Kamera termowizyjna — ustawienie współczynnika emisyjności i odbitej temperatury pozornej

Artykuł o badaniu termograficznym omawia, jak badanie w podczerwieni jest stosowane jako uzupełnienie NEN 3140 i jaka klasa ryzyka pożarowego według NTA 8220 wynika ze stwierdzonej różnicy temperatur. Ten artykuł omawia warunek poprzedzający wiarygodny pomiar: kamera termowizyjna nie mierzy temperatury powierzchni bezpośrednio, lecz oblicza ją na podstawie wykrytego promieniowania podczerwonego — a to obliczenie jest poprawne tylko wtedy, gdy kamera jest wcześniej właściwie ustawiona pod właściwości mierzonej powierzchni.

Co faktycznie mierzy kamera termowizyjna

Kamera termowizyjna wykrywa promieniowanie podczerwone padające na detektor, a następnie przelicza je na wartość temperatury na podstawie szeregu ustawionych parametrów: współczynnika emisyjności mierzonej powierzchni, odbitej temperatury pozornej otoczenia, odległości pomiaru oraz warunków atmosferycznych. Wykryte promieniowanie nie pochodzi wyłącznie od samego mierzonego obiektu: część z niego to promieniowanie otaczających obiektów, odbite od mierzonej powierzchni. Bez prawidłowego ustawienia tych parametrów — zwłaszcza współczynnika emisyjności — wyświetlana temperatura może znacząco odbiegać od rzeczywistej temperatury powierzchni.

Współczynnik emisyjności: jak dobrze powierzchnia emituje promieniowanie podczerwone

Współczynnik emisyjności (ε, wartość od 0 do 1) wskazuje, jak efektywnie powierzchnia emituje promieniowanie podczerwone w porównaniu z teoretycznie idealnym emiterem („ciało doskonale czarne”, ε = 1). Materiały istotne przy badaniach elektrycznych różnią się znacznie pod względem współczynnika emisyjności:

• Utleniona lub spatynowana miedź/aluminium (np. zwietrzała szyna zbiorcza lub powierzchnia stykowa): zwykle stosunkowo wysoki współczynnik emisyjności rzędu 0,6 do 0,8.
• Goły, polerowany metal (nowe lub oczyszczone połączenie miedziane lub aluminiowe): znacznie niższy współczynnik emisyjności, często zaledwie 0,1 do 0,3 lub niżej — takie powierzchnie zachowują się raczej jak lustro dla promieniowania podczerwonego niż jak własne źródło emisji.
• Izolacja kabla z PVC oraz większość malowanych lub powlekanych powierzchni: stosunkowo wysoki, stabilny współczynnik emisyjności rzędu 0,9 do 0,95, co czyni te materiały stosunkowo łatwymi i wiarygodnymi do pomiaru.

Goła powierzchnia stykowa metalowa — dokładnie ten typ połączenia, który przy badaniu elektrycznym często stanowi najciekawszą lokalizację — ma więc najniższy, najtrudniejszy do zmierzenia współczynnik emisyjności spośród wymienionych materiałów.

Dlaczego niewłaściwy współczynnik emisyjności prowadzi do dużych błędów pomiaru

Przy niskim współczynniku emisyjności większa część promieniowania wykrytego przez kamerę to promieniowanie odbite od otoczenia, a nie promieniowanie emitowane przez sam obiekt na podstawie jego własnej temperatury. Jeśli kamera jest ustawiona na współczynnik emisyjności zbyt wysoki w stosunku do rzeczywistej gołej powierzchni metalowej, zmierzona temperatura jest systematycznie wyświetlana za nisko — faktycznie przegrzany punkt styku może zostać przy tym pominięty, właśnie w miejscu, w którym wykrycie przegrzania jest najistotniejsze.

Rozwiązanie praktyczne: materiał referencyjny o znanym współczynniku emisyjności

Popularna technika praktyczna dla wiarygodnego pomiaru gołej powierzchni stykowej metalowej to naniesienie niewielkiego kawałka matowej czarnej taśmy lub farby o znanym, wysokim współczynniku emisyjności (zwykle około 0,95) bezpośrednio obok badanego punktu styku lub na niego, zanim instalacja zostanie poddana napięciu i obciążeniu. Ponieważ materiał referencyjny znajduje się w ścisłym kontakcie termicznym z mierzoną powierzchnią, temperatura taśmy referencyjnej daje wiarygodne wskazanie faktycznej temperatury metalu pod nią — nawet jeśli sam goły metal jest trudny do bezpośredniego zmierzenia.

Odbita temperatura: metoda „zmiętej folii aluminiowej”

Oprócz współczynnika emisyjności, konieczne jest również prawidłowe ustawienie odbitej temperatury pozornej otoczenia, zwłaszcza dla powierzchni o niższym współczynniku emisyjności, gdzie odbicie odgrywa większą rolę. Popularna technika praktyczna do określenia tej wartości: umieszczenie kawałka zmiętej (a następnie częściowo rozprostowanej) folii aluminiowej — która sama ma bardzo niski współczynnik emisyjności, a więc silnie odbijającą, rozproszoną powierzchnię — w polu widzenia kamery i ustawienie kamery przy tym na współczynnik emisyjności około 1,0; wyświetlana wtedy wartość przybliża odbitą temperaturę otoczenia, która następnie jest wprowadzana do ustawień kamery jako temperatura odbita.

Praktyczne znaczenie

Przy badaniu termograficznym rozdzielnicy zgodnie z NEN 3140, z połączeniem malowanych obudów, izolowanych kabli i gołych odcinków szyn miedzianych lub aluminiowych, ważne jest dostosowanie ustawienia współczynnika emisyjności do typu mierzonej powierzchni, lub zastosowanie taśmy referencyjnej na trudnej do zmierzenia gołej powierzchni stykowej metalowej — jedno stałe ustawienie współczynnika emisyjności na całe badanie przy mieszanych materiałach daje niewiarygodne wyniki właśnie w tych miejscach (gołych powierzchniach stykowych), które są najważniejsze dla wykrycia przegrzanego połączenia.

Częste błędy

1. Stosowanie jednego stałego ustawienia współczynnika emisyjności na całe badanie, niezależnie od tego, czy mierzona powierzchnia jest malowana, izolowana czy gołym metalem — daje to systematycznie zaniżone wyświetlanie temperatury na gołych powierzchniach stykowych metalowych.
2. Brak ustawienia odbitej temperatury lub pozostawienie jej na wartości domyślnej w środowisku o znacząco odmiennych temperaturach otoczenia (np. bezpośrednie światło słoneczne na zewnętrznej szafie rozdzielczej) — zniekształca to przede wszystkim pomiar powierzchni o niskim współczynniku emisyjności.
3. Brak zastosowania materiału referencyjnego o znanym współczynniku emisyjności na krytycznym, gołym metalowym punkcie styku — bez punktu odniesienia wiarygodny pomiar temperatury bezwzględnej na takich powierzchniach jest ledwie możliwy.
4. Porównywanie bezwzględnych wartości temperatury między pomiarami z różnymi ustawieniami współczynnika emisyjności — dla sensownego porównania (np. przy ponownej kontroli) należy stosować te same ustawienia lub jawnie uwzględnić różnicę w ustawieniach przy interpretacji.

Powiązane materiały

• Badanie termograficzne i NTA 8220 — klasa ryzyka pożarowego
• Końcówki kablowe i połączenia zaciskane — wymagania dla połączeń prasowanych
• Pomiar rezystancji przejścia (mikroomomierzem) — połączenia
• Łuk elektryczny — ryzyka i środki kontroli