Wykorzystanie termowizji w badaniach instalacji elektrycznych w budynkach

01.12.2015

Kamery termowizyjne z powodzeniem są stosowane do badania instalacji elektrycznych, ułatwiają np. lokalizowanie przegrzewających się elementów.

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.

 
 
Rys. 2 Który z bezpieczników jest najcieplej­szy? [2]
 

 

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]

 

Nasuwa się więc pytanie, czy temperatura jest aż tak ważna? Nie, używając kamer termowizyj­nych, w pierwszej kolejności szukamy wzorców termicznych na powierzchni badanego urządze­nia, które świadczą, że obiekt działa nieprawidło­wo. Następnie się zastanawiamy, co może być przyczyną takiej nieprawidłowości w rozkładzie temperatur, a dopiero później myślimy o pomia­rze temperatury wybranego elementu. Warto zauważyć, że aby móc stwierdzić nieprawidło­wości we wzorcach termicznych, trzeba mieć wzorzec referencyjny, co oznacza, że pomiary kamerą termowizyjną powinny być wykonywane okresowo, tak abyśmy byli w stanie wychwycić zmiany w instalacji, zanim dojdzie do usterki lub kosztownej awarii.

Jeśli chcemy wykonywać inspekcje instalacji elek­trycznych, powinniśmy posiadać wiedzę z zakre­su elektryki oraz podstawowe informacje na te­mat zasady działania niektórych typów urządzeń elektrycznych. Dodatkowo powinniśmy pamiętać, że pod potoczną nazwą „prąd” kryje się ruch elek­tronów przez przewodnik, najczęściej poprzez miedź lub w przypadku starszych typów instalacji – aluminium. Elektrony przepływające przez prze­wodnik doznają tarcia (oporu) ze strony przewod­nika. Tarcie wraz z potencjałem napięciowym na końcach przewodnika determinują wielkość prądu przepływającego przez przewodnik. Tarcie w prze­wodniku wytwarza ciepło, które powoduje wzrost temperatury przewodów (przewodnika) i jest naj­zwyczajniej stratą energii – możemy to wykryć za pomocą kamery termowizyjnej. Jeśli przez dany przewód/styk będzie przepływał większy „prąd” lub będzie większy opór, wzrosną również stra­ty energii – będziemy to mogli zobaczyć kamerą termowizyjną – przewód będzie cieplejszy niż na obrazie referencyjnym.

 

Rys. 7 Stycznik – z lewej zdjęcie cyfrowe, z prawej termogram [2]

 

Termogram rys. 8 przedstawia wycinek instalacji elektrycznej. Po zawężeniu zakresu prezentowa­nych temperatur jeden z przewodów znacząco się wyróżnia na tle pozostałych (jest jaśniejszy, co zgodnie ze skalą temperatur oznacza, że jest cieplejszy od pozostałych). Oznacza to, że na styku zaistniał jakiś problem, np. styk może być zaśniedziały lub poluzowany. Aby sprawdzić, czy w tym miejscu występuje problem, dodajemy punkty pomiarowe, które pozwalają na miejscowy odczyt temperatury (pamiętamy o emisyjności). Wyniki, jakie otrzymujemy, to przeszło 90°C na izolacji przewodu, co przekracza dopuszczalny przez większość producentów poziom tempera­tur (najczęściej stosowane izolacje przewodów wytrzymują temperatury do +70/75°C). Z tego względu możemy wnioskować, że w miejscu sty­ku występuje problem, który należy niezwłocznie usunąć. Jeśli to zlekceważymy, może dojść do stopienia izolacji, co w konsekwencji może dopro­wadzić do pożaru.

 

Rys. 8 Przegrzewający się przewód [2]

 

Zastosowań kamer termowizyjnych jest wiele, z powodzeniem mogą być również wykorzystane do badania instalacji elektrycznych, w których szybko pomogą zlokalizować przegrzewające się elementy. Badając instalacje w modernizo­wanych budynkach, większość defektów będzie wynikała ze starzenia się przewodów, styków, bezpieczników.

Czasem, aby rozwiązać problem, wystarczające będzie przeczyszczenie styku i ponowne skręce­nie, a niekiedy konieczna będzie wymiana wadli­wego elementu.

Kluczową sprawą w badaniu instalacji elektrycz­nych jest okresowe wykonywanie przeglądów za pomocą kamery termowizyjnej. Pozwala to na śledzenie trendów temperatur na poszcze­gólnych elementach, co umożliwia wychwyce­nie drobnych usterek, zapobiegając powstaniu awarii.

 

mgr inż. Jarosław Knapek

EC TEST SYSTEMS

 

Bibliografia

1. FLIR Systems AB. Thermal imaging for electrical/ mechanical diagnostics. Discover a wide variety of Applications, 2011.

2. Materiały seminaryjne firmy EC Test Systems, FLIR Systems, 2012.

3. R. Gustavsson, Termography a practical approach, NORBO KraftTechnik AB, 2009.

www.facebook.com

www.piib.org.pl

www.kreatorbudownictwaroku.pl

www.izbudujemy.pl

Kanał na YouTube

Profil linked.in

Używamy cookies i podobnych technologii m.in. w celach: świadczenia usług, reklamy, statystyk. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień Twojej przeglądarki oznacza, że będą one umieszczane w Twoim urządzeniu końcowym. Pamiętaj, że zawsze możesz zmienić te ustawienia. Szczegóły znajdziesz w Polityce Prywatności.