Принцип работы и конструкция тепловизора

Методические указания для проведения лабораторных работ по курсу эксплуатационный контроль и техническая диагностика электрооборудования

Оглавление

Лабораторная работа №1. Инфракрасная диагностика электрооборудования. 4

1.1 Общие теоретические положения. 5

1.2 Тепловизоры.. 5

1.2.1  Принцип работы и конструкция тепловизора. 6

1.1.1  Требования к прибору. 9

1.2 Пирометры.. 10

1.3 Методика проведения тепловизионного контроля. 12

1.3.1  Общие указания при проведении тепловизионного контроля. 12

1.4 Факторы, влияющие на результат инфракрасной диагностики. 13

1.4.1  Влияние излучательной способности. 13

1.4.2  Солнечное излучение. 14

1.4.3  Ветер. 14

1.4.4  Нагрузка. 14

1.4.5  Тепловая инерция. 15

1.4.6  Дождь и снег. 15

1.4.7  Магнитные поля. 15

1.4.8  Тепловое отражение. 16

1.4.9  Нагрев индукционными токами. 16

1.5 Периодичность проведения тепловизионного контроля. 16

1.6 Оценка результатов тепловизионного контроля. 17

1.7 Ход выполнения работы.. 20

1.8 Вопросы для самоподготовки. 21

2 Лабораторная работа №2. Измерение сопротивления изоляции кабеля. 25

2.1 Основные сведения. 26

2.2 Показатели качества изоляции. 31

2.3 Оценка измерений. 33

2.4 Описание прибора. 34

2.5 Производство измерений: 38

2.5.1  Измерения напряжения. 38

2.5.2  Измерение сопротивления изоляции. 39

2.6 Ход выполнения работы: 42

2.7 Вопросы для самоподготовки: 43

3 Лабораторная работа № 3. Измерение параметров устройства защитного отключения. 44

3.1 Общие теоретические положения. 45

3.2 Правила безопасной работы с цифровым тестером УЗО UT581. 46

3.3 Особенности прибора. 48

3.4 Технические характеристики. 48

3.5 Внешний вид прибора и принадлежностей. 49

3.6 Выполнение измерений. 50

3.7 Ход выполнения работы.. 51

3.8 Вопросы для самоподготовки. 51

4 Лабораторная работа № 4 Измерение параметров сопротивления заземления. 52

4.1 Основные сведения. 53

4.2 Устройство заземления. 54

4.3 Периодичность измерения. 56

4.4 Проверка состояния заземляющего устройства. 57

4.4.1  Визуальная проверка заземляющего устройства. 57

4.4.2  Проверка контактных соединений и металлосвязей оборудования с заземляющим устройством 58

4.4.3  Оценка коррозионного состояния. 58

4.5 Условия проведения измерений. 59

4.5.1  Измерение сопротивления заземления при помощи прибора 1820 ER. 59

4.5.2  Обработка и вычисление результатов измерений. 62

4.6 Вопросы для самоподготовки: 63

5 Лабораторная работа № 6 Измерение петли фаза-ноль. 65

5.1 Основные сведения. 66

5.2 Критерии соответствия нормам электробезопасности. 69

5.3 Описание прибора MZC-300. 71

5.4 Практическая часть. 72

5.4.1  Внешний осмотр. 72

5.4.2  Измерение петли фаза-ноль. 72

5.4.3  Особенности измерения. 72

Приложение А.. 80

Приложение Б. 82

 

Лабораторнаяработа№1.Инфракраснаядиагностикаэлектрооборудования

 

Цельработы:Изучитьпринципработытепловизораипирометра,методикуинфракраснойдиагностикиэлектрооборудованияивоздушныхлиний,научитьсяанализироватьполученныеданные.

Общиетеоретическиеположения

Внедрениеприборовинфракраснойтехники(ИКТ)вэнергетикуявляетсяоднимизосновныхнаправленийразвитиявысокоэффективнойсистемытехническойдиагностики,котораяобеспечиваетвозможностьконтролятепловогосостоянияэлектрооборудованияиэлектроустановокбезвыводаихизработы,выявлениядефектовнараннейстадииихразвития,сокращениязатратнатехническоеобслуживаниезасчетпрогнозированиясроковиобъемовремонтныхработ.

Основныеруководящиедокументы:

РД153-34.0-20.363-99ОсновныеположенияметодикиинфракраснойдиагностикиэлектрооборудованияиВЛ

РД34.45-51.300-97Объеминормыиспытанийэлектрооборудования.

ГОСТ25314-82Контрольнеразрушающийтепловой.Терминыиопределения

ГОСТР54852-2011.Зданияисооружения.Методтепловизионногоконтролякачестватеплоизоляцииограждающихконструкций

Тепловизоры

Тепловизионныйконтроль –этонеразрушающийконтроль,основанныйнабесконтактномизмерениитепловогоизлученияирегистрациитемпературныхполейнаповерхностиограждающихконструкций.

Тепловизор –этоприборилисовокупностьприборов,предназначенныхдляпреобразованиятепловогоизображенияобъектаввидимое.

Тепловое изображение - изображение объекта контроля, создаваемое за счет различий в радиационной температуре различных участков объекта.

Термограмма - это тепловое изображение, записанное в аналоговом или цифровом виде в память тепловизора или на цифровой носитель.

Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Наблюдательные тепловизоры показывают только градиенты температур объекта. Измерительные тепловизоры позволяют измерить значение температуры заданной точки объекта с точностью до коэффициента излучения материала объекта. Измерительные тепловизоры требуют периодической калибровки, для чего зачастую снабжены встроенным устройством для калибровки матрицы, обычно в виде шторки, температура которой точно измеряется. Шторка периодически надвигается на матрицу, давая возможность откалибровать матрицу по температуре шторки.

Длинноволновые тепловизоры – это тепловизоры, которые чувствительны к инфракрасному излучению в диапазоне длин волн от 8 до 15 мкм. Средневолновые тепловизоры – это тепловизоры, чувствительные к инфракрасному излучению в диапазоне длин волн от 2,5 мкм до 6 мкм. В настоящее время существуют как длинноволновые, так и средневолновые тепловизионные системы, часто с функцией наложения изображений и высокой температурной чувствительностью (0,05 °С). Практически все современные инфракрасные системы используют программное обеспечение для облегчения анализа и подготовки отчетов.

Принцип работы и конструкция тепловизора

Исторически первые тепловизионные датчики для получения изображений были электронно-вакуумными. На смену электронновакуумным приборам пришли твердотельные. Первые твердотельные датчики были одноэлементными, поэтому для получения двумерного изображения их оснащали электромеханической оптической развёрткой. Такие тепловизоры называются сканирующими. В них система из движущихся зеркал последовательно проецирует на датчик излучение от каждой точки наблюдаемого пространства. Датчик может быть одноэлементным, линейкой чувствительных элементов или небольшой матрицей. Для увеличения чувствительности и снижения инерционности датчики сканирующих тепловизоров охлаждают до криогенных температур. Лучшие охлаждаемые датчики способны реагировать на единичные фотоны и имеют время реакции менее микросекунды.

Обычный тепловизор имеет несколько общих для всех подобных приборов компонентов, включающих объектив, крышку объектива, дисплей, приемник излучения и обрабатывающую электронику, органы управления, устройства хранения данных, а так же программное обеспечение для обработки данных и создания отчетов. Эти компоненты могут изменяться в зависимости от типа и модели тепловизионной системы.

Современные тепловизоры, как правило, строятся на основе специальных матричных датчиков температуры — болометров. Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие нагревания под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии. Основной компонент болометра — очень тонкая пластинка (например, из платины или другого проводящего материала), зачернённая для лучшего поглощения излучения. Из-за своей малой толщины пластинка под действием излучения быстро нагревается и её сопротивление повышается. Для измерения малых отклонений сопротивления пластинки её включают в мостовую схему, которую балансируют при отсутствии засветки. Металлические болометры часто подсоединяют через трансформаторный вход, так как у них очень малое собственное сопротивление.

Дисплей

Объектив

Кнопка спуска

Органы управления

Ручка с ремешком

Аккумулятор

Кнопка фиксатора крепления аккумулятора

Метрическая резьба для крепления штатива.

Кольцо фокусировки

LED-индикатор состояния: откл. (БП не подключён), мигает (БП подключён, и аккумулятор находится на подзарядке), горит (БП подключён, и процесс подзарядки аккумулятора завершён).

Слот карты памяти. Интерфейс USB.Гнездо для блока питания

 

Рисунок 1.1 - Testo 875

 

Таким образом, инфракрасное излучение, собранное и сфокусированное на матрицеобъективомтепловизора, нагревает элементы матрицы в соответствии с распределением температуры наблюдаемого объекта и выдает сигнал, обычно в виде изменения напряжения или электрического сопротивления. Полученный сигнал регистрируется электроникой тепловизионной системы и преобразуется в термограмму, которая отображается на жидкокристаллическом дисплее (ЖКД), расположенном на тепловизоре. Дисплей должен иметь большой размер и высокую яркость, чтобы изображение на нем можно было легко увидеть в различных условиях освещенности. На дисплее отображается дополнительная информация: дата, время, температура объекта (в °F, °C, или K), видимое изображение и цветовая шкала температур.

Типичные матричные приемники излучения современных тепловизоров имеют размеры от 16х16 до 640х480 пикселей. Пространственное разрешение коммерчески доступных болометрических матриц достигает 1280х720 точек. Коммерческие болометры обычно делают неохлаждаемыми для уменьшения цены и размеров оборудования.

Пиксель является самым маленьким элементом матричного приемника излучения, который может улавливать инфракрасное излучение.

Первое число представляет собой количество вертикальных колонок, а второе – количество горизонтальных линий, отображаемых на дисплее. Например, матрица размером 160х120 элементов в сумме имеет 19200 пикселей.

Поскольку обычное оптическое стекло непрозрачно в среднем ИК диапазоне, оптику тепловизоров делают из специальных материалов. Чаще всего это германий, но он дорог, поэтому иногда используют халькогенидное стекло,селенид цинка или даже полиэтилен. Пропускание объективов улучшается за счет тонкопленочных просветляющих покрытий.  В лабораторных целях оптику также можно делать из некоторых солей, например поваренной соли, также прозрачной в требуемом диапазоне длин волн.

С помощью органов управления можно выполнить разнообразные электронные настройки для улучшения теплового изображения на дисплее. В электронном виде изменяются такие настройки, как диапазон температур, тепловой уровень и диапазон, цветовая палитра и настройки слияния изображения. Так же можно установить значение коэффициента излучения и отраженной фоновой температуры.

Таблица 1.1 Кнопки управления Testo 875

	Включение и отключение тепловизора
[ОК] и Джойстик	• Нажатие [ОК]: Открытие меню, подтверждение выбора/настройки. Перемещение [ОК] вверх/вниз/вправо/влево = функция • Джойстик: Выбор функций, навигация
[Esc]	Отмена действия.
Влево/вправо ["xy"] Кнопка быстрого выбора	Вызов функции. Кнопка быстрого доступа, предназначенная для вызова функции, постоянно показана на дисплее.

 

Файлы, содержащие тепловые изображения и дополнительные данные, сохраняются на различных типах электронных карт памяти или устройств хранения и передачи данных. Инфракрасные тепловизионные системы позволяют сохранять дополнительные голосовые и текстовые данные, а также соответствующее видимое изображение, полученное с помощью встроенной камеры, работающей в видимом спектре.

Программное обеспечение, которое используется в современных тепловизионных системах, является много-функциональным и удобным для пользователя.    

Цифровые тепловые и видимые изображения импортируются на персональный компьютер, где их можно просмотреть с использованием различных цветовых палитр, произвести другие настройки всех радиометрических параметров, а также воспользоваться функциями анализа. Обработанные изображения можно вставить в шаблоны отчетов и либо отправить на принтер, либо сохранить в электронном виде, или отправить по различным каналам заказчику.

Для переноски и хранения тепловизор помещают в футляр, в котором переносят также вспомогательное оборудование для использования в полевых условиях и средства программного обеспечения.

Требования к прибору

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.

В конструкцию тепловизора должны быть заложены возможности автоматической компенсации температуры окружающей среды; излучательной способности объекта; расстояния, с которого ведется съемка.

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. Хотя солнечная радиация присутствует в обоих диапазонах, ее количество значительно различается и имеет наибольшее влияние на результаты диагностики в коротковолновом диапазоне (2-5 мкм).

Охлаждение приемников излучения. Метод охлаждения детектора тепловизора может влиять на его характеристики, особенно если он используется вне помещения.

Чтобы повысить обнаружительную способность тепловизора, необходимо "заглушить" собственное излучение детектора и примыкающих к нему элементов.

Это достигается охлаждением детектора до температур, при которых фоновый шум собственного излучения становится ничтожно малым.

В тепловизорах нашли применение три способа охлаждения:

- сжиженным газом (преимущественно азотом);

- криогенными машинами;

- за счет термоэлектрического эффекта.

Наиболее простым является охлаждение жидким азотом.

Пирометры

Пирометр–этосредство(совокупностьсредств)измеренийтемпературыпотепловомуэлектромагнитномуизлучению,предназначенноедлявыработкисигналаизмерительнойинформациивформе,удобнойдлянепосредственноговосприятиянаблюдателем.Конструктивнопирометрможетпредставлятьсобойсовокупностьпирометрическогопреобразователяиустройстваотображенияинформацииваналоговойилицифровойформе.

 

Рисунок 1.2 – Внешний вид пирометров

 

Попринципудействияпирометрыподразделяютна:

пирометрчастичногоизлучения -этопирометр,действиекоторогооснованонаиспользованиизависимостиэнергетическойяркостиизлучателяоттемпературывограниченноминтерваледлинволн.

пирометрполногоизлучения –этопирометр,действиекоторогооснованонаиспользованиизависимостиинтегральнойэнергетическойяркостиизлучателяоттемпературы,описываемойдля"абсолютночерноготела"сдостаточнымприближениемзаконаСтефана-Больцмана.

пирометрспектральногоотношения -этопирометр,действиекоторогооснованоназависимостиотношенийэнергетическихяркостейвдвухилинесколькихспектральныхинтервалахоттемпературытела.

ПроизводствопирометровразличногоконструктивногоисполненияиназначенияосвоеномногимипредприятиямиРоссии.Потехническимпараметрамотечественныепирометрынеуступаютлучшимзарубежнымобразцам.

Выборпризакупкетипапирометразависитпреждевсегоотвозможнойобластиегопримененияисвязанныхсэтимфакторов.

ПриизмерениятемпературыКСспомощьюпирометранеобходимоучитыватьуголвизирования,которыйонобеспечивает.

Так,длядистанционногоконтроляконтактныхсоединений(КС)токоведущихчастейиэлектрооборудованиямогутприменятьсяпирометрысширокимималымугломвизирования.Впервомслучае,приуглевизирования1:60пирометрымогутприменятьсявэлектроустановках0,4-20кВ.Пирометрысмалымугломвизирования(1:200,1:300)целесообразноврядеслучаевиспользоватьприконтролеКС(контактныхсоединений)вОРУ110-220кВвсочетаниистепловизором.

Втехслучаях,когдаконтролируемоеКСнаходитсянаудаленномрасстоянииилиразмерыегомалы,можетвозникнутьситуация,прикоторойвзонуизмерениянарядусконтролируемымобъектомпопадетучастококружающейеговнешнейсреды(воздухит.д.)синойтемпературой.

 

 

-объектизмерения

t _окр -температураокружающеговоздуха;

t _об -температураобъектаизмерения

Рисунок1.3–Уголвизированияпирометра

 

Температуравнешнейсредывэтомслучаеможетвнестисущественнуюпогрешностьврезультатыпоказанияпирометра,особенноеслиизмерениетемпературыконтролируемогообъектаосуществляетсянафоненеба,температуракотороговзависимостиотегосостояния(облачность,ясноенебо)можетдостигатьминус(50-70)°С.