В практике эксплуатационного контроля электрооборудования наибольшее распространение получили два вида устройств для индикации и измерения ИК-излучений: пирометры и тепловизоры.
Пирометр позволяет измерить поток излучения части поверхности объекта, перекрывающей его поле зрения (измерительное поле зрения). При наличии сведений об излучающей способности этой поверхности по данным измерений может быть определена ее температура.
Тепловизор - устройство для визуализации тепловых полей объектов. Современные тепловизоры кроме получения видимого изображения нагретых объектов по их тепловому излучению позволяют измерить их тепловые (температурные) поля, т.е. получить количественную характеристику теплового состояния.
Тепловизор обеспечивает возможность панорамного обзора всего оборудования распределительного устройства. Таким образом, достаточно быстро могут быть выявлены элементы с повышенным тепловыделением. Определение температуры этих элементов лучше производить пирометром, обеспечивающим большую точность измерения и более удобным в применении.
Пирометр (рис. 6.1,а) состоит их оптической системы, приемника теплового излучения и индикатора.
Рис. 6.1. Структурная схема устройств для радиометрического контроля:
а — пирометр; б — тепловизор; 1 — оптическая система; 2 — приемник излучения; 3— индикатор; 4 — узел сканирования
Тепловизор (рис. 6.1,б), принцип действия которого - последовательный просмотр контролируемой поверхности объекта узким лучом (сканирование), кроме упомянутых элементов структурной схемы пирометра имеет узел сканирования. Сканирование обеспечивает просмотр поля обзора с помощью растра (например, телевизионного типа) и осуществляется обычно оптико-механическим устройством, поочередно проектирующим на активную поверхность приемника излучения малый участок поверхности объекта. Все поле зрения (кадр) при этом разлагается построчно на достаточно большое количество малых областей (мгновенных полей зрения), каждой из которых на выходе приемника соответствует определенный сигнал (видеосигнал).
Оптическая система обеспечивает получение изображения контролируемого объекта (или его части) в плоскости приемника. Объективы изготавливаются из материалов, прозрачных в контролируемой области излучения. В спектральной области излучения, соответствующей диапазону температур контролируемого электрооборудования, применяются объективы из фтористого лития (бария), кремния и т.п. Используется и зеркальная оптика с соответствующими покрытиями.
Приемник преобразует тепловое излучение в электрический сигнал, пропорциональный потоку излучения.
Применяются два основных класса приемников излучения; тепловые и фотонные. Тепловые приемники (термопары, болометры), поглощая тепловое излучение, изменяют свои характеристики из-за увеличения температуры активной зоны. Эти изменения после соответствующих преобразований отображаются индикатором электрических величин. Тепловые приемники преобразуют тепловые излучения в широкой спектральной области (неселективны). Их недостаток - повышенная инерционность. К фотонным (фотоэлектрическим) приемникам относятся фоторезисторы и фотодиоды - полупроводниковые устройства, непосредственно преобразующие тепловую энергию в электрическую. Они практически безынерционны, но селективны.
В последние годы стали применять пьезоэлектрики - керамические структуры, поверхностные заряды которых определяются их температурой.
Рис. 6.2. Зависимость результатов измерения температуры от расстояния до объекта для пирометра НР-200. Температура объекта (черного тела) диаметром 40 мм:
1 - 30 °С; 2- 50 ”С; 3- 70 °С; 4- 90 °С
Для снижения собственного теплового излучения приемника и обеспечения стабильности его характеристик в тепловизорах применяется охлаждение приемников. Охлаждение также обеспечивает расширение спектрального диапазона приемника, увеличение его чувствительности и снижение уровня тепловых шумов. При работе в диапазоне излучений 8-14 мкм применяется глубокое охлаждение жидким азотом. В диапазоне 3-5 мкм можно ограничиться термоэлектрическим охлаждением, что упрощает конструкцию и применение ИК-приборов.
В качестве индикаторов в пирометрах применяются измерители средних значений электрических величин. В тепловизоре используется видеоконтрольное устройство (ВКУ), аналогичное телевизору. Это устройство формирует видимое изображение поля зрения, яркость которого, определяемая видеосигналом с выхода приемника излучения, соответствует тепловому излучению объекта в данной точке его поверхности. Контрастность изображения на экране ВКУ определяется разностью температур на поверхности объекта. Для улучшения различимости небольших перепадов температуры, контрастность изображения при которых мала, применяется цветное ВКУ; в нем контрастность изображения передается изменением цвета. Цветное изображение является изображением изотермических областей, в котором каждая небольшая область температур отображается определенным цветом.
При выборе измерительного устройства для решения конкретной задачи диагностики необходима проверка соответствия его параметров условиям измерений. Измерительные устройства характеризуются спектральной (температурной) областью принимаемого излучения, чувствительностью, параметрами оптической системы (полем зрения, пределами фокусировки), быстродействием и т.п.
Одной из важных характеристик пирометра, определяющей возможность его применения для эксплуатационного контроля, является поле зрения. Необходимо, чтобы изображение контролируемой части объекта перекрывало поле зрения прибора при расстояниях, определяемых условиями измерения, главным из которых является безопасное расстояние до токоведущих частей, находящихся под напряжением. Если это условие не соблюдается, то прибор будет принимать излучение из пространства, расположенного за объектом, что приведет к существенным погрешностям измерения (рис. 6.2).
Основные параметры тепловизора: поле зрения (угловое поле обзора), мгновенный угол зрения (угловое разрешение), а также порог температурного разрешения. Качество изображения также зависит от числа строк и кадров развертки узла сканирования.
Поле зрения характеризуется плоскими углами по вертикали и горизонтали, ограничивающими область пространства, попадающего в кадр.
Мгновенное поле зрения определяется характеристиками объектива и линейными размерами чувствительной площадки приемника. Угловое (или линейное) разрешение оценивает способность тепловизора различать минимальные размеры элементов тепловой картины поверхности объекта. Угловое разрешение - это наименьший угол между двумя точечными излучателями, расположенными на фоне с заданной температурой и воспроизводимыми раздельно в тепловизионном изображении.
Размеры мгновенного поля зрения определяют воспроизводимость градаций температуры по исследуемой поверхности объекта. Приемник излучения усредняет значение теплового потока в пределах мгновенного поля зрения. Поэтому чем меньше будет мгновенное поле зрения по сравнению с изображением контролируемого объекта в плоскости приемника, тем больше будет получено информации о тепловом состоянии объекта.
У современных тепловизоров поле зрения от нескольких десятков до сотен миллирадиан (со сменой объективов), мгновенное поле зрения (угловое разрешение) - единицы миллирадиан, а температурное разрешение - десятые доли градуса.
Быстродействие, т.е. временное разрешение тепловизора, определяется скоростью сканирования, инерционностью приемника излучения и системы обработки информации. При решении задач диагностики электрооборудования, как правило, измеряются квазистационарные тепловые поля. В этом случае быстродействие измерительного устройства не является определяющим.
