Termograficzne badania maszyn elektrycznych – na co należy zwrócić uwagę

Termografia, zwana potocznie termowizją, opiera się na detekcji i rejestracji promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekty, których temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego, i przekształceniu tego promieniowania na światło widzialne. Otrzymany obraz termalny jest odwzorowaniem pola temperaturowego na powierzchni badanego obiektu. Jest to możliwe dzięki temu, że moc promieniowania ciał jest zależna od ich własności promiennych. Badania takie możemy wykonywać za pomocą kamer termowizyjnych.

Współczesna termowizja umożliwia cyfrową rejestrację rozkładu temperatur badanego obiektu. Tak powstała „mapa temperatur” jest następnie interpretowana graficznie – każdej temperaturze przypisywany jest inny kolor, dzięki czemu w wizjerze widziany jest termiczny obraz obiektu. Ponieważ zapisywane dane w praktyce są mapą temperatur obiektu, ten sam obiekt, w zależności od przyjętej skali barw oraz jej relacji do skali temperatur, może wyglądać różnie. System termowizyjny jest więc rodzajem niezwykłego termometru, który pozwala mierzyć temperaturę na odległość w wielu miejscach jednocześnie.

Rys. 1. Obiekt i jego termogram z poprawnie wprowadzonymi parametrami do kamery termowizyjnej.

Diagnostyka termograficzna to efektywna i nieinwazyjna metoda diagnostyczna oparta o pomiary termowizyjne, gdzie za pomocą kamery uzyskuje się obraz pola temperaturowego badanego obiektu oraz zdalny pomiar temperatury z rozdzielczością zależności od rodzaju przetwornika, w jaki wyposażono kamerę. Obecny standard to 0,1ºC. Podstawową zaletą tej metody jest fakt, że pomiary dokonywane są podczas normalnej pracy.

Błędy, które można popełnić podczas badań maszyn elektrycznych

Aby dokonać dokładnego pomiaru rozkładu temperatur maszyny elektrycznej, niezbędne jest skompensowanie wpływu różnych źródeł promieniowania. Jest to dokonywane automatycznie przez kamerę, po wprowadzeniu do niej opisanych parametrów obiektu:

• wilgotność powietrza;
• temperatura odbita pozorna;
• odległość między obiektem a kamerą;
• temperatura otoczenia;
• współczynnik emisyjności.

a) Wpływ wilgotności powietrza na pomiar kamerą termowizyjną

Jak widać z tabeli 1 (rys. 2), błędne określenie wilgotności powietrza nie ma większego wpływu na określenie rozkładu temperatur na powierzchni badanej maszyny.

Rys. 2. Termogram z błędnie wprowadzoną wilgotnością powietrza.

b) Temperatura odbita pozorna

Ten parametr służy do kompensacji promieniowania odbijanego przez obiekt. Prawidłowe ustawienie i kompensacja
odbitej temperatury pozornej są istotne w przypadku niskiej emisyjności i stosunkowo dużej różnicy pomiędzy temperaturą maszyny elektrycznej a temperaturą odbitą. Tabela 2 (rys. 3) obrazuje zmianę rozkładu temperatur badanej maszyny przy zmianie temperatury odbitej pozornej o 10ºC. Przy dokładności ±2ºC kamery termowizyjnej posiadanej przez BOBRME „Komel” różnica 0,5ºC jest mało znacząca. Temperatura odbita pozorna – to współczynnik, a nie promieniowanie.

Rys. 3. Wpływ błędnego określenia temperatury odbitej pozornej.

c) Wpływ odległości między obiektem a kamerą termowizyjną na wynik badania

Wybór właściwej odległości od badanego obiektu dla wykorzystywanego obiektywu ma wysoki wpływ na rzetelność wyników badań elementów o małych rozmiarach. Jeśli odległość zostanie źle dobrana (będzie za duża), to małe gabarytowo punkty mogą pozostać niewykryte. Natomiast jeżeli błędnie wprowadzimy do kamery termowizyjnej parametr odległości od badanej maszyny, to wpływ tego na otrzymane wyniki będzie mało istotny, co obrazuje tabela 3 (rys. 4) – gdzie uzyskano różnicę wynoszącą 0,6ºC przy wprowadzeniu odległości z dwudziesto krotnym błędem.

Rys. 4. Wpływ błędnego określenia temperatury odbitej pozornej.

d) Wpływ temperatury otoczenia na wynik badania kamerą termowizyjną

Niewłaściwe określenie temperatury otoczenia w parametrach kamery nie ma dużego wpływu na wyniki przeprowadzonych badań. Jak widać w tabeli 4 (rys. 5), zmiana temperatury otoczenia o 10ºC przyniosła zmianę temperatury obiektu o 0,4ºC, co stanowi mniej niż 1% wartości pomiaru i nie ma większego znaczenia.

e) Wpływ współczynnika emisyjności na wyniki przeprowadzanych badań

Jest to najważniejszy parametr obiektu, który należy poprawnie wprowadzić. Emisyjność, w uproszczeniu, jest miarą intensywności promieniowania emitowanego z obiektu w stosunku do intensywności promieniowania ciała doskonale czarnego w tej samej temperaturze. Materiały obiektów i ich obrobione powierzchnie charakteryzują się emisyjnością w zakresie od 0,1 do 0,95. Dobrze wypolerowane (lustrzane) powierzchnie mają emisyjność poniżej 0,1. Farba olejna, niezależnie od jej koloru w świetle widzialnym, ma w obszarze podczerwieni współczynnik emisyjności wynoszący ponad 0,9. Jak ukazuje rys. 6, właściwe określenie współczynnika emisyjności ma bardzo duże znaczenie. W miejscu pokrytym lakierem o znanym współczynniku emisyjności, kamera termowizyjna zarejestrowała temperaturę o 12,5ºC większą niż w miejscu oddalonym o ok. 10mm, gdzie powierzchnia jest pokryta powłoką o innym współczynniku emisyjności. Określanie właściwego współczynnika emisyjności jest bardzo proste. Wystarczy na element maszyny o nieznanej emisyjności nakleić kawałek taśmy samoprzylepnej o znanym współczynniku emisyjności. Następnie należy podgrzać równomiernie obiekt do temperatury wyższej od pokojowej, o co najmniej 20 K. Kolejnym krokiem jest zarejestrowanie termogramu za pomocą kamery z ustawionym współczynnikiem emisyjności naklejonej taśmy. Z powstałego obrazu termowizyjnego odczytać należy temperaturę taśmy. Następnie należy skierować kamerę na obszar pozbawiony taśmy i tak zmieniać współczynnik emisyjności w kamerze, aż temperatura maszyny będzie taka sama, jak temperatura wcześniej zmierzonej taśmy. Jeżeli błędnie określimy emisyjność obiektu, to skutki są widoczne na rys. 7
(tabela 5), gdzie temperatura obiektu odbiega od rzeczywistej o 42,7ºC, co sprawia, że uzyskane wyniki nie mogą być
wykorzystane w procesie badawczym, a przyjęte jako poprawne mogą być powodem błędnych diagnostyk lub wniosków z badań.

Metodyka badań

Przedstawienie szczegółowych zasad postępowania w badaniach jest bardzo trudne. Istnieje jednak zbiór zasad, które powinny być zastosowane do każdej aplikacji:

• ustalenie celu badań;
• rozpoznanie obiektu badań;
• rozpoznanie warunków technicznych środowiskowych obiektu;
• wykonanie badań;
• opracowanie wyników pomiarów i edycja sprawozdania.

Podsumowanie

Termografia jest nieinwazyjną i efektywną metodą diagnostyczną stosowaną podczas badań elektrycznych. Powszechność stosowania termowizji jest uzależniona w znaczącym stopniu od cen kamer obecnie dostępnych na rynku. Jesteśmy przekonani, że termografia będzie jedną z podstawowych technologii wykorzystywanych przez zespoły badające maszyny elektryczne i służby utrzymania ruchu. Lecz nie można zapomnieć, iż samo posiadanie na wyposażeniu kamery termowizyjnej jest tylko warunkiem koniecznym w realizacji tej formy badań. W celu przeprowadzenia użytecznych badań diagnostycznych konieczne jest posiadanie dostatecznej wiedzy związanej
z eksploatacją maszyn, ich budową oraz zjawiskami termicznymi zachodzącymi w obrębie maszyn wirujących i urządzeń elektrycznych.

Literatura
[1] Materiały szkoleniowe Laboratorium Maszyn Elektrycznych BOBRME Komel.
[2] Sprawozdania z badań maszyn elektrycznych.

Autorzy artykułu:

Artur Polak, Marcin Barański – BOBRME Komel, Katowice