Medición de temperatura sin contacto durante el funcionamiento de equipos eléctricos
Todos los aparatos eléctricos funcionan al pasar una corriente eléctrica a través de ellos, lo que calienta aún más los cables y el equipo. En este caso, durante el funcionamiento normal, se crea un equilibrio entre aumentar la temperatura y eliminar parte de ella al medio ambiente.
Si la calidad del contacto es defectuosa, las condiciones de flujo de corriente se deterioran y la temperatura aumenta, lo que puede causar un mal funcionamiento. Por lo tanto, en dispositivos eléctricos complejos, especialmente equipos de alto voltaje de empresas eléctricas, se lleva a cabo un monitoreo periódico del calentamiento de partes vivas.
Para dispositivos de alto voltaje, las mediciones se realizan mediante un método sin contacto a una distancia segura.
Principios de la medición remota de temperatura
Todo cuerpo físico tiene un movimiento de átomos y moléculas que va acompañado de emisión de ondas electromagnéticas… La temperatura del objeto afecta la intensidad de estos procesos, y su valor se puede estimar por el valor del flujo de calor.
La medición de temperatura sin contacto se basa en este principio.
Los aparatos para medir la temperatura, que la miden por radiación infrarroja, se denominan termómetros infrarrojos o su nombre abreviado «pirómetros».
Para su funcionamiento preciso, es importante determinar correctamente el rango de medición en la escala de ondas electromagnéticas, que es un área de aproximadamente 0,5-20 micras.
Factores que afectan la calidad de la medición
El error de los pirómetros depende de varios factores:
- la superficie del área observada del objeto debe estar en el área de observación directa;
- polvo, niebla, vapor y otros objetos entre el sensor de calor y la fuente de calor debilitan la señal, así como rastros de suciedad en la óptica;
- la estructura y condición de la superficie del cuerpo examinado afectan la intensidad del flujo infrarrojo y las lecturas del termómetro.
¿El tercer factor explica la gráfica de cambio en la emisividad? de la longitud de onda.
Demuestra las características de los emisores de negro, gris y color.
La capacidad de radiación infrarroja Фs de un material negro se toma como base para comparar otros productos y se toma igual a 1. Los coeficientes de todas las demás sustancias reales ФR se vuelven menores que 1.
En la práctica, los pirómetros convierten la radiación de objetos reales en los parámetros de un emisor ideal.
La medición también se ve afectada por:
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la longitud de onda del espectro infrarrojo en el que se realiza la medición;
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temperatura de la sustancia de ensayo.
Cómo funciona un medidor de temperatura sin contacto
De acuerdo con el método de salida de información y su procesamiento, los dispositivos para el control remoto de la calefacción de superficie se dividen en:
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pirómetros;
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cámaras termográficas.
dispositivo pirómetro
Convencionalmente, la composición de estos dispositivos se puede presentar bloque por bloque:
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sensor de infrarrojos con sistema óptico y guía de luz reflectante;
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un circuito electrónico que convierte la señal recibida;
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una pantalla que muestra la temperatura;
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el botón de encendido.
El flujo de radiación térmica es enfocado por un sistema óptico y dirigido por espejos a un sensor para la conversión primaria de energía térmica en una señal eléctrica con un valor de voltaje proporcional a la radiación infrarroja.
La conversión secundaria de la señal eléctrica ocurre en el dispositivo electrónico, después de lo cual el módulo de medición e informe muestra información en la pantalla, por regla general, en formulario digital.
A primera vista, parece que el usuario necesita medir la temperatura de un objeto remoto:
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encienda el dispositivo presionando el botón;
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especificar el objeto a investigar;
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tomar una deposición.
Sin embargo, para una medición precisa, es necesario no solo tener en cuenta los factores que afectan las lecturas, sino también elegir la distancia correcta al objeto, que está determinada por la resolución óptica del dispositivo.
Los pirómetros tienen diferentes ángulos de visión, cuyas características, para comodidad de los usuarios, se seleccionan por la relación entre la distancia al objeto de medición y el área de cobertura de la superficie controlada. Como ejemplo, la imagen muestra una relación de 10:1.
Dado que estas características son directamente proporcionales entre sí, para una medición precisa de la temperatura es necesario no solo apuntar correctamente el dispositivo al objeto, sino también elegir la distancia para elegir el área del área medida.
El sistema óptico luego procesará el flujo de calor de la superficie deseada sin considerar el efecto de la radiación de los objetos circundantes.
Para ello, los modelos mejorados de pirómetros están equipados con designaciones láser que ayudan a dirigir el sensor térmico al objeto y facilitan la determinación del área de la superficie observada. Pueden tener diferentes principios operativos y tener diferente precisión de orientación.
Un solo rayo láser indica solo aproximadamente la ubicación del centro del área controlada y permite determinar sus límites de manera imprecisa. Su eje está desplazado con respecto al centro del sistema óptico del pirómetro. Esto introduce un error de paralaje.
Un método coaxial carece de este inconveniente: el rayo láser coincide con el eje óptico del dispositivo e indica con precisión el centro del área medida, pero no determina sus límites.
Se proporciona una indicación de las dimensiones del área controlada en el puntero del objetivo con un rayo láser doble... Pero a pequeñas distancias del objeto, se permite un error debido al estrechamiento inicial del área de sensibilidad. Esta desventaja es muy pronunciada con objetivos de distancia focal corta.
Las designaciones de láser cruzado mejoran la precisión de los pirómetros equipados con lentes de enfoque corto.
Un solo rayo láser circular le permite determinar el área de observación, pero también tiene paralaje y sobreestima las lecturas del dispositivo en distancias cortas.
Un designador láser de precisión circular funciona de manera más confiable y carece de todos los inconvenientes de los diseños anteriores.
Los pirómetros muestran información de temperatura mediante un método de visualización de texto numérico que se puede complementar con otra información.
Dispositivo de aislamiento térmico
El diseño de estos dispositivos de medición de temperatura se parece al de los pirómetros. Disponen de un microcircuito híbrido como elemento receptor del flujo de radiación infrarroja.
En la foto se muestra el dispositivo del receptor de una cámara termográfica con un microcircuito híbrido.
La sensibilidad térmica de las cámaras termográficas basadas en detectores de matriz le permite medir la temperatura con una precisión de 0,1 grados. Pero tales dispositivos con alta precisión se utilizan en termografías de instalaciones estacionarias de laboratorio complejas.
Todos los métodos de trabajo con una cámara termográfica se realizan de la misma manera que con un pirómetro, pero en su pantalla se muestra una imagen del equipo eléctrico, que ya se presenta en una gama de colores revisada, teniendo en cuenta el estado de calentamiento de todas las partes.
Junto a la imagen térmica hay una escala para convertir los colores en una regla de temperatura.
Cuando compara el rendimiento de un pirómetro y una cámara termográfica, puede ver la diferencia:
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el pirómetro determina la temperatura promedio en el área que observa;
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la cámara termográfica le permite evaluar el calentamiento de todos los elementos constituyentes ubicados en el área que supervisa.
Características de diseño de los medidores de temperatura sin contacto
Los dispositivos descritos anteriormente están representados por modelos móviles que permiten mediciones de temperatura consistentes en muchos lugares de operación de equipos eléctricos:
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entradas de transformadores e interruptores de potencia y medida;
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contactos de seccionadores que funcionan bajo carga;
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conjuntos de sistemas de bus y secciones de aparamenta de alta tensión;
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en los lugares de conexión de cables de líneas eléctricas aéreas y otros lugares de conmutación de circuitos eléctricos.
Sin embargo, en algunos casos, cuando se realizan operaciones tecnológicas en equipos eléctricos, no se necesitan diseños complejos de medidores de temperatura sin contacto, y es bastante posible hacer frente a modelos simples instalados de forma permanente.
Un ejemplo es el método de medición de la resistencia del devanado del rotor del generador cuando se trabaja con un circuito de excitación del rectificador. Dado que en él se inducen grandes componentes de CA, el control de su calentamiento se realiza de forma continua.
La medición remota y la visualización de la temperatura en la bobina de excitación se realizan en un rotor giratorio. El sensor térmico está permanentemente ubicado en la zona de control más favorable y percibe los rayos de calor dirigidos hacia él. La señal procesada por el circuito interno se envía a un dispositivo de visualización de información, que puede estar equipado con un puntero y una escala.
Los esquemas basados en este principio son relativamente simples y confiables.
Según el propósito, los pirómetros y las cámaras termográficas se dividen en dispositivos:
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alta temperatura, diseñado para medir objetos muy calientes;
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baja temperatura, capaz de controlar incluso el enfriamiento de las piezas durante la congelación.
Los diseños de pirómetros y cámaras termográficas modernos pueden equiparse con sistemas de comunicación y transmisión de información a través de autobús RS-232 con computadoras remotas.