Тепловизоры с охлаждением ИК-приемника

С помощью таких тепловизоров могут решаться практически все технические задачи по диагностике энергетического оборудования и технологических сооружений. Высокочувствительные многофункциональные тепловизионные системы с оптико-механическим сканированием отечественного производства, к сожалению, не могут конкурировать с конструкциями зарубежных фирм.

В энергосистемах получили определенное распространение тепловизоры марок 450; 470; 480 и 550 шведской фирмы "АГЕМА" и тепловизоры американской фирмы "ИНФРАМЕТРИКС".

При выборе тепловизора необходимо обращать внимание на следующие функциональные возможности:

Чувствительность тепловизора и диапазон измеряемых температур.

Чувствительность (разрешающая способность по температуре) должна быть 0,1 °С и лучше при температуре 25-30 °С.

Верхний предел температурного диапазона должен быть не менее 200 °С, нижний - 2(5) °С с разбивкой диапазона на 5-7 интервалов.

Автоматическая компенсация воздействия внешних факторов.

В конструкцию тепловизора должны быть заложены возможности автоматической компенсации:

температуры окружающей среды; излучательной способности объекта; расстояния, с которого ведется съемка.

Рабочая среда.

Диапазон температур среды, на который рассчитан тепловизор, должен быть не хуже следующего: от -10 до +50 °С.

Способность тепловизора в рабочем состоянии воспринимать удары и толчки (в рабочем состоянии до 15 G, а нерабочем – 40 G), а также вибрационное воздействие (в рабочем состоянии до 1 G, в нерабочем - до 2 G).

Спектральный диапазон.

При ИК-диагностике на открытом воздухе основным источником погрешности могут являться прямая и отраженная солнечная радиация, а также рассеянное излучение и излучение источников искусственного освещения.

В помещении такими источниками являются рассеянный и отраженный свет от окружающих объектов и светильников.

Влияние отраженного света тем больше, чем меньше излучательная способность объекта. В ряде зарубежных публикаций было отмечено, что длинноволновые (8-12 мкм) тепловизионные системы предпочтительнее для диагностики электрооборудования ОРУ и ВЛ. Основанием для этого утверждения явились отчеты по испытаниям, которые проводились многими пользователями, применяющими обычные коротковолновые (2-5 мкм) системы и имеющими проблемы с солнечным отражением и поглощением атмосферы.

Легко отметить эти проблемы, когда используются разноволновые системы.

Было отмечено, что длинноволновые ИК-системы менее чувствительны к солнечному отражению, чем коротковолновые.

Хотя солнечная радиация присутствует в обоих диапазонах, ее количество значительно различается и дает наибольшие проблемы в коротковолновом диапазоне. Согласно функции Планка, пик энергии ИК-излучения объекта по мере увеличения температуры смещается в коротковолновый диапазон.

Как видно из кривых излучения черного тела на рис.П.1.0-13, иллюстрирующих функцию Планка, пиковая энергия, излучаемая объектом при температуре окружающей среды 27 °С, попадает приблизительно на 10 мкм.

Однако пиковая энергия, излучаемая солнцем (5727 °С), падает приблизительно на 0,5 мкм.

 

 

Рис.П.1.0-13. Спектральное распределение поверхностной плотности потока излучения черного тела (закон Планка)

 

Заштрихованная область под кривыми (рис.П.1.0-13) показывает энергию, обнаруживаемую соответствующими ИК-системами при определенных температурах. Интегрируя область под кривыми, можно определить коэффициент контрастности между солнечным излучением и излучением объекта при температуре окружающей среды.

В этом примере коэффициент контрастности в 1200 раз больше в коротковолновом диапазоне, чем в длинноволновом.

Как результат такого различия операторы часто видят коротковолновыми системами "фальшивые" горячие точки, когда осматривают металлические или керамические конструкции в солнечных условиях.

Рис.П.1.0-14 иллюстрирует сравнение результатов, полученных от длинноволнового и коротковолнового "Inframetrics-760" при обзоре одной и той же петли выключателя в светлое время суток.

Спектральный диапазон 8-12 мкм

Спектральный диапазон 2-5 мкм

 

Рис.П.1.0-14. Сравнительные результаты ИК-контроля контактных соединений ошиновки длинноволновым и коротковолновым тепловизорами

 

Отметим, что коротковолновая система показывает горячие точки на двух нижних петлях, в то время как действительная горячая точка находится на верхней петле.

Фактически коротковолновая система показывает более сильный нагрев на нижних петлях, чем действительная горячая точка на верхней петле.

Длинноволновая система показывает только реальные горячие точки.

ИК-контроль за состоянием оборудования и технологических сооружений связан с дистанционным измерением температур через определенный слой атмосферы, в котором присутствуют такие компоненты, как Н₂О, СО₂, СО, О₃, СН₄ и т.д., поглощающие ИК-излучения в воздухе (рис.П.1.0-15).

 

 

Рис.П.1.0-15. Зоны поглощения ИК-излучения основными компонентами, содержащимися в воздухе (для усредненных условий на высоте 0 м над уровнем моря)

 

Солнечная энергия сильно ослабляется в диапазоне 4,2-4,4 мкм (поглощение СО₂), а на длине волны 4,3 мкм ИК-излучение в атмосфере на уровне земли почти полностью отсутствует.

При проведении сравнительных расчетов влияния атмосферных условий было сделано предположение, что измерения проводятся летом в средней полосе, объект расположен на высоте 10 м над уровнем моря, спектральный диапазон от 2 до 12 мкм.

Заштрихованная область (рис.П.1.0-16) изображает участки, на которых работают типичные коротковолновые и длинноволновые ИК-системы.

 

 

Рис.П.1.0-16. Спектральный коэффициент пропускания атмосферы

 

Отметим, что длинноволновая область свободна от интерференции в атмосфере, в то время как коротковолновая область значительно поглощает волны 2,7 и 4,3 мкм. Длинноволновые системы "обрабатывают" 99% инфракрасного излучения объекта в данной области спектра, в то время как коротковолновые - 83%.

При увеличении расстояния, окружающей температуры или влажности среднее излучение для обоих диапазонов уменьшается пропорционально.

Сокращение энергии, поступающей к ИК-системе из-за атмосферного влияния, ведет к потере чувствительности и точности измерений. Таким образом, длинноволновые системы менее подвержены влиянию атмосферы, чем коротковолновые.

Применяемые атмосферные или спектральные фильтры в коротковолновых тепловизионных системах недостаточно эффективны, поскольку уменьшают тепловой поток, поступающий в ИК-приемник, и чувствительность системы.

Так, солнечный фильтр отсекает тепловую энергию ниже 3,4 мкм, что приводит к сокращению до 70% энергии, которая могла бы быть получена ИК-приемником.

Атмосферный фильтр закрывает диапазон между 4,1 и 4,4 мкм, что также чревато потерей чувствительности системы.

При проведении ИК-диагностики в электроустановках приходится считаться с возможностью ложного восприятия нагрева в результате коронирования объекта. Особенно сильно это влияние сказывается при применении тепловизоров со спектральным диапазоном 2-5 мкм (рис.П.1.0-17).

 

 

Рис.П.1.0-17. Термограмма вводов силового трансформатора (белые участки на поверхности покрышек - места возникновения короны)