В каком интервале углов визирования коэффициент излучения неметаллов постоянен
12. Влияние угла наблюдения на коэффициент излучения.
Вследствие зависимости коэффициента излучения от угла наблюдения, эффективный коэф фициент излучения неплоских поверхностей различен в разных точках, хотя речь идёт об одном и том же материале, коэффициент излучения которого по нормали — величина посто янная.
Для металлов коэффициенты излучения постоянны в интервале углов наблюдения 0-40 гра дусов, для диэлектриков — в интервале углов 0-60 градусов (Рис. 2-9).
За пределами этих значений, коэффициент излучения быстро уменьшается до нуля при на правлении наблюдения по касательной.
Так, при длине волны излучения 10 мкм при наблюдении по нормали, вода близка к абсо лютно чёрному телу, а при наблюдении по касательной становится зеркалом ε = 0.
Излучающая поверхность определённой геометрической формы характеризуется простран ственным коэффициентом излучения.
Уменьшение коэффициента излучения при больших углах обусловлено рос том отражательной способности и эффективные температуры становятся меньше действительных.
Когда две поверхности объекта образуют двухгранный угол, существует связь между величинами их излучения, вследствие многократных отражений (Рис. 2-10).
Каждая поверхность, обладающая вполне определённым собственным коэф фициентом излучения, будет иметь эффективный коэффициент излучения, имеющийся в зависимости от наклона поверхности, а также от отражения от соседней поверхности. Комбинация трёх плоскостей, образующих трёхгранник, даёт излучение, приближающееся к излучению чёрного тела.
Коэффициент излучения двугранных и трехгран ных поверхностей.
а — эффективный коэффициент излучения в двугранном угле,
б — эффективный коэффициент излучения в трехграннике,
в — результат измерения тепловизором двух идентичных поверхностей, образующих двугранный угол.
Влияние угла наблюдения при инфракрасном контроле трансформатора тока .
В зоне очерченном прямоугольником температура измерения практически одинакова и резко падает на краях ребер.
Влияние отражений от ребристой поверхности покрышки транс форматора тока показано на Рис. 2-12 а/.
В результате отражения, температура на поверхности ребра неоди накова: под ребром она выше, чем на вертикальной поверхности. Влияние угла наблюдения при измерениях по горизонтали / 2/ и под углом /3/ — показана на Рис. 2-12 б/.
13. Особенности измерения температуры ребристых поверхностей.
Фарфоровые покрышки вводов, измерительных трансформаторов, конденсаторов имеют ребристую поверхность. С учётом влияния угла наблюдения на коэффициент излучения не обходимо учитывать возможную погрешность в измерении их температуры в результате из менения значения коэффициента излучения Рис. 2-11, 2-12. За температуру покрышки в этом случае рекомендуется участок вертикальной её поверхности, а измерение осуществлять по возможности, располагая инфракрасный прибор по нормали к поверхности покрышки. Последнее может быть обеспечено применением ИК — прибора с объективом 7-9°.
14. Пересчёт измеренной температуры к значению tg δ изоляции.
В ряде случаев, по результатам измерения температуры на поверхности покрышки объекта осуществляется пересчёт её к значению tg δ .
При этом необходимо учитывать, что значение температуры на поверхности фарфоровых покрышек определяется как теплопередачей от меди обмотки, обусловленной нагревом её рабочим током, так и диэлектрическими потерями в изоляции.
Для исключения влияния первого фактора, целесообразно тепловизионный контроль осуществлять без нагрузки, при нахождении объекта только под рабочим напряжением. Рассчитанное по измеренной температуре в одной точке покрышки значение tg δ может не соответствовать фактическому значению диэлектрических потерь, характеризующему ус реднённое состояние изоляции объекта.
При измерении инфракрасного излучения объекта возможно присутствие трёх составляю щих:
— собственное излучение объекта (Т0);
— отражённое от объекта инфракрасное излучение, испускаемое окружающей средой (Тср);
— излучение фона, на котором осуществляется контроль объекта (Тф).
Рис. 2-13 Влияние внешнего фона при ИК — контроле.
Погрешность, которая вносится в результате измерения, может быть весьма значительна и зависит от соотношения паразитного теплового излучения и температуры объекта, спек трального диапазона, коэффициентов излучения, угла обзора и других факторов. Тепловизионный контроль на одной из подстанций выявил общий нагрев одной из фаз ОПН (Рис. 2-14).
Изучение причины его нагрева и анализ характера изменения термопрофилей ОПН всех трёх фаз, показало, что причиной этого нагрева является тёплый воздух, поступающий от расположенной поблизости системы охлаждения работающего трансформатора. Влияние паразитного излучения будет весьма значительным, если измерение температуры объекта осуществляется, например, на фоне неба, температура которого в зависимости от его состояния (облачность, ясное небо) может достигать минус 50-70 °С
Так, эксперименты с использованием пирометра с широким углом визирования 1: 30 (Рис. 2- 15) для контроля контактных соединений, находящихся на различных расстояниях, показали, что в результате влияния окружающей среды существенно возрастает погрешность измере ния.
Снизить в значительной мере погрешность от влияния окружающей среды и фона можно применением при тепловизионном контроле телеобъективов с углом 7-9 °, выбором точки контроля, исключающей попадание в поле зрения высоко нагретых объектов (промышлен ные сооружения, баки работающих трансформаторов), определением источников теплового паразитного воздействия и их учётом при анализе полученных результатов контроля.
Термограмма трёх фаз ОПН-110 кВ.
Фаза «3» находится в зоне воздействия тепловых потоков от системы охлаждения силового трансформатора Сравнение термопрофилей изменения температуры по высоте ОПН показывает идентичный характер их состояния.
Рис. 2-15 Погрешность измерения температуры пирометром с углом визирования 1:30.
Тизм. — измеренное значение температуры объекта, °С
Тфакт — фактическое значение температуры объекта, °С
Токр. — температура окружающей среды, °С
1 — объект измерения с температурой Тфакт
Источник
Тепловизионное обследование
1.1.Надежность электрооборудования в значительной степени определяется качеством контактных соединений, изоляцией и конструкцией электрооборудования, которое часто работает в неблагоприятных условиях. В процессе эксплуатации электрооборудование подвергается одновременному воздействию сильных электрических полей, нагреву, механическим воздействиям, действию окружающей среды и т.д. Под действием этих факторов изменяются технические характеристики электрооборудования, что может привести к неисправностям и к аварийным ситуациям. Ранее обнаружение неисправностей дает возможность своевременно принять меры к их устранению.
1.2.Методика тепловизионного контроля предназначена для выявления дефектов электрооборудования и может применяться по всему циклу производства и распределения электроэнергии от электростанций, вырабатывающих электроэнергию до ее потребителей.
1.3.Данная методика предназначена для проведения тепловизионного контроля разработана на основании опыта работы нашей и других организаций, занимающихся тепловизионным контролем электрооборудования
1.4.Основными источниками разработки методики являются:
— РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования»;
— РД 153-34.0-20.363-99 «Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ»;
— 1163.00.00.000 Д «Методика тепловизионного контроля элементов электрического оборудования станций и электрических сетей».
— Руководство пользователя 2011 г. Фирмы Testo-881-2.
— Руководство пользователя 2008 г. Фирмы Testo-880-3.
1.5.Целью настоящей методики является повышение достоверности результатов контроля во время эксплуатации электрооборудования, за счет получения информации (термограмм) с помощью тепловизора с их поверхности, выявление зон и локальных нагревов на электрооборудовании и установка браковочных признаков (контактных соединений, разрядников, ОПН, силовых трансформаторов, высоковольтных вводов, баков выключателей масляных, элегазовых, вакуумных и др.) с учетом различных факторов, влияющих на контроль (геометрических размеров, метеоусловий, токовых нагрузок и т.д. и т.п.).
2.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНФРАКРАСНОМ ИЗЛУЧЕНИИ.
2.1.Температура – это характеристика системы, находящейся в тепловом равновесии. Она является мерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул.
2.2.Всякое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает с поверхности тепло и одновременно воспринимает тепло лучей, испускаемых окружающими телами, то есть происходит теплообмен. В результате тело может нагреваться охлаждаться или находиться в равновесии.
2.3.По характеру взаимодействия физических полей с контролируемым объектом тепловой контроль согласно ГОСТ Р 56542-2015 подразделяется на контактный, конвективный и собственного излучения.
2.4.Инфракрасное (ИК) излучение является областью электромагнитных колебаний, по своей физической природе сходной со световым излучением. Также как световое, ИК – излучение представляет собой поперечное относительно направления луча электромагнитные волны. Они распространяются от источника прямолинейно в любой однородной физической среде – вакууме, газах, жидкостях и твердых веществах. ИК- излучение лежит в области 0,71 х 10 -6 – 10 -3 м. В теплотехнике, длины волн в инфракрасной области принято выражать в микромметрах (мкм).
2.5.В связи со способом регистрации ИК- излучения и выбором для этого соответствующих приемников, область ИК- излучения разделяется на тьри диапазона:
— коротковолновый (ближний) — λ = 0,76 – 1,4 мкм.
— средневолновый (средний) — λ = 1,4 – 5 мкм.
— дальневолновый (дальний) — λ = 5 – 14 мкм.
3.ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОВЕДЕНИЕ ИК_КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВИЗОРА.
3.1. Каждый объект с температурой, отличной от абсолютного нуля, испускает излучение, которое называется тепловым или инфракрасным. Наибольший практический интерес представляет диапазон волн 2-14 мкм, поскольку большая часть энергии излучения, испускаемого объектами при земных температурах, приходится именно на этот диапазон и в нем находятся окна прозрачности атмосферы.
3.2.При проведении инфракрасного обследования электрооборудования существенное значение имеет выявление и устранение систематических и случайных погрешностей, оказывающих влияние на результаты измерения.
Систематические погрешности заключены в конструкции измерительного прибора и зависят от его выбора в соответствии с требованиями к совершенству измерения (разрешающей способности, поля наблюдения и т.п.).
Случайными погрешностями, возникающими при проведении ИК-контроля, могут являться: воздействие солнечной радиации, излучательная способность и др.
Инфракрасный контроль желательно проводить при отсутствии солнца (в облачную погоду или ночью), предпочтительно перед восходом солнца, при минимальном воздействии ветра в период максимальных токовых нагрузок, лучше весной — для уточнения объема ремонтных работ и(или) осенью — в целях оценки состояния электрооборудования перед зимним максимумом нагрузки.
3.3.Припроведении тепловизионного контроля следует учитывать влияние
— размеры объекта контроля, расстояния до него и угол наблюдения;
— форму объекта контроля, состояние поверхности и ее излучательная способность (степень черноты) «ε»;
— наличие по соседству мощных источников тепла;
— климатические условия (скорость ветра, дождь, туман, дымка и т.д.).
3.3.1.Влияние размеров объекта контроля, расстояния до него и угол наблюдения.
Наибольшее расстояние от тепловизора до элемента контроля зависит от размеров объекта и от мгновенного угла зрения тепловизора.
Так мгновенный угол зрения тепловизоров Testo составляет 3,3 мРад. Соответственно, минимальный размер элемента определяемый с расстояния 1 м составляет 10 мм (при стандартном объективе) и 3 мм (при использовании телеобъектива).
В таблице 1 приведены наименьшие размеры объекта измерения в зависимости от расстояния от объекта до тепловизора.
При минимальных размерах объекта тепловизор покажет температуру с погрешностями, указанными в паспорте прибора. Поэтому при размерах объекта меньше, указанных в таблице 1, тепловизор покажет заниженную, а не истинную температуру. Для устранения этой погрешности измерения необходимо, чтобы минимальный размер объекта измерений превышал размер, указанный в таблице 1 для данного расстояния.
Расстояние до контролируемого
Минимальный размер контролируемого объекта в (см)
3.3.2. Влияние формы объекта контроля, состояние поверхности и ее излучательная способности (степени черноты) «ε»
Каждая поверхность, обладающая вполне определенным собственным коэффициентом излучения, имеет эффективный коэффициент излучения, изменяющийся в зависимости от наклона поверхности, а также от отражения соседних поверхностей. Комбинация трех плоскостей, образующая трехгранник, дает излучение, приближающееся к излучению черного тела. Вследствие зависимости коэффициента излучения от угла наблюдения эффективный коэффициент излучения неплоских поверхностей различен в разных точках, хотя речь идет об одном и том же материале, коэффициент излучения которого по нормали — величина постоянная.
Для металлов коэффициенты излучения постоянны в интервале углов наблюдения 0 — 40°, для диэлектриков — в интервале углов 0 — 60°. За пределами этих значений коэффициент излучения быстро уменьшается до нуля при направлении наблюдения по касательной. Так, если длина волны излучения равна 10 мкм, то при наблюдении по нормали вода близка к абсолютно черному телу, а при наблюдении по касательной становится зеркалом и Е= 0.
Фарфоровые покрышки вводов, измерительных трансформаторов, конденсаторов имеют ребристую поверхность. Кроме влияния угла наблюдения на коэффициент излучения необходимо также учитывать возможную погрешность при измерении их температуры в результате изменения коэффициента излучения. За температуру покрышки в этом случае рекомендуется принимать участок вертикальной ее поверхности, а измерение осуществлять, по возможности располагая инфракрасный прибор по нормали к поверхности покрышки.
Влияние на точность измерения состояния поверхности и ее излучательной способности (степени черноты).
Влияние излучательной способности.
Коэффициент излучения материала в общем виде зависит от длины волны, угла наблюдения поверхности контролируемого объекта и температуры. Для металлов, в отличие от газообразных и жидких веществ, спектральный коэффициент излучения изменяется весьма слабо.
Коэффициенты излучения металлов с ростом температуры обычно увеличиваются и зависят от состояния поверхности металла.
Поскольку токоведущий узел электрического аппарата или установки может включать в себя несколько компонентов из разнородных металлов, поверхности которых окрашены и имеют оксидные пленки или разную степень обработки поверхности, т.е. различные коэффициенты излучения, при инфракрасном контроле могут возникнуть предположения о перегревах на участках с повышенными коэффициентами излучения. В подобных ситуациях целесообразно провести по фазное сравнение результатов измерения, оценить состояние поверхности перегретого участка (точки) с помощью бинокля, выяснить объем ремонтных работ, проводившихся на данном токоведущем узле, и т.п.
В случае, если коэффициент излучения контролируемого объекта известен, его фактическая температура может быть определена по формуле:
где Т рад — радиационная температура, измеренная ИК-прибором; Е — коэффициент излучения контролируемой поверхности.
В практике может возникнуть необходимость в определении коэффициента излучения контролируемого объекта или его узла.
Для этого на участок контролируемой поверхности наносится покрытие из матовой черной краски или наклеивается кусок ленты для фотошаблонов, коэффициенты излучения которых близки к единице. После того, как покрытие или лента приобретает температуру объекта, осуществляется измерение Т факт.
Измерив температуру Т рад неокрашенного участка, по приведенной выше формуле можно определить его коэффициент излучения.
В электроустановках различия в углах наблюдения может возникнуть при проведении ИК-контроля под углом к токоведущей шине .
При коэффициенте излучения объекта меньше 0,2 инфракрасный контроль последнего может оказаться невозможным в результате несовместимости собственного излучения и отражения. Для абсолютного определения температуры объекта необходимо точно определить численное значение коэффициента излучения. Значение температурной ошибки в этом случае будет зависеть от излучательной способности объекта, спектрального диапазона инфракрасного прибора и температуры.
Температурная ошибка при изменении излучательной способности на 1 %
В табл. 2 показаны значения температурной ошибки, вызванной изменением излучательной способности на 1 %.
Форма объекта и состояние поверхности являются причиной одной из главных ошибок при проведении измерений с помощью различных радиометров и тепловизоров. Так как излучательная способность (степень черноты) у различных материалов колеблется в очень больших пределах от 0,1 до 1 в зависимости от шероховатости поверхности, температуры и других факторов.
Отношение плотности потока излучения от объекта измерения к плотности потока излучения от черного тела, имеющего ту же температуру и излучающего в туже внешнюю среду, называется излучательной способностью и обозначается буквой Е. (так же можно встретить следующие понятия: степень черноты, излучательная способность, коэффициент излучения).
Коэффициенты излучения различных материалов для направления, совпадающего с нормалью к поверхности, приведены в таблице 3.
В основном излучательная способность (степень черноты) контролируемого электрооборудования лежит в пределах 0,7 – 0,9.
Крашенные поверхности обладают оптическими свойствами краски.
Неопределенность величины излучательной способности, которая принимается по таблице или визуально, может быть самым большим источником ошибки при измерении температуры.
Форма объекта важна для устранения зеркального отражения. При малых углах визирования по отношению к поверхности, любые материалы проявляют зеркальные свойства. В отражении будут видны более теплые объекты, расположенные сбоку или сзади контролируемого объекта. Подсветка контролируемого объекта сторонними источниками тепла существенно сказывается на результатах измерений если происходит зеркальное отражение постороннего потока. Мерой устранения ошибок при измерении служит правильный выбор расстояния и угла визирования. По возможности необходимо ориентировать оптическую ось прибора под углом 90° к поверхности контролируемого объекта.
Коэффициенты излучения Ет различных материалов
(для направления, совпадающего с нормалью к поверхности)
Алюминий с шероховатой поверхностью
Алюминий сильно окисленный
Железо, свежеобработанное наждаком
Железо окисленное гладкое
Железо окисленное гладкое
Железо, покрытое красной ржавчиной
Железо листовое, оцинкованное, очень блестящее
Железо листовое, оцинкованное, серое, окисленное
Медь, шабренная до блеска, но не зеркальная
Медь, покрытая толстым слоем окиси
Медь, окисленная до черноты
Сталь листовая, с блестящим слоем окиси
Сталь с шероховатой поверхностью
Сталь никелированная, листовая
Чугун шероховатый, сильно окисленный
Бумага покрытая черным лаком
Бумажный картон разных сортов
Краски масляные, различных цветов
Лак черный, блестящий, распыленный на железо
Лак белый эмалевый на железной шероховатой пластине
Лак алюминиевый, на шероховатой поверхности
Резина мягкая, серая, шероховатая
Ткань хлопчатобумажная и льняная
Шеллак черный, блестящий на луженном железе
Излучающая поверхность определенной геометрической формы характеризуется пространственным коэффициентом излучения. Коэффициент излучения в зависимости от угла наблюдения для сферы на холодном фоне.
Уменьшение коэффициента излучения при больших углах обусловлено ростом отражательной способности, при этом эффективные температуры становятся меньше действительных. Когда две поверхности объекта образуют двугранный угол, существует связь между параметрами излучения, вследствие многократных отражений (рис. 8).
3.3.3.Наличие мощных источников тепла.
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.
При ИК-контроле токоведуших частей, расположенных в небольших замкнутых объемах (например, в КРУ или КРУН), приходится сталкиваться с возможностью получения ошибочных результатов из-за теплового отражения от нагревательных элементов, ламп освещения, соседних фаз и др. Последнее проявляется при контроле токоведушей части с малым коэффициентом излучения, обладающей хорошей отражательной способностью. В результате термографическая съемка может показать горячую точку (пятно), хотя в действительности это просто тепловое отражение. Поэтому рекомендуется в подобных случаях производить ПК-обследование объекта под различными углами зрения и при изменении места положения оператора с ПК-прибором.При необходимости на время измерения отключается освещение объекта.
Солнечная радиация нагревает контролируемый объект и при наличии участков (узлов) с хорошей отражательной способностью создает впечатление о наличии высоких температур в местах измерения.
Для исключения влияния солнечной радиации рекомендуется осуществлять ИК-контроль в ночное время суток (предпочтительно после полуночи) или в облачную погоду. При острой необходимости измерение в электроустановках при солнечной погоде рекомендуется производить для каждого объекта поочередно из нескольких диаметрально противоположных точек.
Влияние паразитного излучения весьма значительно, если измерение температуры объекта осуществляется, например, на фоне неба, температура которого в зависимости от его состояния (облачность, ясно) может достигать от -50 до + 70 °С.
Снизить в значительной мере погрешность от влияния окружающей среды и фона можно выбором точки контроля, исключаюшей попадание в поле зрения высоконагретых объектов (промышленные сооружения, баки работающих трансформаторов), определением источников теплового паразитного воздействия и их учетом при анализе полученных результатов контроля.
Пропускание атмосферы зависит, от длины трассы, а также от метеорологических условий. Если этот фактор довольно слабо действует на очень коротких дистанциях, то этого уже нельзя сказать для расстояний в несколько сотен метров, на которых атмосфера не только поглощает часть излучения, но и добавляет собственное излучение на трассе. В общем случае очень влажная атмосфера оказывает большее влияние в диапазоне 8—12 мкм, тогда как аэрозоли и дымка особенно неблагоприятны для диапазона 3—5 мкм. Необходимо также отметить очень сильное поглощение углекислым газом в интервале длин волн 4,2 — 4,4 мкм.
Частицы, содержащиеся в атмосфере, рассеивают излучение в зависимости от их размеров по сравнению с длиной волны, концентрацией и природой возникновения (остатки продуктов сгорания, пылинки, крупинки соли, туман, облако, дождь и др.).
Охлаждение контролируемых объектов в основном определяется естественной или искусственной конвекцией воздуха, то есть температура будет зависеть от скорости ветра. Не рекомендуется производить измерения при скорости ветра выше 8 см/сек., при дожде или тумане. Так, превышение температуры, измеренное при скорости ветра 5 м/с будет примерно в 2 раза ниже, чем измеренное при скорости ветра 1 м/с. В диапазоне скоростей 1 — 7 м/с справедлива формула:
Измерение при скорости ветра выше 8 м/с проводить не рекомендуется. При пересчетах полученных значений превышения температуры можно помимо формулы пользоваться коэффициентами коррекции, приведенными ниже:
Скорость ветра, м/с 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0
Коэффициент коррекции 1,0 1,36 1,64 1,86 2,0 2,23 2,4 2,5
Следует отметить, что часто сила ветра при ИК-диагностике бывает переменной и поэтому указанный пересчет может привести к дополнительным погрешностям.
При работе на открытых подстанциях необходимо учитывать влияние нагрева электрооборудования солнечным излучением.
Дождь, туман, мокрый снег в значительной степени охлаждают поверхность объекта, измеряемого с помощью ИК-прибора и в определенной мере рассеивают инфракрасное излучение каплями воды. Инфракрасный контроль допускается проводить при небольшом снегопаде с сухим снегом или легком моросящем дожде.
3.3.5.Токовая нагрузка электрооборудования.
Температура токоведущего узла (контактного соединения) зависит от нагрузки и прямо пропорциональна квадрату тока, проходящего через контролируемый участок.
Источник
