Misurazione della temperatura senza contatto durante il funzionamento di apparecchiature elettriche

Tutti gli apparecchi elettrici funzionano facendo passare una corrente elettrica attraverso di essi, che riscalda ulteriormente i fili e le apparecchiature. In questo caso, durante il normale funzionamento, si crea un equilibrio tra l'aumento della temperatura e la rimozione di parte di essa nell'ambiente.

Se la qualità del contatto è difettosa, le condizioni del flusso di corrente si deteriorano e la temperatura aumenta, il che può causare un malfunzionamento. Pertanto, nei dispositivi elettrici complessi, in particolare nelle apparecchiature ad alta tensione delle imprese elettriche, viene effettuato il monitoraggio periodico del riscaldamento delle parti in tensione.

Per i dispositivi ad alta tensione, le misurazioni vengono effettuate con un metodo senza contatto a distanza di sicurezza.

Principi di misura remota della temperatura

Ogni corpo fisico ha un movimento di atomi e molecole che è accompagnato da emissione di onde elettromagnetiche… La temperatura dell'oggetto influisce sull'intensità di questi processi e il suo valore può essere stimato dal valore del flusso di calore.

La misurazione della temperatura senza contatto si basa su questo principio.

Una sorgente sonda con temperatura «T» emette un flusso termico «F» nell'ambiente circostante, che viene percepito da un sensore termico posto a distanza dalla sorgente termica. Successivamente, il segnale convertito dal circuito interno viene visualizzato sul pannello informativo «I».

I dispositivi per misurare la temperatura, che la misurano mediante radiazione infrarossa, sono chiamati termometri a infrarossi o il loro nome abbreviato «pirometri».

Per il loro funzionamento accurato, è importante determinare correttamente l'intervallo di misurazione sulla scala delle onde elettromagnetiche, che è un'area di circa 0,5-20 micron.

Fattori che influenzano la qualità della misura

L'errore dei pirometri dipende da una serie di fattori:

1. la superficie dell'area osservata dell'oggetto deve trovarsi nell'area di osservazione diretta;
2. polvere, nebbia, vapore e altri oggetti tra il sensore di calore e la fonte di calore indeboliscono il segnale, così come tracce di sporcizia sull'ottica;
3. la struttura e le condizioni della superficie del corpo esaminato influenzano l'intensità del flusso infrarosso e le letture del termometro.

Il terzo fattore spiega il grafico della variazione dell'emissività? della lunghezza d'onda.

Dimostra le caratteristiche degli emettitori di nero, grigio e colore.

La capacità della radiazione infrarossa Фs di un materiale nero è presa come base per confrontare altri prodotti ed è considerata uguale a 1. I coefficienti di tutte le altre sostanze reali ФR diventano inferiori a 1.

In pratica, i pirometri convertono la radiazione di oggetti reali nei parametri di un emettitore ideale.

La misura è influenzata anche da:

• la lunghezza d'onda dello spettro infrarosso a cui viene effettuata la misurazione;

• temperatura della sostanza di prova.

Come funziona un misuratore di temperatura senza contatto

In base al metodo di emissione delle informazioni e alla sua elaborazione, i dispositivi per il controllo remoto del riscaldamento superficiale sono suddivisi in:

• pirometri;

• termocamere.

Dispositivo pirometro

Convenzionalmente, la composizione di questi dispositivi può essere presentata blocco per blocco:

• sensore a infrarossi con sistema ottico e guida di luce riflettente;

• un circuito elettronico che converte il segnale ricevuto;

• un display che mostra la temperatura;

• il pulsante di accensione.

Il flusso di radiazione termica viene focalizzato da un sistema ottico e indirizzato tramite specchi ad un sensore per la conversione primaria dell'energia termica in un segnale elettrico con un valore di tensione proporzionale alla radiazione infrarossa.

La conversione secondaria del segnale elettrico avviene nel dispositivo elettronico, dopodiché il modulo di misurazione e segnalazione visualizza le informazioni sul display, di norma, in forma digitale.

A prima vista, sembra che l'utente debba misurare la temperatura di un oggetto remoto:

• accendere il dispositivo premendo il pulsante;

• specificare l'oggetto da indagare;

• prendere una deposizione.

Tuttavia, per una misurazione accurata, è necessario non solo tenere conto dei fattori che influenzano le letture, ma anche scegliere la distanza corretta dall'oggetto, che è determinata dalla risoluzione ottica del dispositivo.

I pirometri hanno diversi angoli di visione, le cui caratteristiche, per comodità degli utenti, sono selezionate per il rapporto tra la distanza dall'oggetto di misurazione e l'area di copertura della superficie controllata. Ad esempio, l'immagine mostra un rapporto di 10:1.

Poiché queste caratteristiche sono direttamente proporzionali tra loro, per una misurazione accurata della temperatura è necessario non solo puntare correttamente il dispositivo verso l'oggetto, ma anche scegliere la distanza per scegliere l'area dell'area misurata.

Il sistema ottico elaborerà quindi il flusso di calore dalla superficie desiderata senza considerare l'effetto della radiazione dagli oggetti circostanti.

A tale scopo, i modelli migliorati di pirometri sono dotati di designazioni laser che aiutano a dirigere il sensore termico verso l'oggetto e facilitano la determinazione dell'area della superficie osservata. Possono avere principi operativi diversi e avere una precisione di mira diversa.

Un singolo raggio laser indica solo approssimativamente la posizione del centro dell'area controllata e consente di determinarne i confini in modo impreciso. Il suo asse è sfalsato rispetto al centro del sistema ottico del pirometro. Questo introduce un errore di parallasse.

Un metodo coassiale è privo di questo inconveniente: il raggio laser coincide con l'asse ottico del dispositivo e indica con precisione il centro dell'area misurata, ma non ne determina i confini.

Un'indicazione delle dimensioni dell'area controllata è fornita nel puntatore del bersaglio con un doppio raggio laser... Ma a piccole distanze dall'oggetto, è consentito un errore dovuto al restringimento iniziale dell'area di sensibilità. Questo svantaggio è molto pronunciato con obiettivi con una lunghezza focale ridotta.

Le designazioni laser incrociate migliorano la precisione dei pirometri dotati di lenti a fuoco corto.

Un singolo raggio laser circolare consente di determinare l'area di osservazione, ma ha anche parallasse e sovrastima le letture del dispositivo a brevi distanze.

Un designatore laser di precisione circolare funziona in modo più affidabile ed è privo di tutti gli svantaggi dei progetti precedenti.

I pirometri visualizzano le informazioni sulla temperatura utilizzando un metodo di visualizzazione testo-numerico che può essere integrato con altre informazioni.

Dispositivo di isolamento termico

Il design di questi dispositivi di misurazione della temperatura ricorda quello dei pirometri. Hanno un microcircuito ibrido come elemento ricevente del flusso di radiazione infrarossa.

Con il suo strato epitassiale fotosensibile, percepisce il flusso IR attraverso un substrato fortemente drogato con il suo strato epitassiale fotosensibile.

Nella foto è mostrato il dispositivo del ricevitore di una termocamera con un microcircuito ibrido.

La sensibilità termica delle termocamere basate su rilevatori a matrice consente di misurare la temperatura con una precisione di 0,1 gradi. Ma tali dispositivi con elevata precisione vengono utilizzati nei termografi di complesse installazioni fisse di laboratorio.

Tutti i metodi di lavoro con una termocamera vengono eseguiti allo stesso modo di un pirometro, ma sul suo schermo viene visualizzata un'immagine dell'apparecchiatura elettrica, presentata già in una gamma di colori rivista, tenendo conto dello stato di riscaldamento di tutte le parti.

Accanto all'immagine termica c'è una scala per convertire i colori in un righello della temperatura.

Quando confronti le prestazioni di un pirometro e di una termocamera, puoi vedere la differenza:

• il pirometro determina la temperatura media nell'area che osserva;

• la termocamera consente di valutare il riscaldamento di tutti gli elementi costitutivi situati nell'area monitorata.

Caratteristiche di progettazione dei misuratori di temperatura senza contatto

I dispositivi sopra descritti sono rappresentati da modelli mobili che consentono misurazioni di temperatura coerenti in molti luoghi di funzionamento delle apparecchiature elettriche:

• ingressi di trasformatori e interruttori di potenza e di misura;

• contatti di sezionatori funzionanti sotto carico;

• assiemi di sistemi bus e sezioni di quadri ad alta tensione;

• nei punti di collegamento dei cavi delle linee elettriche aeree e in altri luoghi di commutazione dei circuiti elettrici.

Tuttavia, in alcuni casi, quando si eseguono operazioni tecnologiche su apparecchiature elettriche, non sono necessarie progettazioni complesse di misuratori di temperatura senza contatto ed è del tutto possibile far fronte a modelli semplici installati in modo permanente.

Un esempio è il metodo per misurare la resistenza dell'avvolgimento del rotore del generatore quando si lavora con un circuito di eccitazione del raddrizzatore. Poiché in esso sono indotti grandi componenti CA, il controllo del suo riscaldamento viene eseguito continuamente.

La misurazione remota e la visualizzazione della temperatura sulla bobina di eccitazione viene eseguita su un rotore rotante. Il sensore termico è permanentemente posizionato nella zona di controllo più favorevole e percepisce i raggi di calore diretti verso di essa. Il segnale elaborato dal circuito interno viene inviato a un dispositivo di visualizzazione delle informazioni, che può essere dotato di un puntatore e di una scala.

Gli schemi basati su questo principio sono relativamente semplici e affidabili.

A seconda dello scopo, i pirometri e le termocamere sono suddivisi in dispositivi:

• alta temperatura, progettato per misurare oggetti molto caldi;

• bassa temperatura, in grado di controllare anche il raffreddamento dei pezzi durante il congelamento.

I design dei moderni pirometri e termocamere possono essere dotati di sistemi di comunicazione e trasmissione di informazioni Autobus RS-232 con i computer remoti.