Bezkontaktowy pomiar temperatury podczas pracy urządzeń elektrycznych

Wszystkie urządzenia elektryczne działają, przepuszczając przez nie prąd elektryczny, który dodatkowo nagrzewa przewody i sprzęt. W takim przypadku podczas normalnej pracy tworzona jest równowaga między podwyższaniem temperatury a odprowadzaniem jej części do otoczenia.

Jeśli jakość styku jest wadliwa, pogarszają się warunki przepływu prądu i wzrasta temperatura, co może spowodować awarię. Dlatego w złożonych urządzeniach elektrycznych, zwłaszcza w urządzeniach wysokiego napięcia przedsiębiorstw energetycznych, przeprowadza się okresowe monitorowanie nagrzewania części pod napięciem.

W przypadku urządzeń wysokonapięciowych pomiary wykonuje się metodą bezdotykową z bezpiecznej odległości.

Zasady zdalnego pomiaru temperatury

Każdemu ciału fizycznemu towarzyszy ruch atomów i cząsteczek emisja fal elektromagnetycznych… Temperatura obiektu wpływa na intensywność tych procesów, a jej wartość można oszacować na podstawie wartości strumienia ciepła.

Na tej zasadzie opiera się bezkontaktowy pomiar temperatury.

Źródło sondy o temperaturze „T” emituje strumień ciepła „F” w otaczającej przestrzeni, który jest odbierany przez czujnik termiczny umieszczony w pewnej odległości od źródła ciepła. Następnie sygnał przetworzony przez obwód wewnętrzny jest wyświetlany na panelu informacyjnym «I».

Urządzenia do pomiaru temperatury, które mierzą ją za pomocą promieniowania podczerwonego, nazywane są termometrami na podczerwień lub ich skróconą nazwą „pirometrami”.

Dla ich dokładnego działania ważne jest prawidłowe określenie zakresu pomiarowego na skali fali elektromagnetycznej, która jest obszarem w przybliżeniu 0,5-20 mikronów.

Czynniki wpływające na jakość pomiaru

Błąd pirometru zależy od kilku czynników:

1. powierzchnia obserwowanego obszaru obiektu musi znajdować się w obszarze bezpośredniej obserwacji;
2. kurz, mgła, para i inne przedmioty znajdujące się między czujnikiem ciepła a źródłem ciepła osłabiają sygnał, a także ślady brudu na optyce;
3. budowa i stan powierzchni badanego ciała wpływają na intensywność strumienia podczerwieni i wskazania termometru.

Czy trzeci czynnik wyjaśnia wykres zmiany emisyjności? długości fali.

Pokazuje charakterystykę emiterów czerni, szarości i koloru.

Zdolność promieniowania podczerwonego Фs czarnego materiału jest brana jako podstawa do porównywania innych produktów i jest równa 1. Współczynniki wszystkich innych substancji rzeczywistych ФR stają się mniejsze niż 1.

W praktyce pirometry przetwarzają promieniowanie rzeczywistych obiektów na parametry emitera idealnego.

Na pomiar wpływają również:

• długość fali widma podczerwieni, przy której wykonywany jest pomiar;

• temperatura badanej substancji.

Jak działa bezdotykowy miernik temperatury

Ze względu na sposób wyprowadzania informacji i jej przetwarzania urządzenia do zdalnego sterowania ogrzewaniem płaszczyznowym dzielą się na:

• pirometry;

• kamery termowizyjne.

Urządzenie pirometru

Konwencjonalnie skład tych urządzeń można przedstawić blok po bloku:

• czujnik podczerwieni z układem optycznym i światłowodem odblaskowym;

• obwód elektroniczny, który przetwarza odebrany sygnał;

• wyświetlacz pokazujący temperaturę;

• przycisk zasilania.

Strumień promieniowania cieplnego jest ogniskowany przez układ optyczny i kierowany przez zwierciadła do czujnika pierwotnego przetwarzania energii cieplnej na sygnał elektryczny o wartości napięcia proporcjonalnej do promieniowania podczerwonego.

W urządzeniu elektronicznym następuje wtórna konwersja sygnału elektrycznego, po której moduł pomiarowo-raportujący wyświetla informację na wyświetlaczu z reguły w forma cyfrowa.

Na pierwszy rzut oka wydaje się, że użytkownik musi zmierzyć temperaturę odległego obiektu:

• włącz urządzenie, naciskając przycisk;

• określić obiekt do zbadania;

• wziąć zeznanie.

Jednak dla dokładnego pomiaru konieczne jest nie tylko uwzględnienie czynników wpływających na odczyty, ale także wybór odpowiedniej odległości od obiektu, o której decyduje rozdzielczość optyczna urządzenia.

Pirometry mają różne kąty widzenia, których charakterystyki dla wygody użytkowników dobierane są pod kątem zależności między odległością do obiektu pomiaru a obszarem pokrycia kontrolowanej powierzchni. Jako przykład, rysunek przedstawia stosunek 10:1.

Ponieważ te cechy są do siebie wprost proporcjonalne, do dokładnego pomiaru temperatury konieczne jest nie tylko prawidłowe skierowanie urządzenia na obiekt, ale także dobranie odległości, aby wybrać obszar mierzonego obszaru.

Układ optyczny będzie następnie przetwarzał strumień ciepła z żądanej powierzchni bez uwzględniania wpływu promieniowania z otaczających obiektów.

W tym celu udoskonalone modele pirometrów wyposaża się w laserowe oznaczenia, które pomagają skierować czujnik termiczny na obiekt i ułatwiają określenie pola obserwowanej powierzchni. Mogą mieć różne zasady działania i mieć różną dokładność celowania.

Pojedyncza wiązka lasera tylko w przybliżeniu wskazuje położenie środka kontrolowanego obszaru i pozwala na niedokładne określenie jego granic. Jego oś jest przesunięta względem środka układu optycznego pirometru. Wprowadza to błąd paralaksy.

Metoda koncentryczna jest pozbawiona tej wady — promień lasera pokrywa się z osią optyczną urządzenia i dokładnie wskazuje środek mierzonego obszaru, ale nie wyznacza jego granic.

Wskazanie wymiarów kontrolowanego obszaru jest zapewnione we wskaźniku celu za pomocą podwójnej wiązki laserowej... Ale przy małych odległościach od obiektu dopuszcza się błąd ze względu na początkowe zawężenie obszaru czułości. Ta wada jest bardzo wyraźna w przypadku obiektywów o krótkiej ogniskowej.

Oznaczenia lasera krzyżowego poprawiają dokładność pirometrów wyposażonych w soczewki krótkoogniskowe.

Pojedyncza okrągła wiązka lasera pozwala określić obszar obserwacji, ale posiada też paralaksę i zawyża odczyty urządzenia na krótkich dystansach.

Okrągły precyzyjny wskaźnik laserowy działa najbardziej niezawodnie i jest pozbawiony wszelkich wad poprzednich konstrukcji.

Pirometry wyświetlają informacje o temperaturze za pomocą tekstowo-numerycznej metody wyświetlania, którą można uzupełnić innymi informacjami.

Urządzenie do izolacji termicznej

Konstrukcja tych urządzeń do pomiaru temperatury przypomina pirometry. Posiadają hybrydowy mikroukład jako element odbiorczy strumienia promieniowania podczerwonego.

Dzięki swojej światłoczułej warstwie epitaksjalnej odbiera strumień podczerwieni przez silnie domieszkowane podłoże za pomocą światłoczułej warstwy epitaksjalnej.

Urządzenie odbiornika kamery termowizyjnej z mikroukładem hybrydowym pokazano na zdjęciu.

Czułość termiczna kamer termowizyjnych opartych na detektorach matrycowych pozwala na pomiar temperatury z dokładnością do 0,1 stopnia. Ale takie urządzenia o wysokiej dokładności są stosowane w termografach złożonych laboratoryjnych instalacji stacjonarnych.

Wszystkie metody pracy z kamerą termowizyjną są wykonywane w taki sam sposób, jak z pirometrem, ale na jej ekranie wyświetlany jest obraz sprzętu elektrycznego, przedstawiony już w poprawionej gamie kolorów, uwzględniającej stan nagrzania wszystkich części.

Obok obrazu termicznego znajduje się skala do konwersji kolorów na linijkę temperatury.

Porównując wydajność pirometru i kamery termowizyjnej, widać różnicę:

• pirometr określa średnią temperaturę w obserwowanym obszarze;

• kamera termowizyjna pozwala ocenić nagrzewanie się wszystkich elementów składowych znajdujących się w monitorowanym obszarze.

Cechy konstrukcyjne bezkontaktowych mierników temperatury

Opisane powyżej urządzenia reprezentowane są przez modele mobilne, które umożliwiają spójny pomiar temperatury w wielu miejscach pracy urządzeń elektrycznych:

• wejścia transformatorów mocy i pomiarowych oraz przełączników;

• styki odłączników pracujących pod obciążeniem;

• zespoły systemów szynowych i sekcje rozdzielnic wysokiego napięcia;

• w miejscach łączenia przewodów napowietrznych linii elektroenergetycznych oraz innych miejscach komutacji obwodów elektrycznych.

Jednak w niektórych przypadkach podczas wykonywania operacji technologicznych na urządzeniach elektrycznych nie są potrzebne skomplikowane projekty bezdotykowych mierników temperatury i całkiem możliwe jest radzenie sobie z prostymi modelami zainstalowanymi na stałe.

Przykładem jest metoda pomiaru rezystancji uzwojenia wirnika generatora podczas pracy z obwodem wzbudzenia prostownika. Ponieważ indukowane są w nim duże składowe prądu przemiennego, kontrola jego nagrzewania odbywa się w sposób ciągły.

Zdalny pomiar i wyświetlanie temperatury na cewce wzbudzenia odbywa się na obracającym się wirniku. Czujnik termiczny jest na stałe umieszczony w najkorzystniejszej strefie kontrolnej i odbiera skierowane w jego stronę promienie cieplne. Sygnał przetworzony przez obwód wewnętrzny jest wyprowadzany na urządzenie wyświetlające informacje, które może być wyposażone we wskazówkę i skalę.

Schematy oparte na tej zasadzie są stosunkowo proste i niezawodne.

W zależności od przeznaczenia, pirometry i kamery termowizyjne dzielą się na urządzenia:

• wysokotemperaturowy, przeznaczony do pomiaru bardzo gorących przedmiotów;

• niska temperatura, zdolna do kontrolowania nawet chłodzenia części podczas zamrażania.

Konstrukcje nowoczesnych pirometrów i kamer termowizyjnych mogą być wyposażone w systemy komunikacji i transmisji informacji poprzez Magistrala RS-232 ze zdalnymi komputerami.