet készítene egy nagy kapcsoló- vagy elosztószekrényről - az egyedi mérőfoltok nemcsak a tárgy felületét, hanem annak hátterét is tartalmazhatják. Mivel a mérőfolton belül átlagolás történik, a háttér hőmérsékle­tének hatására a mérési eredmény kisebb vagy nagyobb is lehet a tárgy valódi hőmér­sékleténél. 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 tévhittel szemben - 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. Hőkép esetében a baj nagyobb ennél: a sugárzás valós mennyiségének ugyanis 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 roszszabb a fókuszbeállítás, annál nagyobb mértékben tér el a mért érték a valódi értéktől. 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 hőmérsékleteket mutat a hőkamera, mint amilyen a tárgy felülete a valóságban . Ez a hiba akár a 20-30%-ot is elérheti!

Megjegyzés az infrahőmérőkkel kapcsolatosan:Gyakori tévedés, hogy ezek lézerpont révén mérnek, vagy -  ugyanúgy tévesen - éppen 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 hőmérsékletmérés a felületről kisugárzott hősugárzás érzékelésével történik arra érzékeny detektor alkalmazásával, majd a sugárzás-intenzitás mértékét számítják át - a tárgy emissziójának ismeretében - hőmérséklet-értékké. A hősugárzás érzékeléséhez természetesen sem fény, sem lézersugár nem szükséges. Rahne Eric okl. villamosmérnök (BME) rezgésdiagnosztikai szakértő termográfiai szakértő (Thermograph Level3) 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.