Berührungslose Temperaturmessung beim Betrieb elektrischer Geräte

Alle Elektrogeräte funktionieren, indem sie elektrischen Strom durchfließen lassen, der die Kabel und Geräte zusätzlich erwärmt. In diesem Fall wird im Normalbetrieb ein Gleichgewicht zwischen der Erhöhung der Temperatur und der Abgabe eines Teils davon an die Umgebung hergestellt.

Bei mangelhafter Kontaktqualität verschlechtern sich die Stromflussverhältnisse und die Temperatur steigt, was zu einer Fehlfunktion führen kann. Daher wird in komplexen Elektrogeräten, insbesondere Hochspannungsgeräten von Energieversorgungsunternehmen, eine regelmäßige Überwachung der Erwärmung stromführender Teile durchgeführt.

Bei Hochspannungsgeräten erfolgt die Messung berührungslos aus sicherer Entfernung.

Prinzipien der Ferntemperaturmessung

Jeder physische Körper hat eine Bewegung von Atomen und Molekülen, die von begleitet wird Emission elektromagnetischer Wellen… Die Temperatur des Objekts beeinflusst die Intensität dieser Prozesse und ihr Wert kann anhand der Größe des Wärmeflusses geschätzt werden.

Auf diesem Prinzip basiert die berührungslose Temperaturmessung.

Eine Sondenquelle mit einer Temperatur „T“ sendet einen Wärmestrom „F“ in den umgebenden Raum aus, der von einem von der Wärmequelle entfernt angebrachten Wärmesensor erfasst wird. Danach wird das von der internen Schaltung umgewandelte Signal auf dem Informationsfeld „I“ angezeigt.

Geräte zur Messung der Temperatur, die diese mittels Infrarotstrahlung messen, werden Infrarot-Thermometer oder deren Kurzbezeichnung „Pyrometer“ genannt.

Für ihren genauen Betrieb ist es wichtig, den Messbereich auf der Skala elektromagnetischer Wellen, der einen Bereich von etwa 0,5–20 Mikrometern umfasst, korrekt zu bestimmen.

Faktoren, die die Messqualität beeinflussen

Der Fehler von Pyrometern hängt von mehreren Faktoren ab:

1. die Oberfläche des beobachteten Bereichs des Objekts muss im Bereich der direkten Beobachtung liegen;
2. Staub, Nebel, Dampf und andere Gegenstände zwischen Wärmesensor und Wärmequelle schwächen das Signal, ebenso wie Schmutzspuren auf der Optik;
3. Struktur und Zustand der Oberfläche des untersuchten Körpers beeinflussen die Intensität des Infrarotflusses und die Messwerte des Thermometers.

Erklärt der dritte Faktor das Diagramm der Änderung des Emissionsgrads? der Wellenlänge.

Es zeigt die Eigenschaften von Schwarz-, Grau- und Farbstrahlern.

Die Fähigkeit der Infrarotstrahlung Fs eines schwarzen Materials wird als Grundlage für den Vergleich anderer Produkte herangezogen und gleich 1 angenommen. Die Koeffizienten aller anderen realen Stoffe ФR werden kleiner als 1.

In der Praxis wandeln Pyrometer die Strahlung realer Objekte in die Parameter eines idealen Strahlers um.

Die Messung wird außerdem beeinflusst durch:

• die Wellenlänge des Infrarotspektrums, bei der die Messung durchgeführt wird;

• Temperatur der Testsubstanz.

So funktioniert ein berührungsloses Temperaturmessgerät

Je nach Art der Informationsausgabe und deren Verarbeitung werden Geräte zur Fernsteuerung von Flächenheizungen unterteilt in:

• Pyrometer;

• Wärmebildkameras.

Pyrometergerät

Herkömmlicherweise kann die Zusammensetzung dieser Geräte Block für Block dargestellt werden:

• Infrarotsensor mit optischem System und reflektierendem Lichtleiter;

• eine elektronische Schaltung, die das empfangene Signal umwandelt;

• ein Display, das die Temperatur anzeigt;

• den Netzschalter.

Der Wärmestrahlungsfluss wird durch ein optisches System fokussiert und über Spiegel auf einen Sensor gelenkt, der die Wärmeenergie primär in ein elektrisches Signal mit einem zur Infrarotstrahlung proportionalen Spannungswert umwandelt.

Die sekundäre Umwandlung des elektrischen Signals erfolgt im elektronischen Gerät, wonach das Mess- und Meldemodul in der Regel Informationen auf dem Display anzeigt digitale Form.

Auf den ersten Blick scheint es, dass der Benutzer die Temperatur eines entfernten Objekts messen muss:

• Schalten Sie das Gerät ein, indem Sie die Taste drücken.

• das zu untersuchende Objekt angeben;

• eine Aussage machen.

Für eine genaue Messung ist es jedoch notwendig, nicht nur die Faktoren zu berücksichtigen, die die Messwerte beeinflussen, sondern auch den richtigen Abstand zum Objekt zu wählen, der durch die optische Auflösung des Geräts bestimmt wird.

Pyrometer haben unterschiedliche Betrachtungswinkel, deren Eigenschaften zur Vereinfachung für den Benutzer nach dem Verhältnis zwischen der Entfernung zum Messobjekt und dem Erfassungsbereich der kontrollierten Oberfläche ausgewählt werden. Das Bild zeigt beispielhaft ein Verhältnis von 10:1.

Da diese Eigenschaften direkt proportional zueinander sind, ist es für eine genaue Temperaturmessung nicht nur notwendig, das Gerät richtig auf das Objekt zu richten, sondern auch den Abstand zu wählen, um die Fläche des gemessenen Bereichs auszuwählen.

Das optische System verarbeitet dann den Wärmefluss von der gewünschten Oberfläche, ohne den Einfluss der Strahlung von umgebenden Objekten zu berücksichtigen.

Zu diesem Zweck sind verbesserte Pyrometermodelle mit Lasermarkierungen ausgestattet, die dabei helfen, den Wärmesensor auf das Objekt zu richten und die Bestimmung der Fläche der beobachteten Oberfläche zu erleichtern. Sie können unterschiedliche Funktionsprinzipien haben und unterschiedliche Zielgenauigkeiten aufweisen.

Ein einzelner Laserstrahl gibt nur annähernd die Lage des Zentrums des kontrollierten Bereichs an und ermöglicht eine ungenaue Bestimmung seiner Grenzen. Seine Achse ist gegenüber der Mitte des optischen Pyrometersystems versetzt. Dies führt zu einem Parallaxenfehler.

Eine koaxiale Methode weist diesen Nachteil nicht auf – der Laserstrahl fällt mit der optischen Achse des Geräts zusammen und zeigt genau die Mitte des gemessenen Bereichs an, bestimmt jedoch nicht seine Grenzen.

Ein Hinweis auf die Abmessungen des kontrollierten Bereichs wird im Zielzeiger mit einem Doppellaserstrahl bereitgestellt. Bei geringen Entfernungen zum Objekt ist jedoch ein Fehler aufgrund der anfänglichen Einengung des Empfindlichkeitsbereichs zulässig. Dieser Nachteil ist bei Objektiven mit kurzer Brennweite sehr ausgeprägt.

Kreuzlaserbezeichnungen verbessern die Genauigkeit von Pyrometern, die mit Objektiven mit kurzer Brennweite ausgestattet sind.

Ein einzelner kreisförmiger Laserstrahl ermöglicht die Bestimmung des Beobachtungsbereichs, weist jedoch auch Parallaxe auf und überschätzt die Messwerte des Geräts auf kurze Distanz.

Ein kreisförmiger Präzisionslaserbezeichner arbeitet am zuverlässigsten und weist keine Nachteile früherer Konstruktionen auf.

Pyrometer zeigen Temperaturinformationen mithilfe einer textnumerischen Anzeigemethode an, die durch andere Informationen ergänzt werden kann.

Wärmedämmgerät

Der Aufbau dieser Temperaturmessgeräte ähnelt dem von Pyrometern. Sie verfügen über eine Hybrid-Mikroschaltung als Empfangselement des Infrarotstrahlungsstroms.

Mit seiner lichtempfindlichen Epitaxieschicht nimmt es den IR-Fluss durch ein stark dotiertes Substrat mit seiner lichtempfindlichen Epitaxieschicht wahr.

Auf dem Foto ist das Gerät des Empfängers einer Wärmebildkamera mit Hybrid-Mikroschaltung dargestellt.

Die thermische Empfindlichkeit von Wärmebildkameras auf Basis von Matrixdetektoren ermöglicht es Ihnen, die Temperatur mit einer Genauigkeit von 0,1 Grad zu messen. Solche Geräte mit hoher Genauigkeit werden jedoch in Thermographen komplexer stationärer Laboranlagen eingesetzt.

Alle Arbeitsmethoden mit einer Wärmebildkamera werden auf die gleiche Weise wie mit einem Pyrometer durchgeführt, jedoch wird auf dem Bildschirm ein Bild der elektrischen Ausrüstung angezeigt, das bereits in einem überarbeiteten Farbraum dargestellt wird und den Erwärmungszustand aller Teile berücksichtigt.

Neben dem Wärmebild befindet sich eine Skala zur Umrechnung der Farben in ein Temperaturlineal.

Wenn Sie die Leistung eines Pyrometers und einer Wärmebildkamera vergleichen, können Sie den Unterschied erkennen:

• Das Pyrometer ermittelt die Durchschnittstemperatur in dem von ihm beobachteten Bereich.

• Mit der Wärmebildkamera können Sie die Erwärmung aller in dem überwachten Bereich befindlichen Bestandteile beurteilen.

Konstruktionsmerkmale berührungsloser Temperaturmesser

Bei den oben beschriebenen Geräten handelt es sich um mobile Modelle, die eine konsistente Temperaturmessung an vielen Einsatzorten elektrischer Geräte ermöglichen:

• Eingänge von Leistungs- und Messtransformatoren und -schaltern;

• Kontakte von unter Last arbeitenden Trennschaltern;

• Baugruppen von Bussystemen und Teilen von Hochspannungsschaltanlagen;

• an den Stellen, an denen Leitungen von Freileitungen angeschlossen werden, und an anderen Stellen, an denen Stromkreise umgeschaltet werden.

In einigen Fällen sind jedoch bei der Durchführung technologischer Vorgänge an elektrischen Geräten keine komplexen Konstruktionen berührungsloser Temperaturmesser erforderlich, und es ist durchaus möglich, mit einfachen, dauerhaft installierten Modellen zurechtzukommen.

Ein Beispiel ist die Methode zur Messung des Widerstands der Rotorwicklung des Generators beim Arbeiten mit einem Gleichrichter-Erregerkreis. Da in ihm große Wechselstromanteile induziert werden, erfolgt die Regelung seiner Erwärmung kontinuierlich.

Die Fernmessung und Anzeige der Temperatur an der Erregerspule erfolgt an einem rotierenden Rotor. Der Thermosensor befindet sich permanent in der günstigsten Regelzone und nimmt die auf ihn gerichteten Wärmestrahlen wahr. Das von der internen Schaltung verarbeitete Signal wird an ein Informationsanzeigegerät ausgegeben, das mit einem Zeiger und einer Skala ausgestattet sein kann.

Auf diesem Prinzip basierende Systeme sind relativ einfach und zuverlässig.

Je nach Verwendungszweck werden Pyrometer und Wärmebildkameras in Geräte unterteilt:

• hohe Temperatur, konzipiert für die Messung sehr heißer Objekte;

• niedrige Temperatur, die sogar das Abkühlen von Teilen während des Gefrierens steuern kann.

Die Konstruktionen moderner Pyrometer und Wärmebildkameras können mit Kommunikationssystemen und der Informationsübertragung ausgestattet werden RS-232-Bus mit Remote-Computern.