Villanyszerelők lapja 2018.9. Villamos berendezések termográfiai állapotfelmérése II.

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

A cikksorozatunk múlt hónapban megjelent első része betekintést nyújtotta villamos elosztó-, kapcsoló- és vezérlőszekrények felmérésével kapcsolatos gyakorlati problémák egy részébe, a villamos berendezések fémfelületei tipikus hőreflexiójából vagy letakaró műanyagokból adódó megfigyelési nehézségekre és annak megoldási lehetőségeire, valamint a hőkamera adottságai alapján figyelembe veendő geometriai felbontás követelményére. A mostani, második részből megtudhatjuk, hogy mi a szerepe az olyan hőkamera-paramétereknek, mint a képfelbontás, a képrögzítési/képfrissítési frekvencia, a fókuszálás és mélységélesség. Általánosan dilemmás kérdés, hogy a hőkamera milyen pixelfelbontással (hány képponttal) rendelkezzen. A sokpixeles (valóban) professzionális hőkamerák nagy látómező mellett elegendően jó geometriai felbontással rendelkeznek, így kevés felvétellel felmérhetők és dokumentálhatók a nagyobb  kapcsolószekrények is. A gépbekötések vagy műhelyi elosztások szekrényei pedig tipikusan egyetlenegy hőképen rögzíthetők. Viszont a nagyobb képpontszámmal (nagyobb detektorral) rendelkező hőkamerák beruházási költsége is sokkal magasabb. Milyen hőkamera  beszerzése felel meg a mérési igényeknek, mely egyben még  gazdaságos is? E kérdés eldöntésére több szempont is átgondolandó: 1. milyen gyakran (talán ismétlően) végezzük a méréseket, 2. hány darab és mekkora méretű kapcsolószekrényünk van, és mi a legkisebb megfigyelendő alkatrész vagy vezeték bennük, 3. mit és hogyan kell dokumentálnunk? A kérdésekre adott válaszaink alapján nagyságrendileg felmérhető, hány darab helyszíni felvételre van szükségünk, utána hány hőképet kell kiértékelnünk. Különleges dokumentálási igények esetén talán az egyszerű jegyzőkönyvezésen túl még a hőképek (rengeteg időt felemésztő) montírozása is szükségessé válhat. Egy 1024x768 képpontos hőkamerával (megfelelő távolságból) felmérhető  egyetlen egy felvétellel egy maximum 0,5x0,7 m méretű  kapcsolószekrény, melyben 2 mm-t meghaladó átmérőjű kábelek találhatók. Ezt referenciának tekintve, a munkaidõigény az 1. táblázatban látható módon becsülhető.

hőkamera detektorának pixelmérete	1024 x 768	800 x 600	640 x 480	400 x 300	384 x 288	320 x 240	160 x 120	80 x 60
helyszíni adatrögzítési időszükséglet	1x	2x	3x	8x	9x	13x	54x	225x
jegyzőkönyvezési idő (montázs nélkül)	1x	2x	3x	8x	9x	13x	54x	225x
hőkép montírozási időszükséglet	nincs	1x	2x	3x	5x	6x	12x	96x
készülékár (referenciához képest)	1x	0,8x	0,7x	0,5x	0,4x	0,3x	0,1x	<0,1x

1. táblázat: hőkép-pixelszám és munkaszükséglet összefüggése A megfelelő hőkamera kiválasztása ezután a következő logikára alapozható: azt a hőkamerát kell válasz­tani, melynek ára a lehetőleg legnagyobb pixelszám mellett az elvégezendő munkavolumen (szekrények mennyisége · mérési gyakorisága · fenti időszorzó) és a rá vonatkozó 3* éves munkadíj szorzatánál éppen még alacsonyabb. (3 év a hőkamerák jelenlegi műszaki avulási idejének fele. Ez nem egyenlő a készülékek tipikus élettartamával.) Lényegesen drágábbat választani pocsékolás, az „olcsóbbak” pedig túlzott munkadíj-kiadást eredményeznének. A fenti gondolatmenettel kiválasztott hőkamera a harmadik évtől kezdve tiszta nyereséget produkál a kisebb pixelszámú versenytársaival szemben.

Képrögzítési/képfrissítési frekvencia

Szintén nem szőnyeg alá söpörhető műszaki paraméter a képrögzítési / képfrissítési frekvencia sem. Az elterjedt mikrobolométeres hőkamerák a képfelvételi frekvencia széles tartományát fedik le. Általában különbséget teszünk a lassú 9 ... 15 Hz, valamint a gyorsabb 50 ... 60 Hz, ill. max. 240 Hz képfrissítésű hőkamerák között. (Vannak még gyorsabb - akár 9 kHz - képfelvételi frekvenciát is biztosító hőkamerák is, melyek viszont e sebesség elérése érdekében fotondetektorokkal rendelkeznek.) Kevés kivétellel a termikus folyamatok rendszerint nagy időállandóval rendelkeznek, és ha a tárgy nem mozog, fenti (bolométerrel elérhető) képfrekvenciák bőségesen elégségesek. Vannak azonban nagyon gyors (tranziens) hőmérséklet-folyamatok illetve gyorsan mozgó mérési tárgyak, melyek rögzítéséhez lényegesen magasabb képfrekvenciák szükségesek. Például egy villamos berendezés bekapcsolás alatti melegedési folyamatának vagy egy szakaszoló terhelés alatti bontás ívoltás során fellépő hőmér­sékleteknek rögzítéséhez akár több kHz-es képfrissítések is szükségessé válhatnak. Akkor lehetnek komoly problémák, ha kézben tartott hőkamerával kívánunk kellőképpen részletes hő­képeket vagy akár nagyobb távolságú méréseket készíteni. A fényképezéssel kapcsolatosan ismert tény, hogy egy nyugodt kezű fényképész még 1/60-as zársebesség mellett is képes bemozdulás nélküli fény­képek készítésére (állvány nélkül). Egy "amatőr" bizonytalan keze pedig 1/125-ös zársebesség mellett is időnként bemozdult képeket eredményezhet. Ezek a zársebességek 17 ms ill. 8 ms érzékelési időt jelen­tenek. Mi ügyesség kell akkor ahhoz, hogy egy csak 9 Hz-es hőkamerával kézben tartva bemozdulatlan hőképeket rögzítsünk! Ehhez akár 30 ... 40 ms-on keresztül mozdulatlanul kellene tartanunk a hőkamerát! Más szóval: kézben tartva csak olyan hőkamerákkal lehet biztonságosan bemozdulás-nélküli hőképeket készíteni, melyek integrálási idejük 15 ms-nál rövidebb, tehát képfrissítése 50 Hz vagy gyorsabb.

Fókuszálás

Sajnos a mérési nehézségek között nemcsak a hőkamera kezelőjének felelőssége a reflexiók elkerülése szempontjából megemlítendő, hanem - mivel a hőkamerák optikai mérőeszközök - a korrekt fókuszálás is külön figyelmet érdemel. Ennek elhibázása - az általános tévhit ellenében - nem csak életlen hőképekhez, hanem súlyos mérési hibához is vezet. A fókuszálással összefüggésben áll a mélység-élesség tartománya is, amely elsősorban közeli felvételek esetében nagyon kicsi és így komoly korlátokhoz (és ezáltal súlyos mérési hibákhoz) 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. Téves fókuszálás esetén a sugárzás valós mennyiségének csak egy része esik az „éles” fókuszálás által meghatározott érzékelő-felületre, a többi annak környékére vetítődik. Ez ahhoz vezet, hogy a mért hőmérséklet helyi maximum esetében alacsonyabb, helyi minimum esetében pedig magasabb lesz a valóságosnál. Minél rosszabb a fókuszbeállítás, annál nagyobb az eltérés a valós értéktől.

Az 5. ábra mutatja, hogy rossz fókuszálás esetén az érzékelőmátrix korrekt leképzési felületére csak a beérkező sugárzás egy része esik, a többi sugárzás a környezetét éri. Tehát: rossz fókusz-beállítás esetén mindig kevésbé szélsőséges minimum/maximum-hőmérsékleteket mutat a hőkamera, mint amilyen a tárgy felületén a valóságban, erre mutat példát a 2–4. képsorozat.

A hiba (a helyi minimumérték növelésének illetve a helyi maximumérték csökkentésének) mértéke függ a mérési távolsággal összefüggő mélységélességtől, valamint a helyi minimum / maximum geometriai méretétől. Minél rövidebb távolságból (ebből adódóan annál kisebb mélységélesség mellett) történik a mérés, annál kritikusabb a pontos fókuszálás. A helyi minimum illetve maximum geometriai méretének (kiterjedésének) növekedésével pedig csökken az érték meghamisításának nagysága. A részleteket a 2. táblázat mutatja be.

	Kijelzett hőmérséklet-csúcsérték [°C]
100°C-os forró hely mérete	19x19 pixel	15x15 pixel	9x9 pixel	3x3 pixel
korrekt fókusz	100	100	100	100
1 pixelnyi rontás	99	98	97	93
2 pixelnyi rontás	98	97	95	88
3 pixelnyi rontás	96	96	93	84
5 pixelnyi rontás	94	93	90	78
10 pixelnyi rontás	90	88	83	69
20 pixelnyi rontás	84	81	75	60

2. táblázat: kijelzett csúcshőmérsékletek a forró hely mérete és a fókuszpontosság függvényében (100°C forró hely, valamint 20°C egyéb tárgyfelületi hőmérséklet esetén)

Mélységélesség-tartomány

A tárgy leképzése nem csak pontosan a hőkamera optikai rendszere által definiált, fókuszálással „élesre” beállított tárgysíkról megfelelő élességű, hanem a beállított távolságnál közelebbi és távolabbi tárgyakra nézve is, amelyek az ún. mélységélesség-tartományban helyezkednek el. A mélységélesség-tartomány a következő paraméterektől függ:

• minél kisebb az objektív fókusztávolsága, annál nagyobb lesz a mélységélesség-tartomány
• minél kisebb az apertúrablende (rekesz), annál nagyobb lesz a mélységélesség-tartomány
• minél nagyobb a tárgytávolság, annál nagyobb lesz a mélységélesség-tartomány

Következményként elsősorban nagyon közeli tárgyak felvétele során (pl. makrolencsés vagy mikroszkópobjektíves felvételek esetén), valamint az alacsony méréstartományokban alkalmazott nagy apertúrablende miatt nagyon kicsi a mélységélesség-tartomány terjedelme. A probléma ezért leginkább a (fotondetektorokhoz képest) lényegesen kisebb érzékenységű mikrobolométeres hőkamerákra jellemző, főleg kis tárgytávolságok esetében. Amennyiben a hiperfokális távolság n-edik részének megfelelő távolságra fókuszálunk, akkor a mélységélesség terjedelme nagyjából n² értékkel arányosan csökken. A mélységélesség határai szemléltetésére vegyünk alapul a következő paraméterű hőkamerát: detektor pixelméret (rp): 17 µm (átló) objektív: rekeszszám (k): 1 és fókusztávolság (f): 30 mm Fenti adatokból (rekeszszámból és fókusztávolságból) azonnal következik, hogy az objektív apertúra­blendéje 30 mm-es. Ebből pedig kiszámolhatjuk a hiperfokális távolságot (azaz azt a távolságot, melyre való fókuszáláskor a mélységélesség-tartomány a végtelenig terjedt). Az l hf = f x d irisz /r p közelítő egyenlettel ez jelen példa esetében 5,3 m-re adódik. Ilyenkor a mélységélesség közeli határa éppen a fókusztávolság fele, tehát 2,65 m. A mélységélesség közeli és távoli határai kiszámításához szükséges egyenletek mellőzésével, azok értékeinek grafikus ábrázolása a 6. képen látható. Az éppen kiválasztott fókusztávolságtól függően kapunk tehát az itt jelzett határain belül éles hőképet – távoli fókuszáláskor széles távolságtartományban, közeli fókusz esetében azonban csak egy nagyon szűk tartományon belül.

(Folytatása következik!) 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.