Тепловізійна камера — налаштування коефіцієнта випромінювання та відбитої температури

Стаття про термографічне обстеження розглядає, як інфрачервоне обстеження застосовується на додаток до NEN 3140 і який клас пожежного ризику за NTA 8220 випливає з виявленої різниці температур. Ця стаття розглядає умову, що передує надійному вимірюванню: тепловізійна камера не вимірює температуру поверхні безпосередньо, а обчислює її з виявленого інфрачервоного випромінювання — і цей розрахунок є вірним лише за умови, що камера заздалегідь правильно налаштована під властивості вимірюваної поверхні.

Що фактично вимірює тепловізійна камера

Тепловізійна камера виявляє інфрачервоне випромінювання, що падає на датчик, і потім перераховує його у значення температури на основі низки заданих параметрів: коефіцієнта випромінювання вимірюваної поверхні, відбитої уявної температури оточення, відстані вимірювання та атмосферних умов. Виявлене випромінювання походить не виключно від самого вимірюваного об'єкта: частина його є випромінюванням навколишніх об'єктів, відбитим від вимірюваної поверхні. Без правильного налаштування цих параметрів — особливо коефіцієнта випромінювання — відображувана температура може суттєво відрізнятися від фактичної температури поверхні.

Коефіцієнт випромінювання: наскільки добре поверхня випромінює інфрачервоне випромінювання

Коефіцієнт випромінювання (ε, значення від 0 до 1) показує, наскільки ефективно поверхня випромінює інфрачервоне випромінювання порівняно з теоретично ідеальним випромінювачем («чорне тіло», ε = 1). Матеріали, значущі при електричних обстеженнях, суттєво різняться за коефіцієнтом випромінювання:

• Окислена чи патинована мідь/алюміній (наприклад, вивітрена шина чи контактна поверхня): зазвичай відносно високий коефіцієнт випромінювання в діапазоні від 0,6 до 0,8.
• Голий, полірований метал (нове чи очищене мідне чи алюмінієве з'єднання): значно нижчий коефіцієнт випромінювання, часто лише від 0,1 до 0,3 чи нижче — такі поверхні поводяться радше як дзеркало для інфрачервоного випромінювання, ніж як власне джерело випромінювання.
• ПВХ-ізоляція кабелю та більшість пофарбованих чи покритих поверхонь: відносно високий, стабільний коефіцієнт випромінювання в діапазоні від 0,9 до 0,95, що робить ці матеріали відносно простими та надійними для вимірювання.

Гола металева контактна поверхня — саме той тип з'єднання, який при електричному обстеженні часто становить найбільший інтерес — тому має найнижчий, найважче вимірюваний коефіцієнт випромінювання серед згаданих матеріалів.

Чому невірний коефіцієнт випромінювання призводить до великих похибок вимірювання

При низькому коефіцієнті випромінювання більша частина виявленого камерою випромінювання є відбитим випромінюванням від оточення, а не випромінюванням, що випускається самим об'єктом на основі його власної температури. Якщо камера налаштована на коефіцієнт випромінювання, занадто високий відносно фактичної голої металевої поверхні, виміряна температура систематично відображається заниженою — фактично перегріта точка контакту може бути при цьому пропущена, саме в тому місці, де виявлення перегріву найважливіше.

Практичне рішення: еталонний матеріал з відомим коефіцієнтом випромінювання

Поширений практичний прийом для надійного вимірювання голої металевої контактної поверхні — нанесення невеликого шматочка матової чорної стрічки чи фарби з відомим, високим коефіцієнтом випромінювання (зазвичай близько 0,95) безпосередньо поруч із перевіряною точкою контакту чи на неї, до того як установка буде під напругою та навантаженням. Оскільки еталонний матеріал перебуває в тісному тепловому контакті з вимірюваною поверхнею, температура еталонної стрічки дає надійну вказівку на фактичну температуру металу під нею — навіть якщо сам голий метал важко виміряти безпосередньо.

Відбита температура: метод «зім'ятої алюмінієвої фольги»

Крім коефіцієнта випромінювання, необхідно також правильно налаштувати відбиту уявну температуру оточення, особливо для поверхонь з нижчим коефіцієнтом випромінювання, де відбиття відіграє більшу роль. Поширений практичний прийом для визначення цього значення: розміщення шматка зім'ятої (а потім частково розгорнутої) алюмінієвої фольги — яка сама має дуже низький коефіцієнт випромінювання і, отже, сильно відбивну, дифузну поверхню — в полі зору камери і налаштування камери при цьому на коефіцієнт випромінювання близько 1,0; відображуване значення тоді наближає відбиту температуру оточення, яка потім вводиться в налаштування камери як відбита температура.

Практична значущість

При термографічному обстеженні розподільчого щита за NEN 3140 з поєднанням пофарбованих корпусів, ізольованих кабелів і голих мідних чи алюмінієвих шинних ділянок важливо коригувати налаштування коефіцієнта випромінювання під тип вимірюваної поверхні, або застосовувати еталонну стрічку на важковимірюваній голій металевій контактній поверхні — одне фіксоване налаштування коефіцієнта випромінювання на все обстеження при змішаних матеріалах дає ненадійні результати саме в тих місцях (голих контактних поверхнях), які найважливіші для виявлення перегрітого з'єднання.

Часті помилки

1. Використання одного фіксованого налаштування коефіцієнта випромінювання на все обстеження, незалежно від того, чи є вимірювана поверхня пофарбованою, ізольованою чи голим металом — це дає систематично занижене відображення температури на голих металевих контактних поверхнях.
2. Відсутність налаштування відбитої температури чи залишення її на значенні за замовчуванням у середовищі з суттєво відмінними температурами оточення (наприклад, пряме сонячне світло на зовнішній розподільчій шафі) — це насамперед спотворює вимірювання поверхонь з низьким коефіцієнтом випромінювання.
3. Відсутність застосування еталонного матеріалу з відомим коефіцієнтом випромінювання на критичній голій металевій точці контакту — без еталона надійне абсолютне вимірювання температури на таких поверхнях навряд чи можливе.
4. Порівняння абсолютних значень температури між вимірюваннями з різними налаштуваннями коефіцієнта випромінювання — для змістовного порівняння (наприклад, при повторній перевірці) необхідно використовувати однакові налаштування або явно враховувати різницю в налаштуваннях при інтерпретації.

Пов'язані матеріали

• Термографічне обстеження та NTA 8220 — клас пожежного ризику
• Наконечники та обтискні з'єднання кабелів — вимоги до пресових з'єднань
• Вимірювання перехідного опору (мікроомметром) — з'єднання
• Електрична дуга — ризики та заходи контролю