Wykorzystanie termowizji w badaniach instalacji elektrycznych w budynkach

Promieniowanie podczerwone leży między widzialną (światło widzialne) a niewidzialną (mi­krofale) częścią widma elektromagnetycznego.

Źródłem tego promieniowania jest ciepło, dlatego często nazywane jest promieniowaniem cieplnym. Każde ciało o temperaturze powyżej zera bezwzględnego (-273,15°C) emituje promieniowanie w zakresie podczer­wonym. Nawet ciała, które wydają się nam bardzo zimne, np. lodowce, emi­tują promieniowanie podczerwone. Działania promieniowania podczer­wonego doświadczamy na co dzień. Przykładowo ciepło, które czujemy od słońca, ognia czy komputera, jest podczerwienią. Pomimo że nie widzą go nasze oczy, na ciepło reagują re­ceptory naszej skóry. Im cieplejsze jest ciało, tym więcej promieniowania podczerwonego emituje.

Rys. 1 Widmo promieniowania podczerwonego [1]

Obecnie, aby zobrazować/zmierzyć promieniowanie podczerwone, wyko­rzystujemy np. pirometry oraz kamery termowizyjne. Które z tych urządzeń będzie dla nas wygodniejsze w pracy? Z praktycznego punktu widzenia lep­szym rozwiązaniem będzie dla nas kamera termowizyjna. Dlaczego? Niech mi będzie wolno posłużyć się przykła­dem. Rozważmy następujące zadanie. Mamy znaleźć wadliwy bezpiecznik spośród trzech widocznych na rys. 2. Jak możemy wskazać uszkodzony ele­ment? Najczęściej zadanie będzie po­legało na wskazaniu elementu, który się przegrzewa, tj. jego temperatura jest znacznie wyższa od pozostałych. A więc bierzemy w dłoń pirometr/kamerę i staramy się sprawdzić temperaturę na poszczególnych bezpiecznikach.

Należy zauważyć, że pirometr ze wskaźnikiem laserowym nie odczy­tuje temperatury z jednego punktu (miejsca, gdzie pada laser – widoczna kropka na obiekcie), ale uśrednia tem­peraturę z pewnego obszaru (jakiego to zależy od klasy pirometru), którym dysponujemy.

Wyniki, które otrzymamy, dla po­szczególnych bezpieczników znajdzie­my na rys. 4.

W tym momencie może nasunąć się pytanie, czy nie można tego pomiaru wykonać szybciej? Można. Z pomocą przychodzą kamery termowizyjne.

Promieniowanie podczerwone zostało odkryte w 1800 r. przez brytyjskiego astronoma sir Fredericka Williama Herschela. Poszukując filtrów do swojego teleskopu, Herschel się zastanawiał, jaki kolor powinien mieć nowy filtr, aby przepuszczał jak najmniejszą ilość energii, tak aby obserwując niebo, nie uszkodzić własnego wzroku. Podczas jednego z eksperymentów przepuścił on światło słoneczne przez pryzmat, aby otrzymać barwne widmo (tęczę), następnie korzystając z termometrów rtęciowych, zmierzył temperaturę każdego z kolorów. Odkrył, że temperatura barw wzrasta od fioletowej do czerwonej części widma. Herschel postanowił zmierzyć temperaturę tuż za czerwoną częścią widma, w miejscu gdzie światło słoneczne nie było już widoczne. Ku swemu zaskoczeniu dostrzegł, że temperatura w tym rejonie jest najwyższa ze wszystkich. W ten sposób odkrył, że istnieje niewidzialna (dla ludzkiego oka) część widma, która przenosi największą ilość energii w postaci ciepła. Herschel nazwał tę część spektrum „niewidocznym widmem termometrycznym”, w późniejszym czasie nazwa ewoluowała i dziś znana jest jako „podczerwień”.

Rys. 3 Pomiar temperatury pirometrem to uśrednienie z pewnego obszaru [2]

Dlaczego pomiar kamerą termowi­zyjną jest szybszy? Zasada działania kamery mikrobolometrycznej (kamery stosowane do pomiarów w energety­ce oraz budownictwie posiadają detek­tory tego typu) oraz pirometru jest taka sama. Natomiast znaczącą różnicą jest liczba punktów pomiarowych obu urządzeń. W pirometrze mamy dostępny jeden element rejestrujący promieniowanie podczerwone, z kolei w kamerze mamy co najmniej 4800 punktów pomiarowych (najprostsza kamera FLIR E4 posiada detektor 60×80 pikseli), co pozwala na uzyskanie obrazu 2D przedstawiającego rozkład promieniowania emitowanego z powierzchni obserwowanego obiek­tu. Obraz ten – termogram – pozwala na szybkie wskazanie najcieplejszego oraz najchłodniejszego punktu, co umożliwia szybkie wskazanie prze­grzewającego się bezpiecznika. Zasada działania pirometrów/kamer termowizyjnych (rys. 6) w bardzo dużym skrócie polega na rejestracji promieniowania podczerwonego, emi­towanego z każdego obiektu z oto­czenia, poprzez detektor podczerwie­ni (C). Zanim promieniowanie dotrze do detektora, musi przejść przez układ optyki (B), wykonany najczęściej z germanu lub krzemu, który absorbu­je część promieniowania. Elektronika (D) w kamerze przetwarza zareje­strowany sygnał na obraz (E), który możemy zobaczyć i zapisać w formie filmu lub zdjęcia.

Rys. 4 Pomiar temperatur poszczegól­nych bezpieczników za pomocą pirometru [2]

Bardzo często osoby mające za za­danie wykonać pomiary termowizyjne uważają, że jedynym urządzeniem, jakiego potrzebują, aby wykonać swo­ją pracę, jest kamera termowizyjna. Jednakże czasem konieczne jest wy­konanie dodatkowych pomiarów wspomagających odczyty kamery, dlacze­go? Przypomnijmy sobie, że kamera termowizyjna służy jedynie do reje­stracji i wizualizacji promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię obserwowanego przez nas obiektu i nic poza tym. Odpowied­nio kompensując pomiar, możemy rów­nież wyznaczyć temperaturę obser­wowanego obiektu, jednak aby podjąć decyzję o remoncie lub wymianie dane­go urządzenia, może się okazać, że ko­nieczne jest wykonanie dodatkowych pomiarów za pomocą specjalistycz­nych mierników. O jakich miernikach mowa? Przykładowo, jeśli interesują nas pomiary instalacji niskiego na­pięcia, bardzo przydatny może się okazać miernik cęgowy, który pokaże obciążenie badanego elementu. War­to wspomnieć, że miernik ten powi­nien być wyposażony w funkcję „true RMS”, aby mógł pokazać obciążenie nowoczesnych (obecnie stosowanych) urządzeń elektrycznych.

Rys. 5 Szybki pomiar kamerą termowi­zyjną ze wskazaniem gorących punktów [2]

Przystępując do pomiarów, warto również zgromadzić jak najwięcej in­formacji o badanym obiekcie, np. dla instalacji elektrycznych interesujące mogą być następujące parametry: do­puszczalne obciążenie elementu (urzą­dzenia), czas użytkowania, dokonane naprawy, wcześniejsze wyniki pomia­rów. Rozpoczynając pracę, pierwszą czynnością, jaką należy wykonać, jest zidentyfikowanie możliwych wzorców świadczących o niepoprawnym działa­niu badanego elementu.

Najczęstszym błędem popełnianym przez początkujących termografistów jest chęć pomiaru temperatury każdego elementu badanego urządze­nia. Na przykład na rys. 7 widoczny jest stycznik z dochodzącymi do niego przewodami. Czy urządzenie to pracuje poprawnie, czy wykazuje jakąś nieprawidłowość w działaniu?

Aby odpowiedzieć na te pytania, mu­simy rozważyć budowę urządzenia. Obudowa stycznika oraz izolacja prze­wodów wykonane są z PVC (materiał ten jest izolatorem elektrycznym). Natomiast przyłącza i styki są metalowe. Na termogramie (rys. 7) wi­dać dwa punkty pomiarowe, pierwszy umieszczony na powierzchni przewo­du (PVC), a drugi na powierzchni me­talowego styku. Odczyty temperatur różnią się o 15,9°C na długości około 2 cm. Czy to możliwe? Nie, różnica temperatur wynika z właściwości materiałów do emitowania promie­niowania podczerwonego – materiały mają różne współczynniki emisyjności. Emisyjność metali wynosi około 10%, a dla izolatorów współczyn­nik ten przekracza 90%. Pozostała część rejestrowanego przez kamerę promieniowania pochodzi z odbicia energii emitowanej przez otocze­nie badanego urządzenia. Wniosek z tego przykładu jest następujący: chcąc mierzyć temperaturę, koniecznie musimy wprowadzić do kamery współczynnik emisyjności badanego materiału. Jeśli badane urządzenie zbudowane jest z 5 czy 10 różnych materiałów, każdy z nich może mieć inną emisyjność. Chcąc mierzyć temperaturę każdej części naszego urządzenia, musielibyśmy dla każdej składowej wprowadzić jej emisyjność, a następnie doko­nać odczytu temperatury, pamiętając przy tym o uwzględnieniu odbicia, odległości, wilgotności, temperatury powietrza.

Rys. 6 Zasada działania kamery termowizyjnej [1]