Дисклеймер: если Вы профессионально занимаетесь тепловизионными измерениями или искушены в физике волновых процессов, статья, вероятнее всего, представится вам просто облегченным объяснением известных Вам фактов. Если же только начинаете знакомиться с темой, прочтение даст полезную информацию о «граблях» на которые можно наступить, но лучше этого не делать.

Контроль нагрева оборудования или температуры технологического процесса – важнейшая задача, о какой бы отрасли промышленности мы не говорили. Вас может интересовать насколько нагреты реактивы при химическом производстве, температура взаимодействующих механически деталей станков или тепловое состояние изоляции и контактных соединений элементов энергетической инфраструктуры. Именно последнюю задачу мы решали, создавая первое тепловизионное реле защиты.

Наша команда обладает значительным опытом создания устройств РЗА, но с тепловизионными измерениями мы столкнулись впервые. На рынке уже существуют технические решения для контроля температуры контактных соединений, основанные на альтернативных технологиях – применении контактных датчиков температуры, пирометрических датчиков или газоаналитических систем. Однако, все они уступают по ряду характеристик тепловизионному методу.

Почему мы выбрали именно тепловизионный принцип измерения температуры? Он обладает очевидными преимуществами перед любой из альтернативных технологий:

• Бесконтактность измерений.

На объектах электроэнергетики бесконтактность в первую очередь позволяет провести более удобный монтаж оборудования, а также снизить воздействие электромагнитных полей на электронные компоненты прибора.

• Широкая зона контроля.

Технология позволяет с помощью одного датчика контролировать температуру не в одной указанной точке, а во множестве, попадающих в поле зрения.

• Визуализация событий.

Окончательные решения или анализ событий проводятся человеком (или нейросетью). Очевидно, с «картинкой» работать удобнее и приятнее, чем с голыми цифрами.

Упрощенное объяснение физических принципов тепловизионных измерений и общая информация о функционировании устройства приведены в блоге компании. Для дальнейшего повествования в рамках этой статьи, достаточно будет привести информацию кратко: тепловизионный принцип контроля основан на улавливании инфракрасного излучения и вычислении температуры в зависимости от его уровня. Сам тепловизор работает по принципу цифрового фотоаппарата: оптика фокусирует излучение на цифровой матрице, микроконтроллер вычисляет температуру каждого пикселя пропорционально доле излучения, попавшей на него.

Особенности ИК-излучения металлических поверхностей

Поскольку, изначально мы разрабатывали устройство для наблюдения температуры контактных соединений, одним из первых опытов, который мы делали, был анализ температуры оголенных полированных нагретых медной и алюминиевой шин. К нашему несчастью, температура даже нагретых до 100 °C образцов измерялась с погрешностью более 60%.

Объясняется это двумя факторами:

• Низким коэффициентом излучения полированных металлических поверхностей.

Инфракрасное излучение, регистрируемое устройством, делится на две составляющих:

а) излучение, испущенное нагретым объектом (характеризуется коэффициентом излучения);

б) излучение, отраженное поверхностью нагретого объекта.

Коэффициент излучения, меняется от нуля до единицы, где единица соответствует абсолютно черному телу – телу, которое полностью поглощает любое упавшее на него излучение и обладает характерным спектром собственного излучения. Именно на абсолютно черном теле калибруются тепловизоры ­ ведь в его излучении отсутствует отраженная составляющая (которая сложно предсказуема и могла бы снизить точность калибровки).

Справедливо следующее правило: чем лучше объект отражает ИК-излучение, тем хуже испускает собственное и наоборот. Структура поверхности полированного металла такова, что отражает ИК-излучение она отлично и, соответственно, излучает слабо, т. е. коэффициент излучения – низкий.

• Спектром излучения металлов.

Доступные на рынке и достаточно технически простые тепловизионные матрицы чувствительны к длинноволновому инфракрасному излучению (far infrared - 7-13 мкм). Калибруются они именно в этом диапазоне длин волн на излучении абсолютно черного тела (т.к. в регистрируемом излучении отсутствует отраженная составляющая – абсолютно черное тело её поглощает, и матрица фиксирует именно энергию, испущенную телом). Условно, 100 градусам соответствует 100 единиц АЦП.

У металлов же максимум излучения лежит в коротковолновом инфракрасном диапазоне (near infrared - 0,7-3 мкм). На длинноволновой диапазон тоже приходится определенная доля энергии, но значительно меньшая. Так, металл разогретый до 1000 градусов, в длинноволновой зоне испустит излучение, соответствующее 100 единицам АЦП, т. е. 100 градусам.

Тот же образец мы покрыли термостойкой краской. Теперь, излучающей поверхностью стал не полированный металл, а краска. Максимум спектра излучения лежит в длинноволновом диапазоне, а коэффициент излучения значительно выше. Соответственно, нагретый объект становится гораздо «виднее», что и показывают результаты измерений.

Очевидно, корректно измерить доступными на рынке матрицами возможно температуру только неметаллической поверхности. Но неметаллические поверхности сами могут иметь различные коэффициенты излучения. Напрашивалось два варианта:

а) регулировать коэффициент излучения в устройстве силами пользователя, плюс измерять температуру окружающей среды;

б) настроить прибор на высокий коэффициент излучения и обеспечивать его для наблюдаемой поверхности.

Первый вариант предполагает знакомство пользователя с принципами тепловизионного измерения, точное знание коэффициента излучения и корректное измерение температуры окружающей среды – вероятность ошибки повышается.

Большая часть электроизоляционных материалов (краски, керамика, изолента, стекло, термоусадочная трубка) имеют высокий (более 0,8) коэффициент излучения. Поэтому, для реализации был выбран второй вариант. В случае низкого коэффициента излучения рекомендуется окрашивать контролируемую поверхность.

Заполнение пикселя

Выше описывался принцип работы тепловизора – линза фокусирует излучение на матрице, которое в дальнейшем оцифровывается. Матрица состоит из множества пикселей – сенсоров, чувствительных к ИК-излучению, расположенных вплотную друг к другу. Линза имеет свой угол зрения. Соответственно, на каждый пиксель приходится определенная зона пространства. Для того, чтобы точно измерить температуру объекта, нужно, чтобы его излучение покрывало пиксель полностью. Очевидно, что с ростом расстояния до объекта, растет и площадь, излучение с которой приходится на один пиксель.

Обратимся к рисунку выше: пиксель, который полностью заполнен изображением фрагмента кактуса, покажет именно его температуру. Пиксель, заполненный изображением другого фрагмента кактуса наполовину, покажет что-то среднее между температурой фрагмента и температурой окружающей среды.

Разумеется, превышение размерами объекта размеров пикселя не является достаточным условием для точного измерения (см. правую часть рисунка выше). В таком случае, важно ещё и расположение изображения объекта относительно сетки матрицы. Достаточным же условием будут такие размеры контролируемого объекта (не менее, чем 2х2 пикселя), при которых он заполнит хотя бы один пиксель вне зависимости от своего расположения относительно сетки матрицы.

Исходя из представленных выше соображений, мы приводим в руководстве по эксплуатации минимальные размеры контролируемого объекта в зависимости от расстояния.

Опишем преимущества, которые дает применение тепловизионных датчиков относительно пирометрических. Работают они по одинаковому принципу, но у тепловизионного датчика чувствительный элемент – матрица, а у пирометрического – единичный сенсор.

В пирометрических датчиках применяется оптика с узким углом зрения (как правило, единицы градусов). Соответственно, при применении тепловизионных датчиков с той же оптикой, повышается разрешение. Но, что более важно, измерительная матрица позволяет использовать и широкоугольную оптику, которая и применяется в наших устройствах.

Для корректного измерения температуры мы даем рекомендации о минимальных размерах контролируемого объекта в зависимости от расстояния. При выполнении этих рекомендаций гарантируется заполнение хотя бы одного пикселя.

Дисторсия

Касаясь темы широкоугольной оптики, вспомним об эффектах, которые проявляются при фотографировании на подобные объективы. Ниже на фотографиях пример корректного изображения и изображения, подвергнутого дисторсии — аберрации оптических систем, при которой коэффициент линейного увеличения изменяется по мере удаления отображаемых предметов от оптической оси. При этом нарушается геометрическое подобие между объектом и его изображением. Такое искажение типично для широкоугольных объективов.

Инфракрасные объективы так же «грешат» этим эффектом. На примере снизу мы видим нарушение геометрического подобия между оригиналом и ИК-изображением.

Равномерно нагретый радиатор частично накрыт пледом.

Ожидание: холодный участок, накрытый пледом, и горячая вертикальная полоска.

Реальность: вертикальная полоска нелинейно исказилась, аналогично прямым линиям на фотографии.

Именно из-за этого эффекта производители тепловизионных модулей зонируют точность измерений, в зависимости от участка матрицы.

Опыты показали, что по центру один пиксель заполнить гораздо легче, чем с краю. Поэтому минимальные размеры контролируемого объекта различаются, в зависимости от удаления от центра матрицы. По центру они минимальны и максимальны по краям.

Зависимость результата измерения от расстояния до объекта

Ниже представлены результаты измерений для электрической плитки (она с гарантией заполняет пиксель), при расстояниях установки реле 0,5, 1 и 1,5 м. В шкафах и ячейках с электрооборудованием свободное пространство сведено к минимуму, поэтому такие расстояния представляют наибольший интерес.

Нагретую до 450 градусов плитку мы измеряли с представленных расстояний.

На расстоянии 50 см температура измеряется без погрешности.

На расстоянии 100 см – погрешность измерения составила 5 градусов (или примерно 1% от измерения).

На расстоянии 150 см – погрешность измерения составила 12 градусов (или примерно 3% от измерения). Верхнее горячее «пятно» на снимке – отражение излучения плитки от поверхности окна.

Результаты показывают, что точность снижается несущественно при любом расстоянии установки, характерном для объектов электроэнергетики.

Итог

Систематизируем полученные выводы. При совершении тепловизионных измерений следует учитывать следующие особенности:

• Спектры излучения материалов различны.

Тепловизор – не универсальное средство измерения, и точно определит температуру только в случае, если зарегистрирует ИК-излучение в диапазоне длин волн, под которые был разработан и откалиброван.

• Коэффициенты излучения поверхностей различны.

Тепловизоры калибруются на абсолютно черном теле. Коэффициент излучения помогает привести излучение реального тела к излучению абсолютно черного.

• Необходимость заполнения пикселя.

Для корректного измерения температуры недостаточно просто навести тепловизор на цель. Нужно убедится, что размеры цели и расстояние до неё таковы, что изображение цели полностью перекрывает хотя бы один пиксель матрицы.

• Дисторсия.

Оптические эффекты влияют на точность измерения в зависимости от положения пикселя на матрице.

Этот опыт мы учли в нашей разработке. Тепловизионное реле защиты КАКТУС точно измерит температуру объекта, удовлетворяющего следующим условиям:

1. Поверхность объекта имеет высокий (более 0,8) коэффициент излучения и излучает в диапазоне 7-13 мкм.

   Такими свойствами обладает любой из изолирующих объектов, применяемый в электроэнергетике – фарфоровые, полимерные и стеклянные изоляторы; изоляция кабелей; термоусадочные трубки; пластиковые корпуса электроприборов; изоляционная лента.

2. Объект измерения с гарантией заполняет хотя бы один пиксель матрицы, с учетом дисторсии по краям.

   Мы дали рекомендации по минимальным размерам контролируемого объекта в зависимости от расстояния, с учетом положения пикселя на матрице.

3. Расстояние до объекта измерения в шкафу/ячейке не имеет значения.

Результатом нашей работы стало тепловизионное реле защиты «КАКТУС» - устройство в режиме 24/7 наблюдающее за контактными соединениями/кабельными муфтами/прочими элементами энергетической инфраструктуры и, в случае фиксации недопустимого перегрева, сигнализирующее об этом через дискретные выходы или интерфейс RS-485.