Mesura de la temperatura sense contacte durant el funcionament d'equips elèctrics

Tots els aparells elèctrics funcionen fent passar un corrent elèctric a través d'ells, que escalfa encara més els cables i els equips. En aquest cas, durant el funcionament normal, es crea un equilibri entre augmentar la temperatura i eliminar-ne una part al medi.

Si la qualitat del contacte és defectuosa, les condicions de flux actual es deterioren i la temperatura augmenta, cosa que pot provocar un mal funcionament. Per tant, en dispositius elèctrics complexos, especialment en equips d'alta tensió d'empreses energètiques, es realitza un control periòdic de l'escalfament de les peces actives.

Per als dispositius d'alta tensió, les mesures es fan mitjançant un mètode sense contacte a una distància segura.

Principis de mesura de temperatura a distància

Cada cos físic té un moviment d'àtoms i molècules que s'acompanya emissió d'ones electromagnètiques… La temperatura de l'objecte afecta la intensitat d'aquests processos, i el seu valor es pot estimar pel valor del flux de calor.

La mesura de la temperatura sense contacte es basa en aquest principi.

Una font de sonda amb una temperatura «T» emet un flux de calor «F» a l'espai circumdant, que és percebut per un sensor tèrmic situat a distància de la font de calor. Després d'això, el senyal convertit pel circuit intern es mostra al panell d'informació «I».

Els aparells per mesurar la temperatura, que la mesuren per radiació infraroja, s'anomenen termòmetres infrarojos o el seu nom abreujat «piròmetres».

Per al seu funcionament precís, és important determinar correctament el rang de mesura a l'escala d'ones electromagnètiques, que és una àrea d'aproximadament 0,5-20 micres.

Factors que afecten la qualitat de la mesura

L'error dels piròmetres depèn de diversos factors:

1. la superfície de l'àrea observada de l'objecte ha d'estar a l'àrea d'observació directa;
2. la pols, la boira, el vapor i altres objectes entre el sensor de calor i la font de calor debiliten el senyal, així com restes de brutícia a l'òptica;
3. l'estructura i l'estat de la superfície del cos examinat afecten la intensitat del flux infrarojo i les lectures del termòmetre.

El tercer factor explica el gràfic del canvi d'emissivitat? de la longitud d'ona.

Demostra les característiques dels emissors de negre, gris i color.

La capacitat de la radiació infraroja Фs d'un material negre es pren com a base per comparar altres productes i es pren igual a 1. Els coeficients de totes les altres substàncies reals ФR són inferiors a 1.

A la pràctica, els piròmetres converteixen la radiació dels objectes reals en els paràmetres d'un emissor ideal.

La mesura també es veu afectada per:

• la longitud d'ona de l'espectre infraroig a la qual es fa la mesura;

• temperatura de la substància d'assaig.

Com funciona un mesurador de temperatura sense contacte

Segons el mètode d'emissió de la informació i el seu processament, els dispositius per al control remot de la calefacció superficial es divideixen en:

• piròmetres;

• càmeres tèrmiques.

Dispositiu de piròmetre

Convencionalment, la composició d'aquests dispositius es pot presentar bloc per bloc:

• sensor infrarojo amb sistema òptic i guia de llum reflectant;

• un circuit electrònic que converteix el senyal rebut;

• una pantalla que mostra la temperatura;

• el botó d'encesa.

El flux de radiació tèrmica és enfocat per un sistema òptic i dirigit per miralls a un sensor per a la conversió primària de l'energia tèrmica en un senyal elèctric amb un valor de voltatge proporcional a la radiació infraroja.

La conversió secundària del senyal elèctric es produeix al dispositiu electrònic, després del qual el mòdul de mesura i informes mostra informació a la pantalla, per regla general, en forma digital.

A primera vista, sembla que l'usuari necessita mesurar la temperatura d'un objecte remot:

• engegueu el dispositiu prement el botó;

• especificar l'objecte a investigar;

• prendre una deposició.

Tanmateix, per a una mesura precisa, no només cal tenir en compte els factors que afecten les lectures, sinó també triar la distància correcta a l'objecte, que ve determinada per la resolució òptica del dispositiu.

Els piròmetres tenen diferents angles de visió, les característiques dels quals, per a la comoditat dels usuaris, es seleccionen per la relació entre la distància a l'objecte de mesurament i l'àrea de cobertura de la superfície controlada. Com a exemple, la imatge mostra una proporció de 10:1.

Com que aquestes característiques són directament proporcionals entre si, per a una mesura precisa de la temperatura cal no només apuntar correctament el dispositiu a l'objecte, sinó també triar la distància per triar l'àrea de l'àrea mesurada.

Aleshores, el sistema òptic processarà el flux de calor de la superfície desitjada sense tenir en compte l'efecte de la radiació dels objectes circumdants.

Amb aquesta finalitat, els models millorats de piròmetres estan equipats amb designacions làser que ajuden a dirigir el sensor tèrmic a l'objecte i faciliten la determinació de l'àrea de la superfície observada. Poden tenir diferents principis de funcionament i tenir una precisió d'orientació diferent.

Un sol feix làser només indica aproximadament la ubicació del centre de l'àrea controlada i permet determinar-ne els límits de manera imprecisa. El seu eix està desplaçat respecte al centre del sistema òptic del piròmetre. Això introdueix un error de paral·laxi.

Un mètode coaxial no té aquest inconvenient: el raig làser coincideix amb l'eix òptic del dispositiu i indica amb precisió el centre de l'àrea mesurada, però no en determina els límits.

Una indicació de les dimensions de l'àrea controlada es proporciona al punter objectiu amb un doble raig làser... Però a petites distàncies a l'objecte, es permet un error a causa de l'estrenyiment inicial de l'àrea de sensibilitat. Aquest inconvenient és molt pronunciat amb les lents amb una distància focal curta.

Les designacions làser creuades milloren la precisió dels piròmetres equipats amb lents de focus curts.

Un únic feix làser circular permet determinar l'àrea d'observació, però també té paral·laxi i sobreestima les lectures del dispositiu a distàncies curtes.

Un designador làser de precisió circular funciona de manera més fiable i no té tots els inconvenients dels dissenys anteriors.

Els piròmetres mostren informació sobre la temperatura mitjançant un mètode de visualització numèrica de text que es pot complementar amb altra informació.

Dispositiu d'aïllament tèrmic

El disseny d'aquests dispositius de mesura de temperatura s'assembla al dels piròmetres. Tenen un microcircuit híbrid com a element receptor del corrent de radiació infraroja.

Amb la seva capa epitaxial fotosensible, percep el flux IR a través d'un substrat fortament dopat amb la seva capa epitaxial fotosensible.

A la foto es mostra el dispositiu del receptor d'una càmera d'imatge tèrmica amb un microcircuit híbrid.

La sensibilitat tèrmica de les càmeres tèrmiques basades en detectors matricials permet mesurar la temperatura amb una precisió de 0,1 graus. Però aquests dispositius d'alta precisió s'utilitzen en termògrafs d'instal·lacions estacionàries complexes de laboratori.

Tots els mètodes de treball amb una càmera d'imatge tèrmica es realitzen de la mateixa manera que amb un piròmetre, però es mostra una imatge de l'equip elèctric a la seva pantalla, presentada ja en una gamma de colors revisada, tenint en compte l'estat d'escalfament de totes les parts.

Al costat de la imatge tèrmica hi ha una escala per convertir els colors en una regla de temperatura.

Quan compareu el rendiment d'un piròmetre i d'una càmera d'imatge tèrmica, podeu veure la diferència:

• el piròmetre determina la temperatura mitjana de la zona que observa;

• la càmera tèrmica permet avaluar l'escalfament de tots els elements constitutius situats a la zona que controla.

Característiques de disseny dels mesuradors de temperatura sense contacte

Els dispositius descrits anteriorment estan representats per models mòbils que permeten mesures coherents de temperatura en molts llocs d'operació d'equips elèctrics:

• entrades de potència i transformadors i interruptors de mesura;

• contactes dels seccionadors que funcionen sota càrrega;

• conjunts de sistemes de bus i seccions d'aparells d'alta tensió;

• als llocs de connexió de cables de línies elèctriques aèries i altres llocs de commutació de circuits elèctrics.

Tanmateix, en alguns casos, quan es realitzen operacions tecnològiques en equips elèctrics, no es necessiten dissenys complexos de mesuradors de temperatura sense contacte, i és molt possible fer front a models senzills instal·lats de manera permanent.

Un exemple és el mètode de mesura de la resistència del bobinat del rotor del generador quan es treballa amb un circuit d'excitació rectificador. Atès que s'hi indueixen grans components de CA, el control del seu escalfament es realitza contínuament.

La mesura remota i la visualització de la temperatura a la bobina d'excitació es realitza en un rotor giratori. El sensor tèrmic es troba permanentment a la zona de control més favorable i percep els raigs de calor dirigits cap a ella. El senyal processat pel circuit intern és enviat a un dispositiu de visualització d'informació, que pot estar equipat amb un punter i una escala.

Els esquemes basats en aquest principi són relativament senzills i fiables.

Segons la finalitat, els piròmetres i les càmeres tèrmiques es divideixen en dispositius:

• alta temperatura, dissenyat per mesurar objectes molt calents;

• baixa temperatura, capaç de controlar fins i tot el refredament de les peces durant la congelació.

Els dissenys dels moderns piròmetres i càmeres d'imatge tèrmica es poden equipar amb sistemes de comunicació i transmissió d'informació mitjançant Bus RS-232 amb ordinadors remots.