Lekcja 3. Pomiary termowizyjne urządzeń i instalacji elektrycznych

Wstęp

W tej lekcji omówiono podstawowe zasady wykonywania pomiarów termowizyjnych urządzeń i instalacji elektrycznych. Termowizja jest metodą diagnostyczną, która pozwala obserwować rozkład temperatury na powierzchni badanego obiektu bez bezpośredniego kontaktu z tym obiektem.

W praktyce elektrycznej pomiary termowizyjne wykorzystuje się między innymi do wykrywania lokalnych przegrzań, przeciążonych elementów, niesymetrii obciążenia, luźnych połączeń, uszkodzonych zacisków, nadmiernie nagrzewających się aparatów oraz nieprawidłowo pracujących elementów instalacji.

Do pomiarów termowizyjnych stosuje się kamerę termowizyjną. Przyrząd ten rejestruje promieniowanie podczerwone emitowane przez powierzchnię obiektu i przedstawia je w postaci obrazu termicznego, nazywanego termogramem.

Samo wykonanie zdjęcia termowizyjnego nie wystarcza jednak do poprawnej oceny. Należy znać warunki pomiaru, ustawienia kamery, emisyjność badanej powierzchni, odległość od obiektu, kąt obserwacji, temperaturę otoczenia oraz obciążenie badanego urządzenia.

Cele lekcji

Osoba ucząca się:

• wyjaśnia, czym jest termowizja,
• opisuje zastosowanie kamery termowizyjnej w diagnostyce urządzeń i instalacji elektrycznych,
• wyjaśnia pojęcie termogramu,
• wskazuje przykłady usterek wykrywanych za pomocą termowizji,
• wyjaśnia znaczenie emisyjności powierzchni,
• opisuje wpływ odbić, odległości i kąta obserwacji na wynik pomiaru,
• przygotowuje stanowisko do prostego pomiaru termowizyjnego,
• interpretuje podstawowe informacje widoczne na termogramie,
• zapisuje wyniki pomiaru termowizyjnego w tabeli lub protokole,
• formułuje prosty wniosek techniczny na podstawie obrazu termowizyjnego.

1. Czym jest termowizja?

Termowizja jest metodą obrazowania rozkładu temperatury na powierzchni badanego obiektu. Kamera termowizyjna nie mierzy temperatury bezpośrednio wewnątrz elementu, lecz rejestruje promieniowanie podczerwone emitowane przez jego powierzchnię.

Wynikiem pomiaru termowizyjnego jest obraz termiczny, czyli termogram. Na termogramie różne temperatury są przedstawione za pomocą kolorów albo odcieni szarości.

W pomiarach termowizyjnych można obserwować między innymi:

• miejsca o podwyższonej temperaturze,
• nierównomierny rozkład temperatury,
• różnice temperatur między podobnymi elementami,
• elementy przegrzewające się podczas pracy,
• zmiany temperatury w czasie.

Termowizja jest metodą bezdotykową. Oznacza to, że pomiar można wykonać z pewnej odległości, bez przykładania sondy temperatury do badanego elementu. Jest to szczególnie przydatne przy urządzeniach elektrycznych, rozdzielnicach, szafach sterowniczych, silnikach, przewodach, zaciskach i aparatach pracujących pod napięciem.

Należy jednak pamiętać, że kamera termowizyjna pokazuje temperaturę powierzchniową, a nie „widzi” przez obudowę, izolację czy metalową osłonę. Jeżeli źródło przegrzania znajduje się wewnątrz urządzenia, kamera pokaże tylko skutki cieplne widoczne na dostępnej powierzchni.

2. Po co wykonuje się pomiary termowizyjne?

Pomiary termowizyjne wykonuje się po to, aby wykryć nieprawidłowości związane z nadmiernym nagrzewaniem elementów instalacji lub urządzeń. W wielu przypadkach przegrzanie pojawia się zanim dojdzie do awarii, dlatego termowizja jest przydatna w diagnostyce i profilaktyce utrzymania ruchu.

Pomiary termowizyjne mogą być wykonywane między innymi:

• podczas okresowych przeglądów rozdzielnic,
• po naprawie lub modernizacji instalacji,
• po wymianie aparatów lub przewodów,
• przy podejrzeniu przeciążenia obwodu,
• przy podejrzeniu luźnego zacisku,
• podczas diagnostyki silników i napędów,
• przy kontroli połączeń kablowych i szynowych,
• podczas oceny pracy instalacji fotowoltaicznych,
• w ramach ćwiczeń laboratoryjnych i szkoleniowych.

Termowizja może być wykorzystywana do wykrywania nieprawidłowości, kontroli jakości naprawy, oceny stanu połączeń elektrycznych oraz planowania działań konserwacyjnych.

W instalacjach elektrycznych podwyższona temperatura może wskazywać między innymi na:

• luźne połączenie zaciskowe,
• zbyt duży prąd obciążenia,
• niesymetrię obciążenia faz,
• uszkodzony aparat elektryczny,
• zabrudzenie lub korozję styku,
• niewłaściwy dobór przewodu,
• przeciążenie toru prądowego,
• pogorszone chłodzenie elementu,
• uszkodzony moduł lub złącze.

Wynik pomiaru termowizyjnego nie powinien być traktowany jako jedyna podstawa oceny. Termogram należy analizować razem z danymi o obciążeniu, schematem instalacji, temperaturą otoczenia, stanem technicznym elementów oraz dokumentacją badanego obiektu.

3. Kamera termowizyjna jako przyrząd pomiarowy

Kamera termowizyjna jest przyrządem, który rejestruje promieniowanie podczerwone i przetwarza je na obraz temperatury powierzchniowej. Obraz ten jest prezentowany na ekranie kamery jako termogram.

Rysunek 1. Przykład kamery termowizyjnej i wyposażenia wykorzystywanego do diagnostyki termowizyjnej urządzeń i instalacji elektrycznych.

Typowa kamera termowizyjna może umożliwiać:

• obserwację obrazu termicznego,
• zapis zdjęć termowizyjnych,
• pomiar temperatury w wybranym punkcie,
• wskazanie temperatury minimalnej i maksymalnej w obszarze,
• zmianę palety kolorów,
• ustawienie emisyjności,
• ustawienie temperatury odbitej,
• ustawienie odległości od obiektu,
• zapis komentarzy lub zdjęcia widzialnego,
• analizę termogramu w oprogramowaniu.

Przed wykonaniem pomiaru należy sprawdzić:

• stan techniczny kamery,
• stan baterii,
• czystość obiektywu,
• zakres temperatury,
• ustawioną emisyjność,
• ustawioną temperaturę odbitą,
• ostrość obrazu,
• odległość od badanego obiektu,
• warunki otoczenia,
• możliwość bezpiecznego dostępu do badanego miejsca.

Kamera termowizyjna powinna być stosowana zgodnie z instrukcją producenta. Należy pamiętać, że błędne ustawienia kamery mogą prowadzić do błędnych wskazań temperatury, nawet jeżeli sam obraz termiczny wygląda poprawnie.

4. Termogram i skala barw

Termogram jest obrazem przedstawiającym rozkład temperatury na powierzchni badanego obiektu. Na termogramie kolory nie są naturalnymi kolorami obiektu, lecz odpowiadają wartościom temperatury lub względnym różnicom temperatur.

Rysunek 2. Przykładowy termogram elementów instalacji elektrycznej. Jaśniejsze obszary wskazują miejsca o wyższej temperaturze.

Kamera termowizyjna może stosować różne palety barw, na przykład:

• skalę szarości,
• paletę żelazo,
• paletę tęczową,
• paletę wysokiego kontrastu,
• paletę gorące‑zimne.

Zmiana palety barw nie zmienia rzeczywistej temperatury obiektu. Zmienia jedynie sposób prezentacji obrazu. Dlatego przy analizie termogramu należy zwracać uwagę nie tylko na kolory, ale przede wszystkim na wartości temperatury, skalę, punkty pomiarowe i warunki pomiaru.

Na termogramie często oznacza się:

• punkt o najwyższej temperaturze,
• punkt o najniższej temperaturze,
• wybrany punkt pomiarowy,
• obszar analizy,
• skalę temperatury,
• opis badanego elementu.

Przykład interpretacji:

Jeżeli jeden zacisk w rozdzielnicy ma temperaturę znacznie wyższą niż pozostałe zaciski pracujące w podobnych warunkach, może to wskazywać na nieprawidłowość. Sama wysoka temperatura nie zawsze wystarcza jednak do postawienia diagnozy. Należy sprawdzić obciążenie, stan połączenia, warunki chłodzenia i porównać wynik z elementami odniesienia.

5. Emisyjność powierzchni

Emisyjność określa, jak skutecznie dana powierzchnia emituje promieniowanie podczerwone w porównaniu z ciałem doskonale czarnym. Wartość emisyjności mieści się w zakresie od 0 do 1. Powierzchnie o wysokiej emisyjności dobrze emitują promieniowanie, a powierzchnie błyszczące i metaliczne często mają niską emisyjność i silnie odbijają promieniowanie z otoczenia.

W praktyce oznacza to, że ta sama kamera może pokazać różne wskazania temperatury dla powierzchni o różnej emisyjności, nawet jeżeli rzeczywista temperatura elementów jest podobna.

Przykłady powierzchni problematycznych w pomiarach termowizyjnych:

• błyszcząca miedź,
• aluminium,
• ocynkowana blacha,
• chromowane elementy,
• wypolerowane metalowe zaciski,
• powierzchnie mokre lub zabrudzone,
• elementy odbijające ciepło z otoczenia.

W pomiarach elektrycznych często obserwuje się elementy metalowe, dlatego należy zachować szczególną ostrożność przy interpretacji temperatury. Niska emisyjność może powodować, że kamera rejestruje w dużej części promieniowanie odbite od otoczenia, a nie promieniowanie pochodzące od badanego elementu.

Jednym ze sposobów poprawy wiarygodności pomiaru powierzchni odbijających jest zastosowanie materiału o znanej, wysokiej emisyjności, na przykład specjalnej taśmy pomiarowej lub taśmy elektroizolacyjnej. Takie rozwiązanie można stosować tylko wtedy, gdy jest to bezpieczne, dopuszczalne w instrukcji stanowiskowej i nie wymaga dotykania części znajdujących się pod napięciem.

6. Czynniki wpływające na wynik pomiaru termowizyjnego

Na wynik pomiaru termowizyjnego wpływa wiele czynników. Część z nich dotyczy badanego obiektu, a część sposobu wykonania pomiaru i ustawień kamery.

Do najważniejszych czynników należą:

• emisyjność powierzchni,
• temperatura odbita,
• temperatura otoczenia,
• odległość od obiektu,
• kąt obserwacji,
• ostrość obrazu,
• wilgotność powietrza,
• obecność przeszkód między kamerą a obiektem,
• obciążenie badanego urządzenia,
• czas pracy urządzenia przed pomiarem,
• ruch powietrza i chłodzenie,
• odbicia od innych gorących obiektów.

Poprawne ustawienie emisyjności, temperatury odbitej oraz innych parametrów obiektu jest istotne dla dokładności pomiaru temperatury. Błędne ustawienia mogą powodować znaczne odchylenia wskazań.

Kąt obserwacji
Pomiar należy wykonywać możliwie prostopadle do badanej powierzchni. Przy dużym kącie obserwacji zwiększa się wpływ odbić, a wynik może być mniej wiarygodny.

Odległość od obiektu
Im większa odległość od obiektu, tym większe znaczenie ma rozdzielczość kamery i wielkość badanego elementu. Mały zacisk widoczny z dużej odległości może zajmować zbyt mało pikseli, aby kamera poprawnie określiła jego temperaturę.

Ostrość obrazu
Nieostry termogram może utrudniać lokalizację gorącego punktu i prowadzić do błędnej oceny temperatury. Przed zapisem obrazu należy wyostrzyć obraz, jeżeli kamera wymaga ręcznego ustawienia ostrości.

Obciążenie elektryczne
Pomiary termowizyjne instalacji elektrycznej mają sens przede wszystkim wtedy, gdy badane urządzenie pracuje pod obciążeniem. Element nieobciążony może nie wykazywać przegrzania, mimo że połączenie jest uszkodzone.

7. Przygotowanie do pomiaru termowizyjnego

Przed wykonaniem pomiaru termowizyjnego należy przygotować zarówno kamerę, jak i badany obiekt. Celem przygotowania jest uzyskanie termogramu, który będzie można poprawnie zinterpretować.

Przygotowanie do pomiaru obejmuje:

1. Ustalenie celu pomiaru.
2. Rozpoznanie badanego obiektu.
3. Sprawdzenie dokumentacji lub schematu.
4. Ustalenie, które elementy mają być obserwowane.
5. Sprawdzenie, czy obiekt pracuje pod obciążeniem.
6. Sprawdzenie warunków bezpieczeństwa.
7. Przygotowanie kamery termowizyjnej.
8. Ustawienie emisyjności.
9. Ustawienie temperatury odbitej, jeżeli kamera umożliwia takie ustawienie.
10. Ustawienie zakresu temperatury lub trybu automatycznego.
11. Wykonanie zdjęcia termowizyjnego.
12. Zapisanie warunków pomiaru i wniosków.

Podczas przygotowania należy zwrócić uwagę na możliwość bezpiecznego dostępu do badanego elementu. Nie wolno zdejmować osłon, otwierać rozdzielnic ani zbliżać się do części czynnych bez upoważnienia, kwalifikacji i zachowania procedur bezpieczeństwa.

Jeżeli pomiar jest wykonywany w rozdzielnicy, należy przestrzegać instrukcji stanowiskowej. Osoba wykonująca pomiar nie powinna dotykać elementów znajdujących się pod napięciem. Kamera umożliwia obserwację z odległości, ale sama termowizja nie usuwa zagrożeń elektrycznych.

W warunkach szkolnych otwieranie rozdzielnicy, zdejmowanie osłon lub obserwacja elementów znajdujących się pod napięciem może odbywać się wyłącznie pod nadzorem prowadzącego i zgodnie z instrukcją stanowiskową.

8. Wykonanie pomiaru kamerą termowizyjną

Pomiar kamerą termowizyjną polega na skierowaniu kamery na badany obiekt, ustawieniu parametrów pomiaru i zapisaniu termogramu.

Typowa kolejność czynności może być następująca:

1. Włączyć kamerę termowizyjną.
2. Sprawdzić stan baterii i ustawienia kamery.
3. Wybrać odpowiedni zakres temperatury.
4. Ustawić emisyjność badanej powierzchni.
5. Ustawić temperaturę odbitą, jeżeli jest wymagana.
6. Ustawić odległość od obiektu, jeżeli kamera umożliwia taką korekcję.
7. Skierować kamerę na badany element.
8. Ustawić ostrość obrazu.
9. Sprawdzić, czy w kadrze znajduje się właściwy element.
10. Odczytać temperaturę punktu lub obszaru.
11. Zapisać termogram.
12. Zanotować warunki pomiaru.

Podczas wykonywania pomiaru należy unikać przypadkowych odbić. Osoba wykonująca pomiar może sama odbijać się w błyszczących elementach metalowych, co może powodować pozorne „gorące” albo „zimne” obszary na termogramie.

Jeżeli wynik jest nietypowy, należy wykonać dodatkowe zdjęcia z innego kąta lub porównać badany element z elementem podobnym, pracującym w tych samych warunkach.

9. Interpretacja termogramu

Interpretacja termogramu polega na ocenie, czy rozkład temperatury na obrazie wskazuje na stan prawidłowy czy na możliwą nieprawidłowość.

Podczas interpretacji należy zwrócić uwagę na:

• najwyższą temperaturę w badanym obszarze,
• różnice temperatur między podobnymi elementami,
• lokalne gorące punkty,
• rozkład temperatury na przewodach i zaciskach,
• obciążenie elementów,
• warunki chłodzenia,
• emisyjność powierzchni,
• możliwość odbić od otoczenia,
• powtarzalność obserwacji.

W praktyce często stosuje się porównanie elementów podobnych. Przykładowo w trójfazowej rozdzielnicy można porównać temperatury zacisków L1, L2 i L3. Jeżeli jeden zacisk jest wyraźnie cieplejszy od pozostałych, może to wskazywać na problem z połączeniem albo nierównomierne obciążenie.

Przykładowe objawy na termogramie:

Wniosek z termogramu powinien być ostrożny. Nie należy automatycznie stwierdzać uszkodzenia tylko na podstawie koloru. Należy uwzględnić temperaturę, różnicę temperatur, warunki pomiaru i porównanie z elementami odniesienia.

10. Przykład pomiaru termowizyjnego

Poniżej przedstawiono przykład dydaktyczny dotyczący pomiaru termowizyjnego zacisków w rozdzielnicy elektrycznej.

Dane do przykładu
Przyjęto:

• badany obiekt: rozdzielnica elektryczna R1,
• badany element: zaciski odpływowe L1, L2, L3,
• przyrząd: kamera termowizyjna,
• warunki: rozdzielnica pracuje pod obciążeniem,
• temperatura otoczenia: 22°C,
• emisyjność ustawiona w kamerze: 0,95,
• pomiar wykonano z bezpiecznej odległości,
• przyjęte kryterium dydaktyczne: różnica temperatur między podobnymi zaciskami nie powinna przekraczać 15°C.

Tabela wyników

Obliczenie różnicy temperatur

Dla zacisku L3 różnica temperatur względem zacisku L1 wynosi:

Przyjęte kryterium dydaktyczne wynosi:

Warunek nie jest spełniony, ponieważ:

Interpretacja przykładu

Zaciski L1 i L2 mają zbliżoną temperaturę. Zacisk L3 jest wyraźnie cieplejszy od pozostałych. Może to wskazywać na luźne połączenie, pogorszony styk, większe obciążenie tej fazy albo inną nieprawidłowość.

Przykładowy wniosek można zapisać następująco:

Na termogramie rozdzielnicy R1 stwierdzono podwyższoną temperaturę zacisku L3. Różnica temperatur między zaciskiem L3 a zaciskiem odniesienia L1 wynosi ΔT = 25°C i przekracza przyjęte kryterium dydaktyczne 15°C. Zaleca się sprawdzenie obciążenia faz, stanu połączenia zaciskowego oraz powtórzenie pomiaru po usunięciu ewentualnej nieprawidłowości.

11. Przykład protokołu pomiaru termowizyjnego

Po wykonaniu pomiaru termowizyjnego należy zapisać wyniki w protokole. Protokół powinien umożliwiać odtworzenie warunków pomiaru i sposobu interpretacji termogramu.

W rzeczywistym protokole warto dołączyć termogram, zdjęcie widzialne badanego miejsca, opis obciążenia, ustawienia kamery, warunki pomiaru oraz zalecenia dotyczące dalszych działań.

12. Najczęstsze błędy podczas pomiarów termowizyjnych

Podczas pomiarów termowizyjnych można popełnić błędy, które wpływają na wynik i jego interpretację.

Do najczęstszych błędów należą:

• błędne ustawienie emisyjności,
• nieuwzględnienie temperatury odbitej,
• wykonywanie pomiaru z nieodpowiedniego kąta,
• zbyt duża odległość od badanego elementu,
• nieostry obraz termowizyjny,
• pomiar elementu niepracującego pod obciążeniem,
• interpretowanie koloru bez odczytu temperatury,
• nieuwzględnienie odbić od błyszczących powierzchni,
• brak porównania z podobnym elementem,
• brak informacji o warunkach pomiaru,
• brak zapisu termogramu,
• zbyt ogólny wniosek.

Szczególnie częstym błędem jest traktowanie każdego jasnego lub czerwonego obszaru na termogramie jako uszkodzenia. Kolor zależy od wybranej palety, skali temperatury i ustawień kamery. Dlatego należy analizować wartości temperatury, różnice temperatur i warunki pomiaru.

Co zrobić przy wyniku wątpliwym?

Jeżeli wynik pomiaru jest wątpliwy, należy:

• sprawdzić ostrość obrazu,
• sprawdzić ustawienia emisyjności,
• zmienić kąt obserwacji,
• wykonać zdjęcie z mniejszej odległości,
• porównać badany element z elementem podobnym,
• sprawdzić obciążenie elektryczne,
• powtórzyć pomiar po pewnym czasie,
• uzupełnić pomiar inną metodą, na przykład pomiarem prądu.

Przykładowy zapis zalecenia:

Zaobserwowano podwyższoną temperaturę zacisku L3. Zaleca się sprawdzenie obciążenia faz, stanu połączenia zaciskowego oraz wykonanie ponownego pomiaru termowizyjnego po usunięciu ewentualnej nieprawidłowości.

Podsumowanie lekcji

W tej lekcji omówiono podstawowe zasady wykonywania pomiarów termowizyjnych urządzeń i instalacji elektrycznych. Wyjaśniono, że termowizja pozwala obserwować rozkład temperatury na powierzchni badanego obiektu bez bezpośredniego kontaktu.

Przedstawiono kamerę termowizyjną jako przyrząd służący do rejestracji promieniowania podczerwonego i tworzenia termogramów. Podkreślono, że termogram jest obrazem rozkładu temperatury, a jego poprawna interpretacja wymaga znajomości warunków pomiaru.

Omówiono znaczenie emisyjności powierzchni, temperatury odbitej, odległości, kąta obserwacji, ostrości obrazu i obciążenia badanego urządzenia. Wskazano, że błędne ustawienia kamery lub niewłaściwe warunki pomiaru mogą prowadzić do nieprawidłowej oceny temperatury.

W części praktycznej pokazano przykład pomiaru termowizyjnego zacisków w rozdzielnicy. Na podstawie różnicy temperatur między podobnymi elementami można wskazać miejsce wymagające dalszej kontroli.

Lekcja pokazuje, że pomiar termowizyjny nie polega wyłącznie na wykonaniu kolorowego zdjęcia. Poprawna diagnostyka wymaga przygotowania pomiaru, właściwego ustawienia kamery, zapisu warunków, analizy temperatur oraz sformułowania ostrożnego wniosku technicznego.