Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (PIM GmbH)
In unserem vorherigen Artikel haben wir erfahren, welche Rolle die verschiedenen Wärmebildkamera-Parameter spielen. Dabei haben wir auch die Bedeutung der Fokussierung erörtert, deren praktische Kniffe wir in diesem Artikel aufdecken. Des Weiteren werden die praktischen Temperaturgrenzwerte elektrischer Anlagen sowie Berechnungen zur Schätzung der erwarteten Temperaturen unter Nennlast erwähnt. Der Artikel wird durch Wärmebilder illustriert, die die thermografische Erkennbarkeit verschiedener elektrischer Fehler aufzeigen, entnommen aus dem Fachbuch "Thermografie - Theorie und praktische Messtechnik". Beim Umgang mit der Wärmebildkamera oder der Visualisierung von Wärmebildern hat sich wahrscheinlich fast jeder schon einmal gefragt, ob das, was er sieht, wirklich scharf ist. Die Wärmebilder - nicht nur aufgrund der geringeren Pixelanzahl im Vergleich zur Fotografie - wirken irgendwie leblos, da unser alltägliches Leben auf der reflektierten Lichtwahrnehmung und deren visueller (durch unser Gehirn durchgeführter) Auswertung basiert, während die Thermografie auf der Erfassung emittierter Strahlung beruht. Daher sind die Kontraste bei der Darstellung von Objekten ganz anders. Anstatt weiterer wissenschaftlicher Abhandlungen werfen wir einen Blick auf das erste Bild, das sofort auf das Problem hinweist. Nehmen wir eine schwach leuchtende herkömmliche Glühlampe mit einer Leistung von nicht mehr als 15 W (um unsere Augen nicht zu belasten). Schauen wir sie eingeschaltet an! Seltsamerweise sehen wir die Wendel nicht scharf, wir können nicht genau fokussieren, obwohl diese schwache Glühbirne nicht blendet. Nach dem Ausschalten stellen wir jedoch fest, dass wir aus derselben Entfernung und unter demselben Blickwinkel die Wolframwendel jetzt scharf sehen! Woran liegt dieser Unterschied? Im eingeschalteten Zustand dominiert die von der Wolframwendel emittierte Strahlung (Licht), wodurch die reflektierte Umgebungsbeleuchtung auf ihrer Oberfläche vernachlässigbar ist. Im ausgeschalteten Zustand hingegen ist nur das reflektierte Umgebungslicht wahrnehmbar, ebenso wie der deutlich sichtbare, "kalte" vertikale Halter im eingeschalteten Zustand.
Bei reflektiertem Licht ändert sich am Rand einer Objektoberfläche - ohne jeglichen Übergang - sofort die Lichtdichte und Zusammensetzung des Lichts, das zum Beobachter gerichtet ist. (Aufgrund der Winkelabhängigkeit der Reflexion.) Dank dieser plötzlichen und signifikanten Abweichung hebt sich das Objekt mit scharfem Kontrast von seiner Umgebung ab. Bei emittierter Strahlung hingegen erfolgt die Strahlungsemittierung in alle Richtungen, sodass je nach Geometrie des Objektrands eine allmähliche Veränderung (Abnahme) anstelle eines abrupten Strahlungsunterschieds in Richtung des Beobachtungspunkts auftritt, wodurch am Objektrand kein scharfer Kontrast entsteht. (Text des Autors des Artikels. Der in der Zeitschrift veröffentlichte fehlerhafte Absatz stammt nicht vom Autor.) Was im sichtbaren Lichtbereich gilt, trifft natürlich auch auf Wärmestrahlung zu. Am Rand von Objekten - aufgrund geometrischer Zusammenhänge - führt der allmählich abnehmende Emissionskoeffizient zu einer immer geringeren Strahlungsintensität in Richtung unserer Beobachtung - der Wärmebildkamera. Daher kann bei der Erstellung von Wärmebildern die gewohnte kontrastreiche Bildschärfe aus der visuellen Welt nicht existieren. Daher ist auch das Fokussieren schwieriger. Zur Linderung von Fokussierungsproblemen verfügen viele Wärmebildkameras über einen Autofokus. Der automatische Fokus bedeutet hier, dass die Software (im markierten Fokusbereich) nach den steilsten Temperaturgradienten sucht - also nach den Pixelgruppen, in denen bei kleinstem Pixelabstand der größte Temperaturunterschied vorliegt. Dies entspricht wahrscheinlich dem Rand eines erkannten Objekts. In einem nächsten Schritt erfolgt die optische Korrektur des Fokus, bis der zuvor gefundene Gradient seine maximale Steilheit erreicht. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass die Autofokusfunktion von Wärmebildkameras technische Grenzen hat - ähnlich wie bei den Fokusverfahren in der digitalen Fotografie. Sie funktioniert nicht, wenn es keine ausreichend steilen Temperaturgradienten am Objekt oder um das Objekt herum gibt, wenn sich das Objekt während des Fokussierens bewegt (oder die Wärmebildkamera nicht ausreichend ruhig gehalten wird), oder wenn sich in der Fokusebene Objekte mit unterschiedlichen Abständen zur Objektebene, aber mit stärkeren Temperaturgradienten befinden. Ausgehend davon ist es ratsam, ja sogar unerlässlich, sich mit den Möglichkeiten der manuellen Fokussierung zu befassen. Dazu ist es zunächst ratsam, auf die grau abgestufte Temperaturfarbskala der Wärmebildkamera umzuschalten, da mit dieser Skala die meisten Details erkannt werden können. Die Richtigkeit der Fokussierung kann überprüft werden, indem zwischen dem lokalen Minimum- und Maximum-Temperaturwert genau die größte Wertdifferenz bei korrekter Fokussierung angezeigt wird. Wenn das Objekt jedoch nicht über ausreichend steile Temperaturgradienten verfügt, um darauf fokussieren zu können, sollten wir die erforderlichen Temperaturunterschiede schaffen - zum Beispiel ist die ausgestreckte Hand unseres Helfers oder ein Lötkolben in vielen Fällen ideal dafür. Es ist jedoch wichtig, dabei das zu messende Objekt nicht zu berühren, um es nicht störend zu erwärmen.
Bei sehr präziser Fokussierung auf kleinen Objekten sollten wir uns nicht auf die emittierte Wärmestrahlung verlassen, wie am Anfang des Artikels beschrieben. Wenn im Bereich sichtbarer Strahlung bei reflektiertem Licht ein hoher Kontrast besteht und daher das Fokussieren einfacher ist, sollte dies auch für Wärmestrahlung gelten. Nutzen wir also diese Möglichkeit! Das Beispiel in Abbildung 2 zeigt eine Fokussierung für eine Messung, bei der aufgrund der besonders hohen optischen Vergrößerung die Tiefenschärfe minimal ist, daher ist eine korrekte Fokussierung äußerst kritisch. Die "Beleuchtung" mit einem Lötkolben und die daraufhin erzeugte reflektierte Wärmestrahlung lösen dieses Problem schnell und einfach.
Es stellt sich oft die Frage, wo die Grenze gezogen werden sollte, ab wann eine festgestellte Erwärmung als fehlerhaft oder sogar gefährlich angesehen werden sollte. Besonders schwierig ist die Entscheidung, wenn die thermografische Untersuchung bei einem Strom weit unterhalb der maximalen Belastung durchgeführt wurde. Um dieses Problem grundsätzlich zu vermeiden, sollte akzeptiert werden, dass thermografische Zustandsbewertungen an elektrischen Geräten nur bei einer Last von mindestens 50 % der Nennlast durchgeführt werden sollten. Nur bei einer Belastung von 30 % können grobe Fehler festgestellt werden.
Akzeptierte Grenzwerte und Entscheidungsregeln (bei mindestens 75 % Last): Allgemeine Grenzwerte im Vergleich zur Umgebungstemperatur Erwärmung 20 K ... 40 K: zu überprüfen Erwärmung 40 K ... 60 K: dringend zu überprüfen Erwärmung >60 K: kritisch Grenzwerte für Unterschiede zwischen Phasen Abweichung 5 K ... 20 K: zu überprüfen Abweichung 20 K ... 40 K: dringend zu überprüfen Abweichung >40 K: kritisch (** zwischen den Phasen) Grenzwerte je nach Isolationsmaterial: Gummikabel: max. 60°C PVC-Kabel: max. 70°C Silikonkabel: max. 180°C Weitere Grenzwerte: Elektromotoren (gemessen an Kühlrippen): je nach Typ und Kühlbedingungen Isolationsklasse "A" max. 60 ... 80°C Isolationsklasse "B" max. 95 ... 105°C Isolationsklasse "F" max. 115 ... 125°C Isolationsklasse "H" max. 140 ... 150°C Kunststoffummantelungen: je nach Material max. 50 ... 75°C Magnetschalter: typischerweise max. 85°C Transformatoren: typischerweise max. 85°C Innenraum von Schaltschränken (IEC/EN 60947-3): max. 35°C Stromschienen (DIN 43671): max. 65°C Externe metallische Kontakte (IEC/EN 60947-3): 80 K (im Vergleich zur Umgebung) Isolierte Kontakte (IEC/EN 60947-3): 70 K (im Vergleich zur Umgebung) Hinweis: Bei geringerer Belastung gelten niedrigere Grenzwerte als alle oben genannten.
Die Erwärmung entsteht aufgrund des transienten Widerstands des untersuchten elektrischen Geräts (Kabel, Schiene usw.), der zu einem Energieverlust in Form von Wärme führt. Das Gerät gibt diese Leistung durch Wärmestrahlung, Konvektion (in die Luft) und Wärmeleitung zu den angeschlossenen Elementen ab. Bei einer Belastung, die zum Zeitpunkt der Messung höher ist (sei es Strom oder Spannung), wird die zu erwartende Erwärmung hauptsächlich durch die last- und temperaturabhängige Widerstandsänderung des betreffenden Geräts (oder Kontakts) beeinflusst. Gleichzeitig wirken sich die erwartete verstärkte Wärmeleitung, Wärmestrahlung und konvektive Wärmeabgabe auf den Prozess aus. Diese Erwärmung könnte nur mit sehr komplexen mathematischen Beziehungen genau bestimmt werden.
Im stationären Zustand hängt die zu erwartende Temperatur in einem (angenommen unendlich langen) Schienen- oder Leitermaterial von der Temperatur des Objekts und der Umgebung, der Spannung und dem Strom ab, aber auch von vielen Materialparametern. Letztere umfassen den Stromausstoßfaktor (temperaturabhängig), den materialspezifischen Widerstand (temperaturabhängig), den strahlungsbasierten Wärmeübergangsfaktor, den konvektiven Wärmeübergangsfaktor sowie den Querschnitt des Leiters oder der Schiene. Die Gleichung, die all dies berücksichtigt, ist für die praktische Anwendung - insbesondere aufgrund schwer zugänglicher Materialparameter - ziemlich kompliziert, daher empfehlen wir die Verwendung der folgenden Schätzung. Vereinfachte Erwärmungsschätzung für Nennlastfälle Wenn angenommen wird, dass zwischen dem Lastzustand während der Messung und dem Nennlastzustand eine so geringe Temperaturerhöhung auftritt, dass die temperaturabhängige Änderung des materialspezifischen Widerstands vernachlässigt werden kann und weder der Stromausstoßfaktor noch die Wärmeübergangsfaktoren sich signifikant durch die beobachtete Temperaturerhöhung ändern, können die genannten Faktoren in der obigen Gleichung als konstant angesehen werden. (Dies gilt für Temperaturerhöhungen von einigen zehn Grad Celsius. Bei größeren Veränderungen sind diese Vereinfachungen jedoch nicht gültig, daher können die folgenden Gleichungen nicht angewendet werden.) Durch Anwendung der oben genannten Vereinfachungen ergibt sich folgende Gleichung:
Wo: θtn ... geschätzte Objekttemperatur bei Nennlast θtm ... Objekttemperatur zum Zeitpunkt der Thermografie-Messung θl ... Umgebungslufttemperatur (angenommen konstant) Um ... Spannung zum Zeitpunkt der Thermografie-Messung Im ... Strom zum Zeitpunkt der Thermografie-Messung Un ... Nennspannung In ... Nennstrom Bei Netzwerkausrüstungen (bei konstanter Spannung) können wir zur Schätzung der zu erwartenden absoluten Temperaturen verwenden:
Die geschätzten Temperaturen können dann mit den oben aufgeführten Grenzwerten verglichen werden.
In diesem Artikel versuchen wir anhand der Wärmebilder einige typische Fehler aufzuzeigen, die mit Thermografie entdeckt werden können. Das Laborversuchsbild einer lockeren Schraubenverbindung ist insofern sehr lehrreich, als dass die starke Erwärmung der Unterlegscheiben deutlich sichtbar ist. Der Grund dafür ist, dass der größte - erhöhte - Übergangswiderstand auf beiden Seiten der Unterlegscheiben liegt (hier tritt also der größte Spannungsabfall und die daraus resultierende Erwärmung auf), und gerade die unzureichende Verbindung der Unterlegscheiben mit den Muttern führt dazu, dass die entstandene Wärme nur in geringem Maße in die übrigen Teile der Struktur abgeleitet wird. Mit den bisherigen Teilen dieser Serie haben wir versucht, Fachleuten, die an Nieder- und Mittelspannungsanlagen arbeiten, fachliche Unterstützung für eine erfolgreiche praktische Anwendung der Thermografie zu bieten. In den kommenden Teilen werden wir dies durch zwei weitere Themen ergänzen: Untersuchungsverfahren zur Bewertung von Solaranlagen und die Vorstellung der sehr beliebten Drohnen-Thermografieanwendungen. Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu
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