Fot. 1. Kamera termowizyjna Testo podczas kontroli instalacjiKamery termowizyjne stały się już niemal podstawowym narzędziem w diagnostyce maszyn i urządzeń elektroenergetycznych. Tych, którzy podchodzą jeszcze sceptycznie do termowizji, przekonuje szybkość, łatwość i obrazowość badań. Co najważniejsze, są to badania bezinwazyjne i niezwykle precyzyjne. Aby jednak wyniki badań termowizyjnych były miarodajne, należy wykonać je bardzo dokładnie, trzymając się zasad pozwalających na uniknięcie błędów. Co więc zrobić, aby badania termowizyjne odzwierciedlały rzeczywistą kondycję sprawdzanych urządzeń? Oto kilka rad.
Badania termowizyjne są szybką i efektywną metodą diagnostyczną. Należy jednak pamiętać, że ich efektywność zależy od prawidłowej interpretacji otrzymanych wyników. W przypadku badań termowizyjnych warunki, w których wykonywane są pomiary mają zasadnicze znaczenie – występują bowiem duże różnice wynikające z faktu prowadzenia pomiarów w pomieszczeniach i na otwartej przestrzeni, a także w różnych warunkach atmosferycznych.
Na ogół w pomieszczeniach panują dobre warunki pomiarowe. Brak wiatru i w miarę stała temperatura zdecydowanie ułatwiają interpretację wyników. Są jednak sytuacje, które mogą wpływać na jakość pomiarów prowadząc wręcz do ich dyskwalifikacji. Zdecydowanie należy unikać badań w przegrzanych pomieszczeniach. Wynika to przede wszystkim z maksymalnej temperatury dopuszczającej pracę kamery termowizyjnej, która standardowo wynosi +50°C. Wysoka temperatura wpływa także na komfort pracy operatora kamery, który w zbyt gorącym powietrzu nie będzie w stanie odpowiednio skupić się na wykonywanych czynnościach. Nieodpowiednie warunki panują również w pomieszczeniach z silnymi polami elektromagnetycznymi.
O wiele trudniejsze są badania w otwartej przestrzeni, na wynik ma bowiem wpływ cała gama czynników. Optymalne warunki dla badań „terenowych” to bezwietrzna noc przy pełnym zachmurzeniu oraz znacznym obciążeniu badanego obiektu. Badania urządzeń elektroenergetycznych można prowadzić również w dzień, nie mogą się jednak odbywać przy bezpośrednim nasłonecznieniu obiektów - w letni dzień nawet promieniowanie rozproszone przez chmury zauważalnie zniekształca pole temperatury obiektów.
Fot. 2. Kamera termowizyjna Fluke podczas diagnostyki elektroenergetycznych linii przesyłowych. Przetwarzanie obrazu zapewnia przetwornik o rozdzielczości 320×240. Czułość termiczna (NETD) umożliwia identyfikację nawet najmniejszych różnic temperatur, które mogą wskazywać na problemy. Obrazy w podczerwieni i w paśmie światła widzialnego są nakładane automatycznie.Warunki atmosferyczne mogą zniekształcić badanie również „w drugą stronę”. Padający deszcz i śnieg powodują silne schłodzenie badanych obiektów i spłaszczenie rozkładu temperatury. Niekorzystnie działa również porywisty wiatr, silnie schładzający obiekty o małej bezwładności cieplnej lub niskim przewodnictwie cieplnym.
Wiatr, wbrew pozorom, ma również wpływ na pomiar dokonywany w pomieszczeniu. Przeciąg to przecież taki sam ruch powietrza. Ruch powietrza nie tylko zmienia temperaturę powierzchni badanego obiektu. Na skutek wymiany ciepła (konwekcji) powietrze znajdujące się blisko powierzchni ma taką samą temperaturę jak mierzony przedmiot. Przy dużym przepływie powietrza lub przeciągu ta warstwa powietrza jest „zdmuchiwana” i zastępowana nową warstwą powietrza, która nie dostosowała się jeszcze do temperatury mierzonego przedmiotu. To także zakłóca odczyt. Kolejnym czynnikiem wpływającym na poprawność pomiaru, zarówno w pomieszczeniach, jak i poza nimi, jest duża wilgotność powietrza. Powoduje to zmianę własności transmisyjnych powietrza i osłabienie sygnału docierającego do kamery termowizyjnej. Podobnie działać mogą wszelkiego typu zanieczyszczenia. Kurz, pył, sadza i dym oraz niektóre opary mają wysoką emisyjność i są praktycznie nieprzenikalne. Oznacza to, że mogą one zakłócać pomiar, ponieważ emitują własne promieniowanie podczerwone, które jest odbierane przez kamerę termowizyjną. Ponadto, podobnie jak w przypadku pary wodnej, tylko część promieniowania podczerwonego mierzonego przedmiotu może przedostać się do kamery termowizyjnej, ponieważ zostaje ono rozproszone i pochłonięte przez zanieczyszczenia unoszące się w powietrzu.
Jednym z dość powszechnie obserwowanych błędów jest nieprawidłowe ustawienie emisyjności. A dlaczego jest ono tak ważne? Zacznijmy od teorii tego zjawiska. Każdy przedmiot posiada swoją indywidualną emisyjność. Jest to zdolność materiału do emitowania (oddawania) promieniowania podczerwonego. Parametr ten zależy od właściwości podłoża, materiału oraz, w przypadku niektórych materiałów, także od temperatury mierzonego przedmiotu. Materiały niemetaliczne takie jak np. PVC, beton czy substancje organiczne mają wysoką emisyjność w zakresie długich fal promieniowania podczerwonego, która nie zależy od temperatury. Z kolei metale, szczególnie te o błyszczącej powierzchni, mają niską emisyjność zmieniającą się wraz z temperaturą.
Aby wyniki badania były prawidłowe, należy ustalić emisyjność badanego obiektu. Jak to zrobić? Można odnieść się do dostępnych tabel emisyjności, trzeba jednak pamiętać, że wartości podane w tabelach są tylko i wyłącznie wartościami wytycznymi. W przypadku konkretnych obiektów ich emisyjność może różnić się od danych tabelarycznych.
Innym sposobem na określenie emisyjności jest dokonanie pomiaru referencyjnego za pomocą termometru kontaktowego. Jest to bardzo proste - najpierw mierzymy temperaturę powierzchni mierzonego przedmiotu za pomocą termometru kontaktowego, a następnie za pomocą kamery termowizyjnej przy ustawieniu emisyjności na jeden. Różnica pomiędzy otrzymanymi wartościami oznaczać będzie zbyt wysoko ustawioną wartość emisyjności. Stopniowo obniżając ustawienie emisyjności na kamerze można zmienić wynik pomiaru temperatury aż do momentu, gdy będzie ona odpowiadać wartości otrzymanej podczas pomiaru kontaktowego. Tak więc, gdy różnica temperatur mierzonych za pomocą termometru kontaktowego i kamery wynosić będzie 0, ustawienie emisyjności będzie prawidłowe.
Fot. 3. Widok obiektu w rzeczywistości i jego obraz termowizyjny.Emisyjność można również określić wykorzystując tylko kamerę termowizyjną. W tym celu potrzebna będzie jeszcze taśma z określoną emisyjnością (dostępna u dystrybutorów kamer termowizyjnych) lub alternatywnie farba o znanej emisyjności, olej odporny na wysokie temperatury (emisyjność około 0,82) lub sadza (emisyjność około 0,95). Aby dokonać pomiaru należy umieścić kawałek taśmy z określoną emisyjnością (lub substancji alternatywnej) na mierzonym przedmiocie. Odczekać krótką chwilę, a następnie dokonać pomiaru temperatury powierzchni mierzonego przedmiotu na zaklejonym obszarze za pomocą kamery termowizyjnej przy emisyjności ustawionej dla taśmy klejącej (lub innej wykorzystywanej substancji). Ta temperatura będzie temperaturą referencyjną. Następnie należy wyregulować ustawienia emisyjności aż do momentu, gdy pomiar temperatury przy pomocy kamery termowizyjnej będzie miał taki sam wynik dla obszaru niezaklejonego jak temperatura referencyjna. Tak ustawiona emisyjność odpowiada emisyjności powierzchni mierzonego przedmiotu.
RTC to kompensacja temperatury odbitej (reflected temperature compensation). Jest to kolejna zmienna w kamerze termowizyjnej, od ustawienia której zależeć będzie dokładność pomiaru.
Zacznijmy jednak od tego, że po usunięciu wszystkich możliwych źródeł zakłóceń, które mogłyby wpływać na pomiar, temperatura odbitego promieniowania podczerwonego jest taka sama jak temperatura otoczenia. Można ją zmierzyć za pomocą termometru. Na tej podstawie RTC może zostać wprowadzone do kamery termowizyjnej. Często jednak w pobliżu badanego obiektu obecne są inne źródła promieniowania. W takim przypadku, aby pomiar był właściwy, należy określić temperaturę odbitego promieniowania.
Najlepiej w tym celu posłużyć się radiatorem Lamberta. Jest to przedmiot odbijający przypadkowe promieniowanie z optymalnym rozproszeniem, czyli równo we wszystkich kierunkach. Pozwala to na zmierzenie temperatury promieniowania odbitego kamerą termowizyjną na powierzchni radiatora. Radiator Lamberta można zastąpić kawałkiem zgniecionej, a następnie rozwiniętej folii aluminiowej. Ponieważ folia posiada wysoki współczynnik odbicia, a dzięki pomarszczonej strukturze odbicie rozproszone promieniowania jest bliskie ideałowi, pomiar na powierzchni folii będzie bardzo dokładny.
W celu zmierzenia temperatury promieniowania odbitego należy umieścić radiator Lamberta (lub wspomnianą folię aluminiową) niedaleko mierzonego przedmiotu lub na jego powierzchni. Następnie trzeba zmierzyć temperaturę radiatora przy emisyjności ustawionej na jeden. Kamera dokona obliczenia temperatury promieniowania incydentalnego. Wartość tą wprowadzamy jako RTC do kamery.
Pole widzenia (FOV) kamery termowizyjnej określa obszar widoczny za pomocą kamery termowizyjnej. Wielkość tego obszaru zależy od ogniskowej obiektywu kamery (im większa ogniskowa tym mniejsze pole widzenia). Ponadto należy poznać dane najmniejszego identyfikowalnego przedmiotu (IFOVgeo) dla danej kamery termowizyjnej. Określa to rozmiar piksela według odległości. Dla przykładu, przy rozdzielczości przestrzennej obiektywu wynoszącej 3,5 mrad oraz odległości pomiarowej 1m, najmniejszy identyfikowalny przedmiot (IFOVgeo) ma długość krawędzi równą 3,5 mm i jest pokazany na wyświetlaczu jako piksel. W celu otrzymania dokładnych wyników pomiaru mierzony obiekt powinien być kilkukrotnie większy niż najmniejszy identyfikowalny przedmiot (IFOVgeo).
Każda osłona badanego odczytu zakłóca odczyt kamery termowizyjne. Przykładem niech będzie tu szkło, które wprawdzie dla oka jest przezroczyste, nie przepuszcza jednak bez przeszkód promieniowania podczerwonego. Dlatego pomiaru należy dokonywać przy zdjętych osłonach każdego typu. Jeżeli osłona nie zostanie zdjęta, kamera termowizyjna zmierzy temperaturę na jej powierzchni, a nie na powierzchni badanego obiektu.
Pamiętajmy, że nawet gdy badania termograficzne zostały przeprowadzone niezwykle starannie, przy zachowaniu wszystkich reguł oraz w warunkach zbliżonych do ideału, nie zapewnia nam to 100% sukcesu. Zawsze istnieje bowiem ryzyko związane z błędną interpretacją obrazu termicznego. Nieprawidłowa interpretacja może wynikać chociażby z nieznajomości kształtu mierzonego przedmiotu. Warto analizować więc termogramy porównując je z rzeczywistym badanym przedmiotem lub jego zdjęciem czy rysunkiem.
Warunki dobrego pomiaru: