UPORABA TERMOGRAFIJE V ELEKTRIČNIH NAPRAVAH

Transcription

1 I UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17 Diplomska naloga visokošolskega strokovnega študijskega programa UPORABA TERMOGRAFIJE V ELEKTRIČNIH NAPRAVAH Študent: Mitja SAJKO Študijski program: visokošolski strokovni, Elektrotehnika Smer: Močnostna elektrotehnika Mentor: Somentor: Asistent: red. prof. dr. Jože PIHLER red. prof. dr. Josip VORŠIČ mag. Darko KORITNIK Maribor, marec 2008

2 II

3 III ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Jožetu Pihlerju, somentorju prof. dr. Jožetu Voršiču za vodenje in pomoč pri opravljanju diplomske naloge. Prav tako se zahvaljujem asistentu Darku Koritniku, ter Danijelu Glušiču in Marjanu Stegnetu za pomoč pri delu v ICEM laboratoriju. Zahvaljujem se tudi staršem in prijateljem za vso podporo v času študija.

4 IV UPORABA TERMOGRAFIJE V ELEKTRIČNIH NAPRAVAH Ključne besede: prenos toplote, infrardeče sevanje, termografija, termo kamera, emisivnost, temperatura, termočlen, kontaktna upornost, kontaktni pritisk, ločilna stikala. UDK: :772.96(043.2) Povzetek: Osnovni namen diplomskega dela je predstavitev termografije, kot metode za brez kontaktno merjenje temperature. Opisani so osnovni pojmi, ki so potrebni za pravilno razumevanje termografije, delovanje in uporaba termo kamere ter programsko orodje Irbis proffesional V2.2. Prikazan je tudi praktični primer meritve temperature ločilnega stikala, s termo kamero in s termočlenom. Meritve so programsko obdelane, dodan je tudi analitični izračun ustaljene temperature ločilnega stikala.

5 V USE OF THERMOGRAPHY IN ELECTRICAL EQUIPMENT Key words: heat transfer, infrared radiation, thermography, thermal camera, emisivity, temperature, thermocouples, contact resistance, contact pressure, switch disconnectors. UDK: :772.96(043.2) Abstract: The purpose of this diploma work is presenting the thermography, as a method for non contact temperature messurments. It containes some basic understandings, for right use of thermography, and abstract of thermal camera and Irbis proffesional V2.2 software. The practical example of temperature messurements with thermal camera and with thermocopules is shown. Processing of messurments data is made with program tools. Matematical formula is given, for calculating stabilised temperature of switch disconnector.

6 VI VSEBINA 1 UVOD Termografija skozi čas Namen in cilj diplomskega dela Struktura diplomskega dela OSNOVE TERMOGRAFIJE Prenos toplote Prevajanje toplote ali kondukcija Prenašanje toplote ali konvekcija Toplotno sevanje Elektromagnetni spekter Črno telo Stefanov zakon Planckov zakon Wienov zakon Realna telesa Emisivnost Tabela vrednosti emisivnosti Atmosferska prepustnost Opazovanje objekta KAMERA IN PROGRAMSKA OPREMA Lastnosti in zgradba termo kamer Optika kamere Lom in odbojnost vpadle svetlobe Okna Detektor NETD in MRTD Termo kamera InfraTec VarioCam...28

7 VII 3.3 IRBIS professional software V Orodna vrstica Obdelava in urejanje termograma PRIMER UPORABE TERMOGRAFIJE Splošno Potek meritve temperature ločilnega stikala Termočlen Ločilno stikalo OLN 12/ Fizikalne osnove električnih kontaktov Izračun kontaktne upornosti Meritev kontaktne upornosti Termična preobremenitev kontaktov Izračun temperature kontaktov Rezultati meritev temperature s termočlenom in termo kamero pri različnih vrednostih toka Meritev pri nazivnem toku Meritev pri povišanem nazivnem toku Določitev faktorja emisivnosti iz termograma SKLEP...70

8 VIII SEZNAM SLIK Slika 2.1: Prehod toplote skozi steno 5 Slika 2.2: Konvekcija 7 Slika 2.3: Elektromagnetni spekter 9 Slika 2.4: Spektralna gostota energijskega toka črnega telesa 10 Slika 2.5: Realno telo 12 Slika 2.6: Spreminjanje emisivnosti glede na valovno dolžino 13 Slika 2.7: Spreminjanje emisivnosti nekaterih snovi glede na valovno dolžino 14 Slika 2.8: Spreminjanje emisivnosti glede na temperaturo 14 Slika 2.9: Spreminjanje emisivnosti glede na kot opazovanja 15 Slika 2.10: Atmosferska prepustnost 19 Slika 2.11: Opazovanje objekta s kamero 20 Slika3.1: Prepustnost Si in Ge v področju delovanja termo kamere 22 Slika 3.2: Lomni zakon 23 Slika 3.3: Večplastno prekrivanje leč 24 Slika 3.4: Prepustnost nekaterih materialov glede na valovno dolžino 25 Slika 3.5: Prepustnost ZnS in ZnSe, glede na valovno dolžino pri različnih temperaturah 25 Slika 3.6: Matrični mikrobolometrični IR dtektor 26 Slika 3.7: Termo kamera InfraTec VarioCam 29 Slika 3.8: Ukazne tipke termo kamere InfraTec VarioCam 30 Slika 3.9:»Live«in»Focus«meni prikaza slike 30 Slika 3.10: Funkcija časovne in točkovne spremembe 32 Slika 3.11: Meni»measure«ter okno za nastavitev emisivnosti 32 Slika 3.12: Meni»settings«ter okno za nastavitev avtomatskega shranjevanja 33 Slika 3.13: Program Irbis professional V Slika 3.14: Orodna vrstica 34 Slika 3.15: Načini zajemanja vrednosti. 35 Slika 3.16 : 3D prikaz termograma 35 Slika 3.17: Nabor palet. 36

9 IX Slika 3.18: Uporaba funkcije»isotherms«37 Slika 3.19: Okno menija»measurment«38 Slika 3.20: Pravokotno zajemanje vrednosti na kontaktnem nožu 39 Slika 3.21: Uporaba grafične funkcije»time«39 Slika 3.22: Uporaba grafične funkcije»histogram«40 Slika 3.23: Okno»shapes«za korekcijo termograma 40 Slika 4.1: Uporaba termografije v električnem omrežju 42 Slika 4.2: Postavitev kamere 43 Slika 4.3: Postavitev merilnih točk 43 Slika 4.4: Naprava za merjenje in shranjevanje veličin Alemo Alhborn 44 Slika 4.3: Ločilno stikalo OLN 12/ Slika 4.6: Potek tokovnic pri kontaktih 46 Slika 4.7: Meritev kontaktne upornosti 49 Slika 4.8:Vzmet za spreminjanje kontaktnega pritiska 50 Slika 4.9: Potek temperature v točki T1, pri različnih kontaktnih pritiskih 52 Slika 4.10: Potek temperature v točki T2, pri različnih kontaktnih pritiskih 52 Slika 4.11: Prostorska in časovna porazdelitev temperature kontakta 54 Slika 4.12: Potek temperature pri spreminjanju toka ( 630, 880 in 1800 A). 57 Slika 4.13: točke T1,T2,T3,T4, T8 ; pri nazivnem toku 630A 57 Slika 4.14: T1,T2,T3 in T8 pri toku 630A 58 Slika 4.15: Primerjava temperature v točki T2 pri nazivnem toku 630A 59 Slika 4.16: Primerjava temperatur v točki T1, pri nazivnem toku 630A 59 Slika 4.17: Primerjava temperatur v točki T1 (lepilni trak), pri nazivnem toku 630A 60 Slika 4.18: Uporaba plastičnega lepilnega traku 60 Slika 4.19: Primerjava temperatur v točki T8, pri nazivnem toku 630A 61 Slika 4.20: T1,T2,T3 in T8 pri toku 880A 62 Slika 4.21: Primerjave temperatur v točki T2, pri toku 880 A. 62 Slika 4.22: Primerjave temperatur v točki T1, pri toku 880 A. 63 Slika 4.23: Primerjave temperatur v točki T1, pri toku 1800 A. 64 Slika 4.24: Primerjave temperatur v točki T1, pri toku 1800 A. 64 Slika 4.25: Primerjave temperatur v točki T8, pri toku 1800 A. 65 Slika 4.26: Izbira točk za določitev faktorja emisivnosti (1) 66

10 X Slika 4.27: Izbira točk za določitev faktorja emisivnosti (1) 67 Slika 4.28: Vrednosti temperature pri pravilni izbiri emisivnosti 68 Slika 4.29: Določitev emisivnosti materiala (elektromotor) 69 SEZNAM PREGLEDNIC Tabela 2.1: Toplotna prevodnost...6 Tabela 2.2: Vrednosti emisivnosti...15 Tabela 3.1: Odboj svetlobe, glede na lomni količnik Tabela 3.2: Lastnosti termo kamere VarioCam...28 Tabela 3.3: Glavni meni...31 Tabela 3.4: Meniji programa Irbis professional V Tabela 4.1: Tehnični podatki ločilnega stilala (1)...45 Tabela 4.2: Tehnični podatki ločilnega stikala (2)...45 Tabela 4.3: Specifična upornost in trdota nekaterih materialov...48 Tabela 4.4: Vrednosti kontaktnih upornosti polov pri hladnem stikalu...49 Tabela 4.5: Vrednosti kontaktne upornosti (L1) pri spremembi toka...49 Tabela 4.6: Vrednost kontaktne upornosti pri standardnem kontaktnem pritisku (L1).51 Tabela 4.7: Maksimalno povečanje kontaktnega pritiska (L1)...51 Tabela 4.8: Maksimalno zmanjšanje kontaktnega pritiska (L1)...51 Tabela 4.9: Dovoljene temperature in nadtemperature kontaktov...53

11 XI UPORABLJENI SIMBOLI Φth - toplotni tok Rth - toplotna upornost ϕ - gostota toplotnega toka ε - emisivnost ρ - specifična upornost α - toplotna prestopnost k - toplotna prevodnost λ - valovna dolžina f - frekvenca Rk -kontaktna upornost Rp -prehodna upornost Rs -slojna upornost σ - specifična slojna upornost Fk -kontaktni pritisk ϑ - temperatura kontakta ϑ0 - temperatura okolice ϑv - segrevanje zaradi izgub v upornosti vodnika ϑk - segrevanje zaradi izgub v kontaktni upornosti S - presek vodnika p - obseg preseka vodnika I - tok

12 XII UPORABLJENE KRATICE NETD - ekvivalentna šumna temperaturna razlika MRTD parameter, ki združuje prostorsko ločljivost, temperaturno občutljivost in operaterjevo sposobnost opazovanja. IR infrardeče ( sevanje, spekter, kamera) FERI fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko ICEM infrastrukturni center za energetske meritve

13 Uporaba termografije v električnih napravah 1 1 UVOD 1.1 Termografija skozi čas Dandanes je termografija prisotna na vseh področjih človekovega udejstvovanja. Njena uporaba izvira iz zgodnjih šestdesetih let prejšnjega stoletja, ko je bil njen razvoj omejen zgolj za vojaške namene. Skozi leta se je začela pojavljati na vseh tehnoloških področjih. Od težke industrije, gradbeništva, naftne in avtomobilske industrije, energetike, elektronike, pa vse do področja kemije in medicine. Prva termografska kamera za civilno uporabo, je bila izdelana leta Imenovala se je Thermovision 651, proizvajalca AGEMA. Kasneje, v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, so se že pojavile kamere z omejenim področjem valovanja; kratkovalovnih in dolgovalovnih. Kamere kakršne so na trgu danes, pa so se pojavile v začetku devetdesetih let, njihov razvoj pa je povezan z razvojem ostalih tehnologij, predvsem s področjem razvoja računalniške tehnologije. Z razvojem in vse večjo uporabo termo kamer, se mnogi uporabniki srečujejo z dvema izrazoma. To sta termografija (thermography) in termovizija (thermovision). Načeloma gre za isto stvar, ki pa ju v različnih virih in strokovni literaturi, nekateri strokovnjaki strogo ločujejo, nekateri pa celo oba izraza uporabljajo skupaj. Najboljša razlaga je ta, da naj bi se beseda termovizija uporabljala predvsem pri vojaških in policijskih napravah za opazovanje, medtem ko pri področjih kot je na primer elektro energetika, bolj primeren izraz termografija. Slednja ne pomeni samo opazovanje določenega objekta, zajema tudi obdelavo in analiziranje termografskih slik, ki jim pravimo termogram.

14 Uporaba termografije v električnih napravah 2 Bolj pomebno kot sam izraz, pa je pomembna uporaba termografije, prednosti, ki jih ima pred ostalimi metodami opazovanja. Termografija je ne invazivna, ne destruktivna in ne kontaktna metoda merjenja temperature in prikaza porazdelitve toplote po površini kakršnegakoli objekta. Te lastnosti ji omogočajo široko možnost uporabe na najrazličnejših področjih. Termografski pregledi, v smislu preventivnega odkrivanja okvar, so postali uporabni v najrazličnejših panogah. Zaradi svoje enostavnosti in kompaktnosti, pa lahko z veliko manj stroški kot ostali preventivni pregledi, dosegamo povsem enake rezultate. 1.2 Namen in cilj diplomskega dela Namen diplomske naloge je predstavitev termografije, kot metode za brez kontaktno merjenje temperature. Najpomembnejša orodja in elementi za pravilen potek meritev (termo kamera, programska oprema, določanje emisivnost ), bodo najprej predstavljeni teoretsko, nato pa še na praktičnem primeru. Meritev s termo kamero bo izvedena na ločilnem stikalu, s pomočjo programa Irbis professional V2.2 pa bodo termografski posnetki tudi analizirani. Cilj diplomske naloge je predstavitev termografije in prikaz njene uporabnosti pri meritvi temperature. Na osnovi meritev in izračunov, pa izvesti primerjavo temperatur, dobljenih z meritvijo (termočlen in termo kamera) in analitičnim izračunom. Med pomembnejše cilje naloge spada tudi analiziranje termografskih slik z programom Irbis professional V Struktura diplomskega dela Diplomska naloga je vsebinsko sestavljena iz šestih delov. Prvi del vsebuje Uvod, v katerem je predstavljen kratek zgodovinski pregled termografije, njena uporabnost na tehnoloških področjih ter prednosti, ki jih nam omogoča kot metoda za merjenje temperature. Podaj je tudi namen in cilj diplomskega dela. Drugi del z naslovom Osnove termografije, vsebuje osnovna znanja za pravilno razumevanje termografije. Od načina prehoda toplote, elektromagnetnega spektra ter emisivnosti. Podana je tudi preglednica vrednosti emisivnosti za različne materiale.

15 Uporaba termografije v električnih napravah 3 Tretji del, z naslovom Kamera in programska oprema, opisuje lastnosti in tehnične podatke termo kamere IfraTec VarioCam ter program programski paket Irbis professional. V četrtem delu z naslovom Primer uporabe termografije, je opisan uporaba termografije na praktičnem primeru meritve ločilne stikala. Uporabljeno je ločilno stikalo z generiranjem plina OL 12/630 proizvajalca TSN. Meritev je izvedena tako s termo kamero kot z termočlenom. Meritev poteka pri spremembi nazivnega toka, ter pri spremembi kontaktnega pritiska. Podan je tudi analitični izračun temperature kontakta. Zadnji del z naslovom Sklep, vsebuje kratek opis in zaključek diplomske naloge.

16 Uporaba termografije v električnih napravah 4 2 OSNOVE TERMOGRAFIJE 2.1 Prenos toplote Prenos toplote se lahko vrši s prevajanjem (kondukcijo), s prenašanjem ali konvekcijo ter sevanjem. Seveda pa so možne tudi različne medsebojne kombinacije vseh treh Prevajanje toplote ali kondukcija V osnovi gre za širjenje toplote po telesu. Prevajanje poteka iz dela z višjo temperaturo proti delu z nižjo temperaturo. Enako velja za prehod med dvema predmetoma, če sta v neposrednem stiku. Pri prevajanju toplote ima pomembno vlogo toplotni tok Φ th [W], ki je posledica temperaturne razlike. Slika 2.1 prikazuje zmanjševanje toplotnega toka skozi steno, v odvisnosti od temperaturne razlike. dq Φ th = (2.1) dt kjer je : dq - množina toplote, dt - čas v katerem steče toplota skozi prečni prerez.

17 Uporaba termografije v električnih napravah 5 Slika 2.1: Prehod toplote skozi steno Toplotna prevodnost stene k je faktor, ki tudi vpliva na količino toplotnega toka, ki bo prišel skozi steno. Večja kot bo toplotna prevodnost, manjša bo toplotna upornost stene R th. Za primer prehoda iz slike 2.1 lahko zapišemo enačbo: R th l = (2.2) ka kjer je: A - površina stene, l - debelina stene, k - toplotna prevodnost stene. Toplotni tok pa lahko zapišemo v obliki: T Φth = (2.3) R th kjer je: T - temperaturna razlika, R th - toplotna upornost. Če vstavimo enačbo (2.2) v enačbo (2.3) dobimo obliko enačbe: k Φ th = A T (2.4) l

18 Uporaba termografije v električnih napravah 6 2 Enačba za gostoto toplotnega toka ϕ [W/ m ]: ϕ Φ A T l th = = k (2.5) Tabela 2.1: Toplotna prevodnost Toplotna prevodnost k [W/mK] Snov Vrednost k Snov Vrednost k Zlato 297 Aluminij 229 Baker 385 Voda 0,598 Jeklo Železo 80 Nikelj 88 Opeka 0,46 Zrak Medenina 113 Za toplotno prevodnost k, bi bila primernejša oznaka λ. Zaradi preglednosti diplomske naloge, je bila po literaturi [2], izbrana rezervna oznaka k. Medtem ko je oznaka λ, uporabljena za valovno dolžino Prenašanje toplote ali konvekcija Gre za prestop toplote s trdih teles na plinasti (tekoči) medij in obratno. Najprej se toplota širi s prevajanjem od molekule do molekule. Ko se plast pri tem ogreje, postane lažja in se zaradi vzgona prične dvigovati. Pri tem prihaja do turbolentnega gibanja, ki mu pravimo konvekcija. Tako so toplejše plasti zaradi raztezanja specifično lažje in se dvigajo, hladnejše pa specifično težje in gredo navzdol. Toplotni tok, kot posledica konvekcije, zapišemo z naslednjo enačbo: th ( p 0 ) Φ = Aα T T (2.6) 2 kjer je: α - toplotna prestopnost [W/ m K ], Tp - srednja temperatura konvekcijske površine, T 0 - temperatura obdajajočega sredstva.

19 Uporaba termografije v električnih napravah 7 Toplotna prestopnost je odvisna od položaja in oblike stene. Za določanje vrednosti toplotne prestopnosti si pomagamo z Nusseltovimi obrazci, ki so določeni eksperimentalno za mirujoč zrak, pri temperaturni razliki, ki je večja od 10 C.Določeni so bili za različne primere konvekcije, in sicer za horizontalno ter vertikalno površino ter za vodoravno cev. Pomembno je vedeti, da tako kot ni konstantna gostota toplotnega toka, ni konstantna niti toplotna prestopnost. Obe sta odvisni od temperaturnih diferenc, zaradi katerih do konvekcije sploh prihaja. Slika 2.2: Konvekcija Toplotno sevanje Sevanje je stalno oddajanje energije s površine vseh teles. Energijo imenujemo energija sevanja in je elektromagnetno valovanje. Radijski valovi, infrardeči valovi, vidna svetloba, ultravijolični žarki in X žarki so vsi elektromagnetno valovanje, ki se med seboj razlikujejo po valovni dolžini. Energija sevanja trdega telesa ali tekočine vsebuje vse frekvence z amplitudami, ki so v večji meri odvisne od temperature telesa, ki seva, in veliko manj od vrste molekul, iz katerih je telo. Drugače je pri energiji sevanja plina, kjer gre za elektromagnetno valovanje le pri nekaj frekvencah, ki so karakteristične za molekule plina. Z rastočo temperaturo telesa naraščata tako svetlobni kot energijski tok v vseh delih spektra, vendar naraščata v kratkovalovnem delu razmeroma hitreje. Posledično imamo pri višjih temperaturah več vidne svetlobe kot pri nižjih.

20 Uporaba termografije v električnih napravah 8 Pomembno je vedeti, da vsa telesa ne sevajo enako močno, saj je sevanje odvisno tudi od odbojnosti telesa. Najbolj sevajo t.i. črna telesa, saj imajo zelo majhno odbojnost. Popolnoma črno telo absorbira vso svetlobo ki nanj pade (odbojnost je enaka nič), zato tako telo pri dani temperaturi tudi največ seva. Pri tem ne igra nobene vloge kemična sestava snovi,»črnost«pa v tem primeru ne pomeni barve, temveč označuje le lastnost odbojnosti neke snovi za elektromagnetno valovanje. 2.2 Elektromagnetni spekter Celotni elektromagnetni spekter, ki ga sestavljajo valovne dolžine ali frekvence elektromagnetnih valov, se razteza od radijskih, infrardečih, pa vse tja do ekstremno visokih frekvenc sevanja gama žarkov. Elektromagnetno valovanje predstavlja oscilarajoče električno in magnetno polje, ki v vakuumu potuje s svetlobno hitrostjo. Le-ta je tudi povezava med frekvenco in valovno dolžino elektromagnetnega valovanja. c λ = (2.7) f kjer je: λ - valovna dolžina elektromagnetnega valovanja, c- hitrost elektromagnetnega valovanja, f frekvenca elektromagnetnega valovanja. Kadar imamo dvoje teles s temperaturo nad lediščem, se bo medsebojno sevanje zgodilo v obliki toplote. Toplotno sevanje je valovnih dolžin nekje od 0.1 pa do 1000 µ m, in zajema del ultravijoličnega sevanja, vidni spekter, ter infrardeče sevanje. Slednje se razteza µ m in ga v grobem razdelimo na pet delov: - bližnje infrardeče sevanje, - kratkovalovno infrardeče sevanje, - srednje valovno infrardeče sevanje, - dolgovalovno infrardeče sevanje, - daljno infrardeče sevanje.

21 Uporaba termografije v električnih napravah 9 Slika 2.3: Elektromagnetni spekter 2.3 Črno telo Telo, ki vpadle energije ne prepušča in ne odbija, ampak jo v celoti absorbira, imenujemo črno telo. Površina, ki sprejme vso vpadlo energijo, je tudi najboljši oddajnik le-te, saj posledično vsa energija prehaja iz notranjosti skozi površino navzven. Površina črnega telesa oddaja in sprejema energijo neodvisno od smeri. Nobena površina pa ne more absorbirati več sevanja, kot ga lahko sprejme. Obnašanje črnega telesa, nam lepo razlagajo trije zakoni. Planckov zakon, podaja porazdelitev toka izsevanega po valovnih dolžinah, Wienov zakon podaja maksimum izsevanega valovanja pri določeni valovni dolžini, ter Stefanov zakon, ki podaja gostoto izsevanega energijskega toka Stefanov zakon Zakon je oblikovan na osnovi eksperimentalnih opazovanj, in pravi, da gostota energijskega toka sevanja črnega telesa narašča s četrto potenco termodinamične temperature. Enačba predstavlja ves sevalni tok črnega telesa pri vseh valovnih dolžinah.

22 Uporaba termografije v električnih napravah 10 4 ϕ = σt (2.8) kjer je: σ -Stefan-Bolzmanova konstanta T termodinamična temperatura. 5, [ W/m K ], Planckov zakon Če žarek iz črnega telesa izsevane energije razpršimo v spekter, nam občutljiv termočlen, postavljen v spekter, podaja temperaturo, na osnovi katere sklepamo, koliko energije izseva črno telo pri posameznih valovnih dolžinah pri neki frekvenci ( odvisna od temperature). 2 dϕ 2 π h c 1 2 = [W/ m m] (2.9) 5 dλ λ h c k T e λ kjer je: h - planckova konstanta ( 6, Js), 8 c - hitrost elektromagnetnega valovanja ( 3 10 m/s), k - Boltzmanova konstanta ( 1, J/K). Slika 2.4: Spektralna gostota energijskega toka črnega telesa

23 Uporaba termografije v električnih napravah 11 Ploščina pod določeno krivuljo je premo sorazmerna celotnemu energijskemu toku vseh valovnih dolžin in je (glede na Stefanov zakon) premo sorazmerna četrti potenci temperature. Iz Slike 2.4 je razvidno, da se maksimum krivulje pomika h krajšim valovnim dolžinam, če se temperatura sevanca povečuje Wienov zakon Spekter izsevanega elektromagnetnega valovanja ima maksimum pri določeni valovni dožini. Ta valovna dolžina je odvisna od temperature in to tako, da je produkt valovne dolžine, pri kateri ima spekter maksimum, in absolutne temperature konstanten. λ T = k (2.10) max w Vrednost te konstante izračunamo iz Planckovega zakona. V maksimumu je tangenta na krivuljo vodoravna, torej je odvod krivulje d ϕ pri valovni dolžini max dλ λ = λ nič: dϕ 0 dλ = (2.11) Uvedemo novo spremenljivko x, h c x = λ k T max, (2.12) iz katere dobimo x = 5 (1 e x ). Nato s pomočjo navadne iteracije dobimo rešitev, ki je x = Spremenljivko vstavimo v zgornji izraz in tako dobimo Wienovo konstanto k w. k w h c = λmax T = = k x 3 mk (2.13) V literaturi [2], je možno zaslediti, da s pomočjo Wienovega zakona določimo barvo toplotnega sevanja. Za primer lahko vzamemo Sonce, čigar temperatura površine znaša okoli 5800 K. λ max k w 3 2, = = = 0,5µm (2.14) T 5800

24 Uporaba termografije v električnih napravah 12 Rezultat ustreza, saj je valovna dolžina nekje v sredini vidnega spektra, kjer prevladuje rumena barva. 2.4 Realna telesa V realnem svetu ni popolnih teles kot je na primer črno telo, ki vso energijo absorbira in emitira, tudi ni popolnih ogledal, ki bi vso vpadlo energijo odbili, ter leč, ki bi lahko vso energijo prepustile. V laboratoriju pa so že dosegli 99% absorpcijo, obstajajo ogledala, ki odbijajo 98% upadlega sevanja, ter leče, ki pri neki omejeni valovni dolži prepustijo 99% sevanja. Lastnosti realnih teles, kar se tiče sprejemanja energije sevanja so absorpcija, odbojnost oz. reflektivnost ter prepustnost oz. transmisivnost. Vsota vseh treh predstavlja vso energijo, ki je vpadla na telo. Z uvedbo koeficientov lahko zapišemo: α + ρ + τ = 1 (2.15) kjer je:α - absorpcijski koeficient, ρ - reflekcijski koeficient, τ - koeficient prepustnosti. del energije se odbije, oziroma reflektira sevalna energija del energije, ki se absorbira nekaj energije telo prepusti Slika 2.5: Realno telo

25 Uporaba termografije v električnih napravah Emisivnost Po definiciji je emisivnost razmerje, med izsevanim energijskim tokom telesa in tokom idealnega črnega telesa pri enakih pogojih (temperatura, valovna dolžina, smer). ϕ ε = (2.16) ϕ č kjer je: ε - emisivnost, ϕ - gostota energijskega toka poljubnega telesa, ϕ č - gostota energijskega toka črnega telesa. Emisivnost je v grobem značilnost materiala, kako emitira oziroma oddaja toploto v obliki sevanja. Temperatura, valovna dolžina ter kot pod katerim opazujemo objekt so glavni trije faktorji pri določanju emisivnosti posameznega materiala. Znano je, da je najboljši emitor črno telo saj lahko emitira vso energijo, tako je njegov faktor emisivnosti 1. V strokovni literaturi se večkrat uporablja tudi izraz sivo telo, ki si ga lahko predstavljamo kot material čigar emisivnost je pri vseh valovnih dolžinah enaka. Na tej predpostavki se izoblikujejo tabele emisivnosti, saj se večina materialov, če jih omejimo na neko določeno valovno dolžino, obnašajo kot siva telesa. Slika 2.6: Spreminjanje emisivnosti glede na valovno dolžino

26 Uporaba termografije v električnih napravah 14 Slika 2.7: Spreminjanje emisivnosti nekaterih snovi glede na valovno dolžino Vrednost emisivnosti, pa se spreminja tudi s temperaturo. Pri podanih tabelaričnih vrednosti emisivnosti, mora biti podana tudi temperatura, saj se vrednost pri različnih temperaturah spreminja. Za primer, je na sliki 2.8 podanih nekaj materialov. Slika 2.8: Spreminjanje emisivnosti glede na temperaturo

27 Uporaba termografije v električnih napravah 15 Emisivnost pa se spreminja tudi s kotom pod katerim opazujemo objekt. Za črno telo velja, da je emisivnost enaka ne glede na kot opazovanja. Pri realnih telesih to ne velja. Kovinam se začne spreminjati vrednost nekje med 40-50, pri neprevodnikih pa okoli 60. Slika 2.9: Spreminjanje emisivnosti glede na kot opazovanja Tabela vrednosti emisivnosti Tabela vsebuje vrednosti emisivnosti različnih materialov pri različnih temperaturah in valovnih dolžinah ( T, KV, DV). T pomeni področje vseh valovnih dolžin infrardečega spektra, med tem ko KV in DV predstavljata področje kratkovalovnega oziroma dolgovalovnega»okna«. Tabela 2.2: Vrednosti emisivnosti Material Temperatura ( C ) Območje elekm. Spektra Emisivnost Aluminij -poliran T groba površina T hrapav 27 DV oksidiran 200 T oksidiran 600 T anodiziran,črno 70 KV anodiziran,črno 70 DV folija 27 KV folija 27 DV 0.04

28 Uporaba termografije v električnih napravah 16 -aluminijeva bronza 20 T aluminijev oksid 20 T 0.16 Medenina -polirana T 0.03 Bron -poliran 50 T fosforjeva bronza 70 KV fosforjeva bronza 70 DV 0.06 Krom -poliran 50 T poliran T Baker -poliran T poliran 100 T oksidiran 50 T staljen T grob 27 T bakrov oksid 40 T 0.84 Zlato -polirano 100 T polirano T 0.03 Svinec -poliran 100 T oksidiran 20 T oksidiran 200 T 0.63 Nikrom -čisti 50 T čisti T oksidiran T Nikelj -poliran 120 T elektrolitski 22 T elektrolitski 38 T elektrolitski 260 T elektrolitski 538 T oksidiran 200 T nikljev oksid 1227 T 0.85 Platina 17 T T T T polirana T polirana T Srebro -polirano 100 T čisto T

29 Uporaba termografije v električnih napravah 17 Titan -poliran 200 T poliran 500 T poliran 1000 T oksidiran 200 T oksidiran 500 T oksidiran 1000 T 0.60 Cink 50 T poliran 100 T oksidiran 400 T 0.11 Železo -oksidirano 100 T oksidirano 500 T rjavo 25 T 0.65 Lito železo -polirano 40 T polirano 200 T tekoče 1300 T oksidirano 40 T oksidirano 100 T oksidirano T Jeklo 100 T poliran 25 T oksidiran 25 T 0.80 Barve -8 različnih barv 70 KV različnih barv 70 DV modra, Cu O T črna, CuO 25 T zelena, Cu O T rdeča, Fe O 25 T bela, Al O 25 T bela, Y O 25 T bela, ZnO 25 T bela, MgCO 3 25 T bela, ZrO 25 T bela, ThO 2 25 T bela, MgO 25 T bela, PbCO 3 25 T rumena, PbO 25 T rumena, PbCrO 4 25 T krom, zelena 20 T

30 Uporaba termografije v električnih napravah 18 -bronasta 20 T bronasta,lakirana 20 T oljne,8 različnih barv 100 T oljna, črna 20 KV oljna, črna, bleščeča 20 KV oljna, siva 20 KV oljna, siva, bleščeča 20 KV oljna, zelena 100 T oljna, rdeča 100 T oljna, bela 100 T Atmosferska prepustnost Uporabljata se tudi izraza prosojnost in transmisivnost. Gre za lastnost, ki označuje, koliko sevanja snov prepusti. Definirana je kot razmerje med gostoto energijskega toka vpadnega in prepuščenega sevanja. Različna je za različne valovne dolžine. V termografiji je pomembna predvsem atmosferska transmisivnost, saj predstavlja prepustnost atmosfere, ko sevanje potuje iz površine telesa, skozi atmosfero. Pri infrardeči termografiji se uporabljata predvsem dve vrsti detektorjev, to sta kratkovalovni (3-5µm ) in dolgovalovni (8-14µm ). Te vrednosti niso naključne, gre za t.i. atmosferska okna, kjer je prepustnost infrardečih žarkov večja. Na sliki 2.10 je prikazana prepustnost atmosfere za področje kratkovalovnega in dolgovalovnega okna. IR sevanje se pri prehodu skozi ozračje oslabi zaradi absorpcije in sipanja na molekulah, aerosolih, dimu, prahu, dežju in snegu. Pri uporabi termo kamer za ne kontaktno merjenje temperature na večjih razdaljah, se mora slabljenje ozračja upoštevati, sicer so izmerjene vrednosti premajhne. Za laboratorijske razdalje do nekaj deset metrov se slabljenje ozračja načeloma ne upošteva. Največji del termičnega sevanja valovnih dolžin med 2µm in 20µm se absorbira na vodni pari, ogljikovem dioksidu in ozonu, ki tako v največji meri omejujejo prepustnost ozračja na znani okni (3-5)µm ter (8 14)µm. Drugi mehanizem slabljenja sevanja, to je sipanje na molekulah, aerosolih, prahu, dimu, meglicah, megli in oblakih, je zelo odvisen od velikosti delcev in valovne dolžine svetlobe. V splošnem velja, da je slabljenje manjše, čim manjši so delci in čim daljša je valovna dolžina svetlobe. To je zelo pomembno dejstvo, kajti to pomeni, da je slabljenje

31 Uporaba termografije v električnih napravah 19 infrardečega sevanja z valovnimi dolžinami med 8 in 14 mikrometri bistveno manjše kot slabljenje vidne svetlobe, pri enakih fizikalnih razmerah v ozračju. Slika 2.10: Atmosferska prepustnost Opazovanje objekta Telo, neke emisivnosti, seva toplotno energijo, ki potuje skozi atmosfero in zadeva leče kamere ( ε τ Φ ). Na telo oziroma objekt, ki ga opazujemo, sevajo tudi ostala telesa iz obj okolice. Pri tem se del energije reflektira od objekta in potuje skozi atmosfero do leč kamere ( (1 ε ) τ Φokl ). Del sevanja pa prispeva tudi atmosfera ( (1 τ ) Φatm ). Vsota je skupno toplotno sevanje, ki ga prejme kamera: Φ = ε τ Φ + (1 τ ) ε Φ + (1 τ ) Φ (2.17) sk obj okl atm kjer je: Φ - skupni toplotni tok sevanja, sk Φobj - toplotni tok, ki ga izseva opazovan objekt, Φokl - toplotni tok iz okolice, ki se reflektira od opazovanega objekta, ε - emisivnost objekta, τ - atmosferska prepustnost.

32 Uporaba termografije v električnih napravah 20 opazovan objekt atmosfera kamera ε Φ obj ( ε ) 1 Φokl ε τ Φ obj (1 ε ) τ Φ okl (1 τ ) Φ atm T obj, Φ obj sevanje, ki prihaja iz okolice T, Φ okl okl Slika 2.11: Opazovanje objekta s kamero

33 Uporaba termografije v električnih napravah 21 3 KAMERA IN PROGRAMSKA OPREMA 3.1 Lastnosti in zgradba termo kamer Termo kamera je v osnovi sestavljena iz štirih delov: - optika, - detektor, - elektronika, - prikazovalnik slike. Optika kamere ter njen detektor, sta glavni enoti, po katerih se posamične kamere razlikujejo. Elektronika, ki se uporablja je zelo podobna tisti v»običajnih«kamerah, kot prikazovalnik slike pa se naj pogosteje uporabljajo zasloni tipa LCD. Termo kamera ima običajno vgrajen tudi program za kvantitativno obdelavo termične slike, kar omogoča sprotno odčitovanje temperature na termogramu. V prodaji so predvsem termo kamere za kratkovalovno in dolgovalovno območje infrardeče svetlobe. Za civilno rabo v elektrotehniki je bolj primerna uporaba kamere, ki deluje v področju dolgovalovnega»okna«. Te kamere so bolj primerne od kratkovalovnih, v primeru merjenja z daljših razdalj (atmosferska prepustnost je boljša in stabilnejša), vpliv vlage v ozračju je manjši, boljša je tudi občutljivost pri nižjih temperaturah. Uporaba kamere za kratkovalovno območje je primernejša v primeru merjenja višjih temperatur, njihova raba pa je omejena za razdalje nekje do 200 m.

34 Uporaba termografije v električnih napravah Optika kamere Infrardeče sevanje ima podobne lastnosti kot vidna svetloba, predvsem kar se tiče odbijanja in lomljenja žarkov. Zaradi podobnih lastnosti je optika termo kamere narejena na podoben način kot»normalna«kamera. Razlika pa se pojavi pri izbiri materialov, saj steklo ne prepušča infrardeče svetlobe dovolj dobro. Germanij in Silicij sta materiala, katerih lastnosti so primerne za uporabo pri termo kamerah, saj dobro prepuščata infrardečo svetlobo in ne prepuščata vidne svetlobe. Iz slike 3.1 je lepo razvidno, da se Silicij uporablja predvsem pri kratkovalovnih termo kamerah, saj je njegova prepustnost infrardeče svetlobe v področju dolgovalovnega okna nestabilna. Tako se za termo kamere ki delujejo v področju dolgovalovnega okna (8-13µm ) uporablja germanij. Oba materiala imata dobre mehanske lastnosti in sta dokaj enostavna za izdelavo leč. Slika3.1: Prepustnost Si in Ge v področju delovanja termo kamere Lom in odbojnost vpadle svetlobe Kadar infrardeča svetloba potuje iz medija skozi atmosfero, ter zadeva leče kamere, prihaja do reflekcije oz. loma svetlobnih žarkov. Lomni zakon govori o prehodu iz optično redkejše v optično gostejšo snov kot tudi obratno.

35 Uporaba termografije v električnih napravah 23 n1 n2 α 1 α 2 sinα sin n Slika 3.2: Lomni zakon 1 2 α = 2 n (3.1) 1 kjer je: α 1 - vpadni kot, α2 - lomni kot, n1, n2 - lomna količnika. Lomni zakon povezuje vpadni in lomni kot z lomnima količnikoma snovi, ki ju označimo z črko n. V primeru zraka je lomni količnik 1, medtem ko ima germanij vrednost 4. Tabela 3.1: Odboj svetlobe, glede na lomni količnik. n Odboj svetlobe (%) Zgornja tabela prikazuje, koliko odstotkov vpadle svetlobe se odbije, glede na lomni količnik. Vrednosti veljajo samo za prehod iz zraka na drugi medij in obratno. Ker pa ima optika kamere več leč in je izguba intenzitete svetlobe prevelika, se uporablja prekrivanje leč z materiali ki zmanjšajo odbojnost. Le-ta mora biti tanek, približno 0,25µm in mora dobro prepuščati infrardečo svetlobo. V modernih termo kamerah se uporablja t.i. večplastno prekrivanje (multi-layer coating), na primer s tremi plastmi, le te morajo biti med seboj usklajene, tako da dobimo majhno odbojnost pri različnih valovnih dolžinah.

36 Uporaba termografije v električnih napravah 24 Slika 3.3: Večplastno prekrivanje leč Okna V primeru, da se objekt ki ga želimo opazovati, nahaja v zaprtem prostoru v katerem se kamera ne mora nahajati, to je na primer vetrovnik, komora, razne industrijske linije itd., uporabljamo t.i. okna. Lahko si jih predstavljamo kot odprtino, prekrito z materialom, ki dobro prepušča infrardečo svetlobo. Pri izbiri materiala moramo biti pozorni saj mora biti odporen na različne razmere, kot so razne mehanske obremenitve, visoka temperatura, visok tlak, hlapi, njihovo območje prepustnosti pa se mora ujemati z prepustnostjo kamere. Iz slike 3.4 je lepo razvidna prepustnost nekaterih materialov. V primeru dolgovalovnega območja uporabljamo predvsem okna iz cinkovega sulfida (ZnSe). Ta material dobro prepušča infrardečo svetlobo skozi celotni spekter, tudi na področju kratkovalovnega okna. Vendar za slednjega uporabljamo druge materiale, kot je na primer Safir, saj imajo v kratkovalovnem področju zelo dobro prepustnost.

37 Uporaba termografije v električnih napravah 25 Slika 3.4: Prepustnost nekaterih materialov glede na valovno dolžino Slika 3.5: Prepustnost ZnS in ZnSe, glede na valovno dolžino pri različnih temperaturah

38 Uporaba termografije v električnih napravah Detektor Detektor je jedro termo kamere, saj sevanje opazovanega objekta, ki ga nanj usmerja optika, pretvarja v električne signale. Detektorju je podrejena celotna zasnova kamere, z njim je določena kvaliteta slike, občutljivost in ne nazadnje tudi cena. Detektorje v grobem delimo na fotonske in termične. Fotonski IR detektorji izkoriščajo foto efekt, medtem ko termični izkoriščajo spremembe različnih lastnosti materialov, ki so funkcija temperature. Fotonski detektorji potrebujejo ohlajanje na temperaturo 80 K, zaradi česar so precej dražji in imajo krajšo življenjsko dobo. V primerjavi z termičnimi so veliko bolj občutljivi in hitrejši. Uporabljajo se predvsem v vojaške namene, medtem ko se termični detektorji uporabljajo za civilno uporabo. Slednje delimo na bolometrične, feroelektrične in piroelektrične detektorje. Najpogosteje se uporabljajo nehlajeni matrični mikrobolometri. Mikrobolometri so bolometri (naprava za merjenje toplotnega sevanja), katerih senzor zadeva infrardeča svetloba določenih valovnih dolžin, ki segreva vrhnjo plast senzorja, kar se zazna kot sprememba električne upornosti. Detektorji so toplotno izolirani in delujejo v vakuumu. Slika 3.6: Matrični mikrobolometrični IR dtektor

39 Uporaba termografije v električnih napravah NETD in MRTD Najpomembnejša tehnična parametra pri meritvah s termo kamero sta NETD ( Noise Equivalent temperature difference) po slovensko ekvivalentna šumna temperaturna razlika in MRTD (Minimal resolvable temperature difference), ki združuje prostorsko ločljivost, temperaturno občutljivost in operaterjevo sposobnost opazovanja. NETD, je objektivni parameter, ki je določen predvsem z geometrijo in občutljivostjo detektorja ter z velikostjo optike. Uporablja se ga kot merilo za občutljivost. Vrednosti za termo kamere so manjše od 0,2. NETD = π abb Wλ 0 D 0 T 0 αβ A ( λ) τ ( λ) (3.2) kjer je: a,b linearni dimenziji detektorskih elementov, B- frekvenčna širina detektorskega kanala, α, β - trenutno zorno polje detektorskega elementa, α, β A 0 - površina vhodne odprtine optike, D ( λ) - specifična občutljivost IR detektorskih elementov, W / T - odvod planckove enačbe po temperaturi, λ τ ( ) 0 λ - prepustnost optike. MRTD združuje prostorsko in temperaturno ločljivost naprave ter zmogljivost opazovalca, ki s svojimi očmi ocenjuje kvaliteto ter uporabnost termične slike. 6NETD αβ ft MRTD = (3.3) MTFs T F π e kjer je: α, β - trenutno zorno polje detektorskega elementa ft -prostorska frekvenca opazovanega objekta,

40 Uporaba termografije v električnih napravah 28 Te - integracijski čas očesa, F - slikovna frekvenca, MTFS - modulacijska prenosna funkcija sistema, vključno z opazovalcem. Ostali pomembni parametri termo kamer so podani v tabeli 3.2, na primeru kamere InfraTec VarioCam. 3.2 Termo kamera InfraTec VarioCam Termo kamera VarioCam, deluje v področju dolgovalovne okna. Gre za sodobno kamero z nehlajenim, matričnim, bolometričnim detektorjem Takšne kamere so bolj primerne za uporabo na področju elektro energetike, kot kratkovalovne. Slednje niso najbolj primerne za zunanjo rabo, saj je atmosferska prepustnost v kratkovalovnem oknu slabša. Primernejše so za uporabo pri merjenju visokih temperatur, nad 300 C. Tabela 3.2: Lastnosti termo kamere VarioCam Spektralno območje delovanja (8-13) µm Območje merjenja ( ) C NETD 0,1 K Točnost merjenja ±2% Emisivnost Nastavljiva (0,01-1), s korakom 0,01 Tip detektorja Matrični, 320x240, nehlajen, bolometer A/D Pretvorba 16 bitna Temperaturno območje delovanja (-15 50) C Temperaturno območje skladiščenja (-40 70) C Dimenzija (235x185x110) mm Masa 2,2 kg

41 Uporaba termografije v električnih napravah 29 Slika 3.7: Termo kamera InfraTec VarioCam Pri opazovanju s termo kamero, je v osnovi za pravilno opazovanje potrebno nastaviti: - Pravilno nastavitev izostritve ( priporočljiva uporaba funkcije»autofocus), saj kasneje pri programski obdelavi, korekcija ni možna. - Primerna izbira temperaturnega območja. - Pravilna nastavitev razdalje med kamero in opazovanim objektom. - Nastavitev faktorja emisivnosti. - Zmanjšanje vpliva iz okolice. Termo kamera VarioCam se upravlja s tipkami A, T, S, C, ter Enter. Gre za funkcijske tipke, njihov pomen pa se spreminja s kontekstom posameznih menijev. - Tipka A se uporablja pri avtomatskih funkcijah, kot je npr.»autoimage«. - Tipka S se uporablja za zamrznitev slike, če pa jo držimo dalj časa, pa se slika na termogramu shrani. - Tipka T se uporablja za določevanje in spreminjanje točk na termogramu. Če tipko držimo dalj časa, se nam odpre meni za urejanje posamičnih točk. - Tipka C se uporablja za menjavo posamičnih barvnih palet, če pa jo držimo pet sekund, to pomeni izklop kamere. - Tipka Enter se uporablja kot potrditev posameznih funkcij. Izvedena je kot krmilna palica, s katerih krmilimo po posameznih menijih.

42 Uporaba termografije v električnih napravah 30 Slika 3.8: Ukazne tipke termo kamere InfraTec VarioCam Pri upravljanju in s termo kamero lahko izbiramo med štirimi meniji. To so»live«,»focus«,»spot Editor«in»Main«meni. V primeru»live«menija, s smernimi tipkami na kontrolni palici, spreminjamo temperaturni nivo ( ), ter temperaturno okno ( ). Pri izbiri»focus«menija, se funkcija smernih tipk spremeni, saj uporabljamo ( ) za izostritev slike, medtem ko ( ) za povečavo oziroma pomanjšavo. Slika 3.9:»Live«in»Focus«meni prikaza slike

43 Uporaba termografije v električnih napravah 31 V meniju»spot editor«urejamo izbrane točke na zaslonu. Na voljo so»sptpos«(pozicija izbrane točke),»sptdim«(dimenzija izbrane točke) in»spteps«(emisivnost izbrane točke).»main«oziroma glavni meni, vsebuje štiri pod menije. To so»image«(nastavitve in urejanje prikazane slike na zaslonu),»file«(datotečne nastavitve),»meassure«(nastavitve meritev), ter»settings«(nastavitve kamere). Odpremo ga z daljšim pritiskom tipke Enter. Tabela 3.3: Glavni meni»imagefilemeassuresettingsvisiblefile loadmax.&min.extrapalletecommentdifferencescalibimage filtersave formatemissivityautomaticimage elementsfile deleteenv. temp.a-keyisothermsgallerytransmissivitycompesationlevel/rangecreate folderpath temp.alarmformat CF carddistanceconfigmaterialsystemprofiledisplay«meni»image«oziroma slika, omogoča nastavitve prikazane slike na zaslonu. Pod tem menijem je tudi funkcija»visible«, ki omogoča povsem normalen pogled kot npr. navadna kamera. Ostale funkcije so še izbira palete, temperaturno območje,»isotherm«ter filtriranje. Filter lahko nastavljamo na tri stopnje (šibko, srednje, močno) ali pa je izklopljen. Večja kot je nastavitev filtra bolj ostra je prikazana slika. Maksimalna nastavitev filtra je priporočljiva pri merjenju nizkih temperatur (pod 15 C ). Funkcija»isotherm«omogoča prikaz točno določene, v naprej izbrane vrednosti temperature na sliki. Meni»folder«oziroma datoteka omogoča funkcije kot so shranjevanje slike, izbira formata slike (.irb ali.bmp), komentar slike, galerija, brisanje slik, ustvarjanje novih map za shranjevanje slik in formatiranje spominske kartice. Meni»measure«oziroma meritve vsebuje vse funkcije za nastavitev merjenja temperature. V primeru funkcij maksimum ter minimum, je na sliki označena največja ter najmanjša vrednost temperature točkovno. Ti dve točki sta lahko izbrani za celotno sliko, ali pa samo za v naprej izbran del slike. Funkcija»diference«nam omogoča opazovanje razlike temperature na dva načina ( časovno ter za izbran del slike).

44 Uporaba termografije v električnih napravah 32 Slika 3.10: Funkcija časovne in točkovne spremembe Ostali pod meniji so še nastavitev emisivnosti, transmisivnosti oziroma prepustnosti, temperature okolice, nastavitev razdalje med kamero ter opazovanim objektom, izbira opazovanega materiala ter temperaturni profil slike. Slika 3.11: Meni»measure«ter okno za nastavitev emisivnosti Pod meni»material table«vsebuje že nekaj v naprej izbranih, pogosto uporabljenih emisivnosti materiala. Funkcija je nastavljena na vrednost 1 ( črno telo ), če ne izberemo katere druge vrednosti. Če pa smo pod menijem emisivnost nastavili drugo vrednost, se ta funkcija ne uporablja. Podmeni temperaturni profil slike prikazuje vrednosti temperature v obliki horizontalnega ali vertikalnega profila. Meni»settings«oziroma nastavitve ima devet pod menijev. To so»extra«(za reduciranje šuma),»calib«(kalibriranje kamere; vsebuje tudi možnost avtomatskega kalibriranja),»a-key«(nastavitev funkcije tipke A; možnost izbire med kompenzacijo in avtomatskim prilagajanjem območja temperature glede na sliko),»config«(shranjevanje in

45 Uporaba termografije v električnih napravah 33 nalaganje izbranih nastavitev ),»compensation«( kompenzacija parametrov),»alarm«(za določeno temperaturno območje; deluje lahko za celotno sliko, ali pa le za izbrano točko),»system«(nastavitev jezika, datuma, ure, enot in napajanja),»display«(nastavitve zaslona; npr. osvetlitev) ter funkcija»automatic«. Slednja funkcija je zelo uporabna, saj omogoča tudi avtomatsko shranjevanje slik. Določiti je potrebno le čas začetka shranjevanja, končno število predvidenih slik ter frekvenco zajemanja slik (v sekundah). Slika 3.12: Meni»settings«ter okno za nastavitev avtomatskega shranjevanja 3.3 IRBIS professional software V2.2 Irbis professional software V2.2, je programsko orodje za obdelavo slik, posnetih s termo kamero. Program sestavlja enajst glavnih menijev. Tabela 3.4: Meniji programa Irbis professional V2.2. Ime menija File Edit View Thermogram Measurement Correcture Sequence Report Extras Window Help Funkcije odpri, shrani, naloži Modifikacija termograma Profili, zoom, 3D. Parametri termograma Funkcije za merjenje temperature Funkcije za urejanje in popravljanje termograma Sekvenčna obdelava termograma Izdelava poročil o meritvi Funkcija za kreiranje palet Nastavitev prikaza programa Pomoč

46 Uporaba termografije v električnih napravah 34 Slika 3.13: Program Irbis professional V Orodna vrstica V orodni vrstici se nahajajo najpogosteje uporabljene funkcije, ki jih uporabljamo pri obdelavi termograma. Poleg standardnih, kot so»odpri«,»shrani«,»povečaj«itd., so zelo koristne funkcije za hitro listanje slik, določitev merilnih točk ali dela slike, določitev emisivnost ter določitev maksimalne in minimalne vrednosti. Slika 3.14: Orodna vrstica Slika 3.15 prikazuje uporabo funkcij za točkovno ali geometrijsko zajemanje slike. Točka P01 je izbrana z funkcijo točkovnega, L02 linijskega, R03 kvadratnega, C04 elipsastega, C05 krožnega in X06 poligonskega zajemanja podatkov. Pri vseh geometrijskih funkcijah, nam program poda povprečno temperaturo znotraj izbranega lika. Ob sliki je še izrisan vertikalen in horizontalen profil temperature slike.

47 Uporaba termografije v električnih napravah 35 Slika 3.15: Načini zajemanja vrednosti. V primeru uporabe funkcije za maksimalno oziroma minimalno vrednost temperature, nam program prikaže maksimalne oziroma minimalne vrednosti znotraj posameznega, geometrijsko izbranega dela slike, ter maksimalno oziroma minimalno vrednost izmed vseh geometrijsko izbranih delov. Program tudi znotraj vsakega, npr. kvadratnega dela, označi točko z največjo oziroma najnižjo temperaturo. Dobljeno sliko lahko prikažemo tudi v 3D obliki. S pomočjo podmenija»3dvisualization«, v meniju»view«. Slika 3.16 : 3D prikaz termograma

48 Uporaba termografije v električnih napravah Obdelava in urejanje termograma V menijih»termogram«,»measurment«in»correcture«, lahko urejamo, nastavljamo in popravljamo posamezne slike in posledično tudi spreminjamo dobljene vrednosti temperature. Funkcije so zelo uporabne, saj nam omogočajo korekcijo in odkrivanje detajlov, ki jih mogoče pri direktnem opazovanju s kamero nismo opazili, ali pa se nam niso zdeli pomembni. Glede same preglednosti slike, nam meni»termogram«omogoča nastavitev različnih barvnih palet, razpon temperaturne skale ter izbiro prikazane veličine. Slika 3.17: Nabor palet.

49 Uporaba termografije v električnih napravah 37 Zelo uporabna funkcija prikaza je tudi»isotherms«, ki nam omogoča nastavitev 10 različnih vrednosti temperatur, ki jih omejimo z spodnjo in zgornjo vrednostjo. Posamične izbrane vrednosti so prikazane na termogramu, v naprej izbrani barvi. Slika 3.18 prikazuje uporabo funkcije; izbrano območje je obarvano z belo barvo. Slika 3.18: Uporaba funkcije»isotherms«pri izbiri prikaza temperature lahko izbiramo med veličinami kot so Celzij ( C), Fahrenheit ( F) in Kelvin (K). Možen je tudi prikaz v obliki spektralne gostote toka 2 sevanja (W/ m ). Pri izbiri razpona temperaturnega območja lahko izbiramo med petimi različnimi opcijami. Možnosti»shot«in»range«se nanašata na vrednosti ki so bile nastavljene na kameri med snemanjem. Možnost»object«nam omogoča prilagoditev glede na vrednosti temperatur opazovanega objekta,»selection«omogoča izbiro dela prikazane slike kot osnovo za zgornjo in spodnjo vrednost, ter»direct«, ki omogoča poljubno nastavljanje. V meniju»measurment«lahko za izbrano točko spreminjamo njeno emisivnost in položaj. Kadar zajemamo vrednosti v obliki lika (npr. pravokotnik), lahko nastavimo meritev povprečne, maksimalne ter minimalne vrednosti znotraj izbranega lika.

50 Uporaba termografije v električnih napravah 38 Slika 3.19: Okno menija»measurment«kadar želimo grafično prikazati potek meritve, moramo izbrane točke izbrati v zavihku»histogram«ter»profile«. V meniju»sequence«pa izberemo slike katere želimo, da nam jih program upošteva pri izrisu. Če izberemo pravokotno zajemanje vrednosti (slika 3.20), lahko izberemo, ali naj program izriše v diagramu maksimalno, minimalno ali pa povprečno vrednost. Časovno odvisni funkciji sta»time«in»histogram«. Slednji prikazuje spreminjanje temperature v s pomočjo barvne palete. Število posamičnih barvnih odsekov izberemo poljubno, ne moremo jih pa poljubno oblikovati, kot npr. pri funkciji»isotherms«. Pri funkciji»time«program izriše časovno spreminjanje temperature. Na slikah 3.21 in 3.22 je izris povprečne vrednosti temperature pravokotnika, na kontaktnem nožu.

51 Uporaba termografije v električnih napravah 39 Slika 3.20: Pravokotno zajemanje vrednosti na kontaktnem nožu Slika 3.21: Uporaba grafične funkcije»time«

52 Uporaba termografije v električnih napravah 40 Slika 3.22: Uporaba grafične funkcije»histogram«v meniju»correcture«lahko izbiramo med zavihkoma»shapes«in»global«. Pri slednjem lahko nastavljamo emisivnost, temperaturo okolice, razdaljo in prepustnost atmosfere. Nastavljene vrednosti veljajo za celotno sliko. V primeru da želimo spremeniti vrednost izbranega dela slike, kot je npr. pravokotnik, na sliki 3.20 izberemo funkcijo»shapes«. Omogoča nam tudi nastavitve, če objekt opazujemo npr. skozi termografsko okno. Pri tem moramo nastaviti vrednost prepustnosti materiala okna. Slika 3.23: Okno»shapes«za korekcijo termograma

53 Uporaba termografije v električnih napravah 41 4 PRIMER UPORABE TERMOGRAFIJE 4.1 Splošno Uporaba termografije je danes ena najbolj razširjenih oblik preventivnega vzdrževanja. Omogoča hitro odkrivanje napak, je relativno poceni, z brez kontaktnim opazovanjem ne vplivamo na delovanje procesa, iterpretacija termografa je enostavna in konec koncev ima zelo širok spekter uporabe. Nekaj primerov uporabe: -Proizvodnja in distribucija električne energije; pregledi in nadzorovanje generatorjev, napetostnih regulatorjev, relejev, transformatorjev, stikališč, toplotnih izmenjevalcev, hladilnih stolpov, visoko in nizko napetostnih linij, kablov, itd. - Proizvodnja in končna kontrola kvalitete pri izdelavi vseh vrst gospodinjskih aparatov. - Proizvodnja v železarnah, plavžih, vroče valjenje, itd. - Proizvodnja gumarskih izdelkov, cementa,stekla, itd. - Vzdrževanje energetske opreme. - Merjenje toplotnih izgub stavb, iskanje toplotnih mostov in vlažnih mest. - Ugotavljanje kvalitete izolacijskih materialov, itd. - Nadzorovanje ležajev(pregrevanje,disipacija toplote, mazanje). - Ne destruktivno testiranje raznih mehanizmov, osi, ulitkov, zvarov, itd. - Pregledovanje tiskanih vezij. - Določanje mehanskih napetosti kot posledica dinamičnih obremenitev (vibracije).

54 Uporaba termografije v električnih napravah 42 Pri opazovanju in merjenju, lahko termografijo razdelimo na aktivno in pasivno. V primeru pasivnega opazovanja opazujemo objekt v stacionarnem stanju, medtem ko pri aktivni termografiji opazovan objekt opazujemo v dinamičnem stanju tako, da le-tega toplotno vzbudimo. Slika 4.1: Uporaba termografije v električnem omrežju 4.2 Potek meritve temperature ločilnega stikala Meritev smo izvajali s dolgovalovno termo kamero VarioCAM, ki je podrobno opisana v tretjem poglavju in s termočlenom.najprej smo merili temperaturo stikala pri različnih vrednostih toka ( 630, 880 in 1800A). V drugem primeru pa smo merili temperaturo stikala pri nazivnem toku, spreminjali pa smo kontaktni pritisk. Z matematično formulo, smo analitično izračunali temperaturo kontaktov ločilnega stikala, pri ustaljeni temperaturi. Pri tem smo uporabili vrednosti, ki smo jih izmerili pri meritvi kontaktne upornosti. Meritev je bila izvedena na ločilnem stikalu tipa OLN 12/630. Šest merilnih točk smo izbrali na kontaktih stikala, eno na kontaktnem nožu in eno na pomožnem kontaktnem nožu. Postavitev kamere prikazuje slika 4.2, točke meritve pa slika 4.3. Točke od T1 do T6 predstavljajo kontakte ločilnega stikala, T7 temperaturo okolice, T8 in T9 pa temperaturo kontaktnega noža, oziroma pomožnega kontaktnega noža prvega pola. Obe napravi sta časovno usklajeni. Termočlen izvaja meritev v izbranih točkah vsakih deset sekund, kamera pa avtomatsko naredi sliko vsako minuto in jo shrani na pomnilniško kartico. V tem času je vseeno možno narediti sliko s kamero v poljubnem trenutku. Uporaba je v tem času enostavna saj omogoča opazovalcu sprotno spreminjanje prav vseh nastavitev (temperatura okolice, razdalja, faktor emisivnosti, barvna paleta ). Pred meritvijo je potrebno nastaviti le okvirno število slik ter sekvenco časovnega zajemanja slik.

55 Uporaba termografije v električnih napravah 43 Slika 4.2: Postavitev kamere Slika 4.3: Postavitev merilnih točk Termočlen Termočleni se veliko uporabljajo v elektrotehniki kot temperaturni senzorji. Spojno mesto termočlenov je zelo majhno, kar je ugodno. Ima majhno toplotno kapaciteto in ga je moč uporabljati na širokem temperaturnem območju, na primer pri segrevanju kovin. V osnovi gre za dve kovini, ki sta na enem koncu med seboj spojeni. Ko spoj segrevamo, se na priključkih pojavi električna napetost, ki je odvisna od uporabljenih kovin in temperature. Termočlen meri temperaturno razliko med vročim (spojenim) in hladnim (ne

56 Uporaba termografije v električnih napravah 44 spojenim) koncem. V našem primeru smo uporabili termočlen NiCr-Ni, ki ima temperaturno območje od -200 C do 1370 C. Odstopanje je ±0.05 K. Meritev izvajamo preko instrumenta Alemo, na katerega priključimo termočlene preko vmesmika. Alemo proizvajalca Alhborn je naprava za merjenje in shranjevanje veličin ( temperatura, tlak, pritisk itd), v angleščini pa se uporablja izraz»data logger«. Naprava ima do 90 električno izoliranih vhodov, 100 merilnih kanalov in do 65 različnih nivojev merjenja. Slika 4.4: Naprava za merjenje in shranjevanje veličin Alemo Alhborn Ločilno stikalo OLN 12/630 Primer uporabe termo kamere, smo preizkusili pri meritvi temperature ločilnega stikala. Slednje je tip OLN 12/630 VIZD proizvajalca TSN Maribor. Gre za ločilno stikalo z generiranjem plina. Sposoben je vkljapljati, voditi in izklapljati tokove nazivnih obremenitev ter vkljaplajti in kratkotrajno voditi kratkostične tokove, ne more pa izklapljati kratkostičnih tokov. Ločilno stikala prekinja električni oblok, zato mora imeti kakovosten kontaktni sistem in zanesljive načine gašenja električnega obloka. Deluje na principu gašenja obloka s plinom v komori. Poznanih je več izvedb, najbolj uporabni sta izvedbi z komoro v obliki cevi ter z ploščato komoro. Uporabljajo se za notranjo montažo, nazivnih napetosti 12, 24 in 38 kv ter nazivne tokove do 2500 A.

57 Uporaba termografije v električnih napravah 45 Slika 4.3: Ločilno stikalo OLN 12/630 Tabela 4.1: Tehnični podatki ločilnega stilala (1) p U r Nazivna atmosferska napetost ločilna zdržna udarna Medpolovna in dozemna Nazivna zdržna napetost industr. frekvence ločilna Medpolovna in dozemna mm kv kv kv kv kv Tabela 4.2: Tehnični podatki ločilnega stikala (2) p U r I n I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 I ma I dyn I th mm kv A A A A A A A ka ka ka Kjer je: p- medpolovna razdalja U r - nazivna napetost (najvišja napetost opreme), I n - nazivni tok, I 3 - izklopna zmogljivost pri cosϕ = 0.7 in 3 ciklih C-O,

58 Uporaba termografije v električnih napravah 46 I 4 - nazivna izklopna zmogljivost zaprte zanke, I 5 - nazivna induktivna izklopna zmogljivost, I 6 - nazivna izklopna zmogljivost neobremenjenega kabla, I ma - nazivna kratkostična vklopna zmogljivost, I dyn - nazivni temenski zdržni tok, I th - nazivni kratkotrajni zdržni tok. 4.3 Fizikalne osnove električnih kontaktov Preskušanja mikro sestave materiala na mestu dotika so pokazala, da se kontakta nikoli ne dotikata na celi površini, ampak zaradi neravnosti materiala le na nekaj točkah. Te točke se že pri majhnih pritiskih plastično deformirajo in se večajo s pritiskom kontaktne površine. S povečanjem pritiska se zmanjšuje upornost kontakta. Na ozkih prehodih na kontaktni površini je povečana koncentracija tokovnic, tako je dejanski prehod kjer teče tok, precej manjši. To se zazna kot povečanje upornosti, ki jo imenujemo prehodna upornost R p. Slika 4.6: Potek tokovnic pri kontaktih Drugi del kontaktne upornosti povzročajo tuji sloji, ki se nalagajo oziroma nastajajo na kontaktnih površinah. Kovinski materiali se pod vplivom atmosfere oziroma kemikalij prevlečejo s slabo vodljivimi sloji (oksidi, suflidi, ). Le-ti v odvisnosti od debeline, vplivajo na pretok toka. Upornost povzročeno zaradi tujih slojev imenujemo slojna upornost R s.tako je celotna kontaktna upornost vsota prehodne in slojne upornosti.

59 Uporaba termografije v električnih napravah 47 Rk = Rp + Rs (4.1) Prehod toka skozi sloje je odvisen od tega, ali so sloji enomolekularni al debelejši. Kontakte z enomolekularnimi sloji imenujemo kvazikovinski, saj se lahko vpliv teh slojev pri večjih tokih zanemari. Lastnost, da tok prehaja skozi takšne sloje brez upora, imenujemo tunelski efekt. Verjetnost neoviranega prehoda elektronov skozi stene slojev pada zelo hitro z večanjem debeline sloja, zato je za pravilno delovanje aparatov nujno, da dosežejo kvazikovinski kontakt. To dosežemo z dovolj velikimi pritiski med kontakti. Če se zaradi slabe konstrukcije ne doseže kvazikoviskega dotika na mehanski način, bo prišlo po zapiranju kontakta do električne poškodbe makroslojev po principu termičnega preboja. Ker so sloji dejansko izolatorji, prehaja skozi njih majhen tok. Na neki točki bo gostota toka največja in bo prišlo do lokalnega pregretja in ustvarjanja novih izolacijskih mest Izračun kontaktne upornosti Če predpostavimo, da je dotično mesto krožna ravnina s polmerom a, dobimo enačbo za prehodno upornost: R p ρ = (4.2) 2a Velikost dotičnega mesta povzročenega s plastično deformacijo, je odvisna od kontaktnega pritiska F in trdote materiala H. Fk H = a = 2 a π Fk π H (4.3) R p ρ π H = (4.4) 2 F kjer je: k a - polmer dotične površine ravnine, H - trdota kontaktnega materiala, Fk - kontaktni pritisk, ρ - specifična upornost materiala.

60 Uporaba termografije v električnih napravah 48 Slojno upornost kvazikovinskih kontaktov, katerih osnova je tunelski efekt, določimo z enačbo: R s σ = π a 2 kjer je: σ - specifična slojna upornost, a - polmer dotične površine ravnine. (4.5) Če v zgornjo enačbo vstavimo enačbo (1.1), dobimo: H Rs = σ (4.6) F k Specifična slojna upornost σ je odvisna samo od debeline makromulekularnih slojev in je 2 za vse kovine pribljižno enaka (10-12) Ω m. Tabela 4.3: Specifična upornost in trdota nekaterih materialov Material ρ( Ω m) 2 H (N/m ) Srebro Baker Medenina Volfram Aluminij (1.8 4) 10 Zlato (2 7) 10 Svinec Železo (10 12) Meritev kontaktne upornosti Meritev kontaktne upornosti smo izvedli pri hladnem stikalu ter pri ustaljenih temperaturah. Pomembna je bila predvsem meritev pri ustaljeni temperaturi, saj na te predpostavki temelji tudi analitični izračun.

61 Uporaba termografije v električnih napravah 49 Shunt (100 A/ 60mV ) V V R = 90mΩ + - Akumulator (12V, enosmerna napetost) Slika 4.7: Meritev kontaktne upornosti Merili smo padec napetosti vrednosti kontaktne upornosti. I shunt U pol, ter s pomočjo enačb (4.7) in (4.8) izračunali 10 = U shunt (4.7) 6 R k U pol = (4.8) I shunt kjer je: I shunt - tok skozi shunt U shunt - padec napetosti na shunt-u U pol - padec napetosti, izmerjen na posameznem polu Tabela 4.4: Vrednosti kontaktnih upornosti polov pri hladnem stikalu. faza I [ A] [ mv] R [ Ω] shunt U pol L ,23 10 L ,67 10 L ,02 10 Tabela 4.5: Vrednosti kontaktne upornosti (L1) pri spremembi toka. I [ A] I [ A] [ mv] R [ Ω] shunt U pol , , ,75 10 k k

62 Uporaba termografije v električnih napravah 50 Kontaktni pritisk F k nismo merili temveč smo ga izračunali iz izmerjenih vrednosti kontaktne upornosti. Pri izračunu smo predpostavili, da ni slojne upornosti, kot osnovo za računaje pa smo uporabili (4.4). 2 ρ π 2 Rk H Fk = (4.9) 4 V primeru nespremenjenega kontaktnega pritiska smo izračunali: F k ρ π H ( ) π Rk ( ) = = = 24.7N 4 4 Kontaktni pritisk smo spreminjali samo v fazi L1. Spreminjanje, je bilo izvedeno s pomočjo vzmeti, kot prikazuje slika 4.8. Meritev s kamero, je pričakovano kazala skoraj enake vrednosti kot termočlen. Odstopanje temperature je v povprečju znašalo med 0,5 in 1 C. Slika 4.8:Vzmet za spreminjanje kontaktnega pritiska

63 Uporaba termografije v električnih napravah 51 Tabela 4.6: Vrednost kontaktne upornosti pri standardnem kontaktnem pritisku (L1) I [ ] [ ] [ ] Kontaktni shunt A U pol mv Rk Ω Stanje pritisk Stikala [N] ,4 5 8,23 10 Ohlajen ,8 5 8,63 10 Pri I n Tabela 4.7: Maksimalno povečanje kontaktnega pritiska (L1) I [ ] [ ] [ ] Kontaktni shunt A U pol mv Rk Ω Stanje pritisk Stikala [N] ,31 5 7,16 10 Ohlajen ,54 5 7,39 10 Pri I n Tabela 4.8: Maksimalno zmanjšanje kontaktnega pritiska (L1) I [ ] [ ] [ ] Kontaktni shunt A U pol mv Rk Ω Stanje pritisk Stikala [N] ,20 5 9,0 10 Ohlajen ,52 5 9,3 10 Pri I n Kljub temu, da se je kontaktni pritisk spremenil za majhno vrednost, je bilo pri meritvi temperature zaznati spremembo. Sliki 4.9 in 4.10 prikazujeta potek ustaljene temperature, izmerjene s termo kamero. Točki T1 in T2, se nahajata na kontaktih prve faze (L1). Iz rezultatov je razvidno, da se je z zmanjšanjem kontaktnega pritiska, povečala kontaktna upornost.

64 Uporaba termografije v električnih napravah 52 Točka T1 temperatura (C) 45 44, , , , , čas (min) 33,1 N 20,8 N 24,7 N Slika 4.9: Potek temperature v točki T1, pri različnih kontaktnih pritiskih Točka T2 45 temperatura (C) čas (min) 33,1 N 20,8 N 24,7 N Slika 4.10: Potek temperature v točki T2, pri različnih kontaktnih pritiskih 4.4 Termična preobremenitev kontaktov Termične obremenitve kontaktov so posledica Joulskih izgub v vodnikih in kontaktnih upornostih zaradi: - trajnih obremenitev, ki jih povzročajo nazivni tokovi, - kratkotrajnih preobremenitev večjega toka, kot je nazivni, - trenutnih preobremenitev z kratkostičnimi tokovi.

65 Uporaba termografije v električnih napravah 53 Posledice so predvsem poškodbe izolacije, izguba elastičnih lastnosti kovinskih materialov, oksidiranje kontaktov, pregrevanje navitij itd. Dovoljena segrevanja vodnikov z nazivnim tokom podajajo standardi. Prav tako podajajo te razmere za kratkostične toke. Temelj za pravilno termično dimenzioniranje ni samo gostota toka, temveč tudi toplotna kapacitivnost, toplotni prehod, razdelitev toplote in drugo. Tabela 4.9: Dovoljene temperature in nadtemperature kontaktov Del aparata Cu kontakti v zraku -posrebreni -neposrebreni Cu kontakti v olju -posrebreni -neposrebreni Cu kontakti v SF 6 -posrebreni -neposrebreni Maksimalna vrednost temperarature ( C) Maksimalna vrednost nadtemperature (temp.okolice < 40 C) Izračun temperature kontaktov Če predpostavimo da po dveh, neskončno dolgih vodnikih teče tok I, vodnika pa se dotika v točki x = 0, je v tej točki tudi največja temperatura υ ( x = 0). Levo in desno se temperatura asimptotično približuje vrednosti υ ( x = + ), ki bi jo vodnika imela, če ne bi bilo kontaktne upornosti. Poleg prostorskega spreminjanja se temperatura spreminja tudi časovno. Raste od vrednosti υ 0 ( temp. okolice) proti vrednosti υ ( t = ), ki jo teoretično doseže pri času.

66 Uporaba termografije v električnih napravah 54 ϑ ( C) ϑ m ϑ km t = ϑ k ϑ v t = 30min ϑ 0 x [m] Slika 4.11: Prostorska in časovna porazdelitev temperature kontakta Skupno temperaturo v točki x lahko zapišemo kot vsoto(4.10): ϑ = ϑ0 + ϑk + ϑv (4.10) Odvisna je od temperature okolice ( ϑ 0 ), segrevanja zaradi izgub v upornosti vodnika ( ϑ v ) in segrevanja zaradi izgub kontaktne upornosti v točki x ( ϑ k ). Določitev matematičnega enačbe, s katero bi lahko dokaj natančno izračunali temperaturo v določeni točki ni mogoče. Možen potek temperature posamičnih kontaktov, ki jih, na primer segrevamo s tokom, lahko predstavimo le z numeričnimi modeli. Te zajemo vrsto temperatur, ki se spreminjajo s časom obremenitve. Na podlagi meritev in opazovanj segrevanja ločilnikov, odklopnikov, varovalk itd., kjer ima krivulja temperature značilno odliko, je možno analitično izračunati temperaturo v določenem ustaljenem stanju. Temperatura se pri segrevanju s tokom, po nekem pretečenem času ustali (t = ), vrednosti nihajo zanemarljivo malo, potrebno je le izmeriti padec napetosti in posledično izračunati kontaktno upornost. Pri enačbi (4.11), gre za poenostavljen izraz matematičnega modela za izračun temperature kontaktov [6]. Vrednost koeficienta prehoda toplote α, je po literaturi [5],[6] in [7] določena izkustveno in znaša 7.

67 Uporaba termografije v električnih napravah UI( α ps I ρδ ) I ραg I ρ ϑ = ϑ ( α ps I ρδ )( αg + 4 λ( α ps I ρδ )) α ps I ρδ (4.11) kjer je: ϑ0 - temperatura okolice, U I - α - S - p - - izmerjen padec napetosti na kontaktu, vrednost toka, koeficient prehoda toplote, presek vodnika, obseg preseka vodnika, G- površina zunanjih kovinskih delov, ρ - δ - λ - specifična upornost, temperaturni koeficient električne upornosti, toplotna prevodnost. Če zaradi preglednosti vstavimo spremenljivko C, dobimo enačbo (4.10) v obliki: α 2 ps I ρδ = C 2 2 UIC I ραg I ρ ϑ = ϑ0 + + C( αg + 4 λc ) C Iz podatkov, ki smo jih dobili z meritvijo kontaktne upornosti in z meritvijo s termočlenom, lahko izračunamo vrednost temperature pri obremenitvi z nazivnim tokom: C = α ps I ρδ = = ϑ k = ( ) = 44,1 C

68 Uporaba termografije v električnih napravah 56 Pri povišanju toka na 880 A dobimo: C = α ps I ρδ = = ϑ k = ( ) = 70,2 C Rezultati meritev temperature s termočlenom in termo kamero pri različnih vrednostih toka Meritev je potekala pri treh različnih vrednostih toka (630,880 in 1800A). Pri prvih dveh vrednostih se je temperatura povsem ustalila, kar je omogočalo tudi analitični izračun temperature kontakta po enačbi (4.11) Meritev pri nazivnem toku Najprej smo ločilno stikalo priključili na nazivni tok 630 A in počakali da se temperatura ustali. Vrednosti, dobljene s kamero, po kasnejši programski obdelavi, zelo malo (1 C) odstopajo od vrednosti dobljenih s termočlenom. Tudi vrednost dobljena z analitičnim izračunom ustreza izmerjenim vrednostim. Sliki 4.12 in 4.13 prikazujeta meritev s termočlenom.

69 Uporaba termografije v električnih napravah ,00 temperatura (C) 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 T1 T2 T3 T4 T čas (s) Slika 4.12: Potek temperature pri spreminjanju toka ( 630, 880 in 1800 A). 50,00 45,00 temperatura (C) 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 T1 T2 T3 T4 T čas (s) Slika 4.13: točke T1,T2,T3,T4, T8 ; pri nazivnem toku 630A V programu Irbis proffesional V2.2 smo grafično izrisali vrednosti točk vseh nastalih slik v času meritve pri nazivnem toku. Slika 4.14 nam prikazuje nekaj ključnih pomembnosti pri opazovanju s termo kamero. P01, P02 in P03 predstavljajo merilne točke T1,T2 in T3. Medtem ko je oznaka P04 uporabljena za točko T8, ki se nahaja na kontaktnem nožu. Zaradi napačnega posluževanja in nepravilno nastavljene izostritve slike, prvih 25 minut meritve, vrednosti niso uporabne. Medsebojno odstopanje vrednosti gre pripisati različnim vrednostim emisivnosti. Naj bližje pravilnim vrednostim lahko

70 Uporaba termografije v električnih napravah 58 vzamemo le merilno točko T2 (P02). V nadaljevanju je bila izostritev pravilna s pomočjo avtomatske funkcije»autofocus«. Točke T2, T3 in T8 zavzamejo pravilne vrednosti, saj so njihove emisivnosti pravilne nastavljene. Točka T1 še zmeraj močno odstopa, ker nima pravilno izbrane vrednosti emisivnosti. Nekje okoli 53 minute meritve ima tudi točka T1 pravilno vrednost, saj smo na njo namestili lepilni trak, emisivnosti nekje Večja odstopanja posameznih vrednosti (npr. v 53 minuti meritve), so posledica posegov na ločilnem stikalu in ne kažejo dejanske vrednosti temperature. Slika 4.14: T1,T2,T3 in T8 pri toku 630A Slike 4.15 do 4.17 prikazujejo primerjavo dobljenih vrednosti. Vrednosti dobljene s kamero so programsko obdelane ( pravilna emisivnost, oddaljenost od leč kamere, vpliv ozračja ). Slike ki so zaradi zunanjih motenj kazale napačne vrednosti, niso upoštevane pri grafičnem prikazu. Zato dobljene krivulje nimajo večjih odstopanj.

71 Uporaba termografije v električnih napravah temperatura (C) T2 (ems=0.39) T2 (termočlen) čas (min) Slika 4.15: Primerjava temperature v točki T2 pri nazivnem toku 630A Slika 4.16 in 4.17, prikazujeta temperaturo v točki T1. Najprej vrednosti ob pravilno izbrani emisivnosti, ter nato vrednosti v primeru uporabe lepilnega traku. Prvih 25 minut meritve ni prikazanih, saj zaradi slabe izostritve slike, dobljene vrednosti niso primerne za programsko obdelavo temperatura(c) T1-ems(0.39) T1-termočlen čas(min) Slika 4.16: Primerjava temperatur v točki T1, pri nazivnem toku 630A

72 Uporaba termografije v električnih napravah 60 45, , , , , temperatura(c) T1 - termočlen T1 - lepilni trak čas(min) Slika 4.17: Primerjava temperatur v točki T1 (lepilni trak), pri nazivnem toku 630A Uporaba plastičnega lepilnega traku, se je pokazala za primerno rešitev, če emisivnosti opazovanega objekta ne poznamo. Takšen trak ima visoko emisivnost, nekje 0.94, se pravi blizu idealizirani vrednosti 1, ki je bila nastavljena na termo kameri. V različni literaturi ([1],[2]) se omenjajo vrednosti nekje od 0.92 do Na sliki 4.18 je lepo razvidna uporaba lepilnega traku. Obe termografski sliki prikazujeta vrednost temperature v točki T1 pred in po uporabi lepilnega traka. Slika 4.18: Uporaba plastičnega lepilnega traku Slika 4.19 prikazuje potek temperature, izmerjene v točki T8, ki je tudi prekrita s lepilnim trakom. Pravilno izbrana emisivnost, ustreza vrednostim izmerjenim s

73 Uporaba termografije v električnih napravah 61 termočlenom. Tudi ostale vrednosti iz literature, kot so npr in 0.96, bi omogočale dokaj natančno meritev. 44,00 43,00 42,00 41,00 40,00 39,00 38,00 37,00 36, temperatura(c) T8 (termočlen) T8 (ems=0.94) T8 (ems=1) cas(min) Slika 4.19: Primerjava temperatur v točki T8, pri nazivnem toku 630A Meritev pri povišanem nazivnem toku Tudi pri povišanju toka na 880A, kamera prikazuje pravilne vrednosti temperature. Večja odstopanja so ponovno posledica zunanjih vplivov, in so na grafih primerjave z vrednostmi, izmerjenimi s termočlenom, izločene. Slika 4.21 in 4.22 prikazujeta primerjavo meritev s termočlenom in kamero. Vrednosti emisivnosti so enake kot pri meritvi pri toku 630A. Kljub temu, da temperatura naraste za približno 20 C, so meritve s kamero pri izbranih emisivnostih še vedno točne.

74 Uporaba termografije v električnih napravah 62 Slika 4.20: T1,T2,T3 in T8 pri toku 880A temperatura (C) T2 (ems=0.39) T2 (termočlen) čan (min) Slika 4.21: Primerjave temperatur v točki T2, pri toku 880 A.

75 Uporaba termografije v električnih napravah temperatura (C) T1 lep. trak T1 (termočlen) čas (min) Slika 4.22: Primerjave temperatur v točki T1, pri toku 880 A. Vrednosti dobljene s kamero ustrezajo, saj ni bilo večjih odstopanj, tudi po programski obdelavi. Izmerjene temperature so za približno 5 C nižje, od vrednosti ki smo jo izračunali s pomočjo analitičnega izračuna. Eden od vzrokov je tudi, da nismo meritev pri povišanem toku izvedli na povsem hladnem stikalu, ampak smo tok povišali na vrednost 880 A, po tem, ko sej je temperatura ustalila, pri vrednosti toka 630A. To je lepo razvidno na sliki Pri zadnjem povečanju toka na 1800 A, vrednost temperature preseže 100 C. Pri tej temperaturi, vrednosti dobljene s kamero odstopajo nekoliko več (3-5 C). Pri emisivnosti 0.39 dobimo največje odstopanje za 5 C. Ker se vrednosti emisivnosti spreminjajo tudi s temperaturo, bi bila pri meritevah nad 100 C, primerna nekoliko večja vrednost. V primeru, da bi izbrali emisivnost ki je manjša od 0.39, bi dobili še večje odstopanje, saj je krivulja izmerjenih vrednosti s kamero, nad krivuljo vrednosti termočlena (slika 4.23, 4.24 in 4.25).

76 Uporaba termografije v električnih napravah temperatura (C) T1 (termočlen) T1 lep.trak čas (min) Slika 4.23: Primerjave temperatur v točki T1, pri toku 1800 A. temperatura (C) T2 (termočlen) T2 (ems=0.39) čas (min) Slika 4.24: Primerjave temperatur v točki T1, pri toku 1800 A.

77 Uporaba termografije v električnih napravah temperatura (C) T8 - termočlen T8 (ems=0,94) čas (min) Slika 4.25: Primerjave temperatur v točki T8, pri toku 1800 A. Pri spreminjanju nazivnega toka ločilnega stika,smo s termo kamero izmerili skoraj enake vrednosti kot s termočlenom. Pri takšnih kontaktih, kjer je maksimalna dovoljena temperatura 105 C, so meritve s termo kamero odstopale v poprečju za C. Najpomembnejši faktor pravilne meritve, je pravilna izbira faktorja emisivnosti. Večje razlike, pri dobljenih meritvah, pa gre predpisati predvsem vplivom iz okolice. Tudi pri uporabi lepilnega traku, so bili rezultati zelo natančni, saj smo poznali pravilno vrednost emisivnosti. 4.6 Določitev faktorja emisivnosti iz termograma V razni literaturi [1], [2], [13], je moč zaslediti več v naprej določenih vrednosti za posamezni material. Problem nastane ker vrednosti niso usklajene, tako se le-te pogosto razlikujejo in so nekatere za relativno natančne meritve neuporabne. Potrebno je biti pozoren, ali so vrednosti podane za kratko ali dolgovalovno območje, ter za kakšno temperaturo. Napačna izbira posledično pomeni preveliko odstopanje temperature in tako meritev ni uporabna.

78 Uporaba termografije v električnih napravah 66 Slika 4.26 predstavlja ločilno stikalo štirideset minut po priklopu, temperatura se je ustalila in znaša 20 C več kot temperatura okolice. V razni literaturi je priporočljivo pri določanju faktorja emisivnosti, da je temperatura vsaj 10 C nad temperaturo okolice. Termočlen je v tem trenutku kazal v točki T1 40,60 C, v točki T2 pa 40,01 C. S pomočjo programske funkcije za pravokotno zajemanje podatkov sem izbral dva pravokotnika; na vsakem kontaktu enega. Program nam izpiše povprečno vrednost temperature posameznega pravokotnika. Tu se pojavi pomankljivost programskega orodja, saj ne omogoča poljubno spreminjanje emisijskega faktorja znotraj pravokotnika. Stvar je rešljiva samo, če spremenimo emisijski faktor celotnega termograma, kar je v redu, če imamo opravka samo z eno sliko. V našem primeru ko je slik veliko več, postane spreminjanje zamudno saj je za vsako sliko posebej potrebno nastaviti popolnoma enak pravokotnik, s spremembo celotnega emisijskega faktorja pa program zahteva sprotno shranjevanje. Tako slika nima več popolnoma enakih vrednosti, kot jih je imela, ko je bila posneta s kamero. Pri točkovnem zajemanju podatkov lahko spreminjamo faktor emisivnosti za izbrano točko, sprotno shranjevanje ni potrebno, tako je omogočena funkcija hitrega listanja slik, odčitovanje vrednosti pa tako postane veliko lažje in hitrejše. Slika 4.26: Izbira točk za določitev faktorja emisivnosti (1)

79 Uporaba termografije v električnih napravah 67 Pri pravokotnem zajemanju je bila povprečna vrednost v točki T1 bila C, v točki dva pa C. Znotraj obeh pravokotnikov sem poiskal točko, ki je najbolj blizu te povprečne vrednosti, kot prikazuje slika Za T1 je to C, za T2 pa C. Slika 4.27: Izbira točk za določitev faktorja emisivnosti (1) Nato je bilo samo še potrebno, s spreminjanjem emisijskih vrednosti, najti temperaturo ki najbolj ustreza vrednostim izmerjenim z termočlenom. Naj bližje vrednosti so bile pri faktorju Za točko T1 40,51 C, za T2 pa C (slika 4.28).

80 Uporaba termografije v električnih napravah 68 Slika 4.28: Vrednosti temperature pri pravilni izbiri emisivnosti V našem primeru je bila določitev faktorja emisivnosti dokaj enostavna, saj smo poleg meritve s kamero, merili temperaturo tudi s termočlenom. Veliko težje, bi bilo določiti pravo vrednosti emisivnosti, če bi merili temperaturo samo s termo kamero. Ena od rešitev bi predstavljala primerjava temperature v dveh različnih točkah (npr. A in B). Če predpostavimo, da poznamo temperaturo točke A in sklepamo, da naj bi imela točka B enako temperaturo, enostavno spreminjamo emisivnost točke B, do vrednosti temperature, ki jo ima točka A. Tak pristop je uporaben, če dobro poznamo termične lastnosti opazovanega objekta. Slika 4.29, predstavlja takšen način določanja emisivnosti. Meritev poteka v dveh točkah, ki sta relativno blizu in naj bi imeli enako temperaturo. Ena se nahaja na kovinski ploščici z poznano visoko emisivnostjo, druga pa na ohišju elektromotorja. Za določitev natančnih vrednosti, je priporočljiva uporaba barv z visokim faktorjem emisivnosti. Del opazovanega objekta pobarvamo z barvo in primerjamo temperaturo z delom, ki ni obarvan. V ne obarvani točki spreminjamo emisivnost, vse dokler, se temperaturi ne izenačita.

81 Uporaba termografije v električnih napravah 69 Slika 4.29: Določitev emisivnosti materiala (elektromotor)