Thermography Equipments

The topic covered in this article is thermography and image acquisition equipment.

 1 Thermography equipment – Thermography inspection

The faults of, for example, an electrical power substation, typically may experience problems related to high electrical resistance, short circuits, open circuits, inductive heating, harmonics, load imbalance, overload and incorrectly installed components. Problems that are generally detected by thermography.

The figure shows a typical scene from a thermographic inspection in a high voltage substation, in which the main characters of this action are present: Inspector, thermography camera, equipment under inspection and the environment surrounding them.

Thermography equipment – Figure 1 – Inspeção termográfica num equipamento de subestação.

Uma atividade aparentemente simples, na qual o inspetor opera a câmara de termografia, aponta-o para o equipamento sob inspeção e deteta o defeito através da análise do termograma obtido.

1.1 Thermography equipment – Influências e limitações

Porém, existem influências e limitações neste processo que podem induzir a um diagnóstico incorreto ou até mesmo incapacitar a deteção do defeito. A baixa emissividade dos componentes sob inspeção, a variação da corrente de carga do equipamento inspecionado e componentes de pequena dimensão a grandes distâncias são exemplos de fatores que dificultam a inspeção termográfica. Em ambientes abertos, além dos fatores citados, environmental influences such as solar radiation, atmospheric attenuation, the wind, changes in ambient temperature, rain and humidity may be present. Taking all this into consideration, a more detailed representation of a thermographic inspection is shown in the figure.

Thermography equipment – Figure 2 – Thermographic inspection of substation equipment with possible influences.

1.2 Thermography equipment – What thermography cameras measure

It is also important to highlight that thermography chambers do not measure temperature directly.. Detect thermal radiation that reaches your detector, which in turn, generates an output signal, due to this radiation, which is processed and transformed into visible images and temperature readings. Porém, the detected radiation may originate not only from the object under inspection, but from other sources involved in the environment in which the object is inserted. Besides that, the value of the output signal strength, generated by the detector, associated with some parameters provided by the thermography camera operator, as emissivity, distance from the object to the thermography chamber and other parameters related to the environment are necessary to calculate the temperature of the object under inspection. Therefore, the accuracy of the temperature measurement depends on the calibration of the thermography chamber and the accuracy of the parameters entered by the operator.

In this more complex scenario, the limitations and characteristics of the characters involved in thermographic inspection must be considered for a consistent and reliable analysis of the thermal anomalies found.

1.3 Thermography equipment – The inspector

One of the main factors limiting thermographic inspection is the thermography inspector himself. Your motivation for carrying out the inspection can directly affect the results, both in relation to the number of abnormalities found, as well as the quality of the thermal images obtained. Besides that, he must know the operation and characteristics of the thermography camera used, as well as the operation of the equipment under inspection. You must be aware of the strong influence of solar radiation, of wind and rain and how they drastically affect the thermal distribution of objects in open environments. Must know the basic theory surrounding infrared radiation and the principles of heat transfer, essential knowledge for a correct analysis of thermograms and the functioning of the inspected equipment. summing up, to get consistent results, the inspector must be motivated and qualified for inspection, have a high level of training and knowledge, so that you can be able to detect all possible faults and discern between a real defect and a false anomaly, which can save thousands of dollars in unscheduled downtime and/or downtime and unnecessary maintenance. Therefore, investment in training and qualification becomes important and necessary in reducing errors inserted by the thermography inspector in the inspection results.

2 Thermography equipment – The thermography camera

The thermography camera is the main instrument of a thermographic inspection. Through it, the infrared radiation emitted by the object is detected and converted into a visible image and temperature readings..

Thermography equipment – Figure 3 – Simplified diagram of a generic thermography camera.

The correct choice of thermography camera for inspection depends on knowledge of the technical characteristics of the thermography camera, the environment where it will be used and the type of component that will be inspected. For example:

• The temperature of the object to be inspected defines the temperature range and the best wavelength range that the thermography camera should respond to..
• The distance and dimension of the object to be inspected defines the spatial and measurement resolution.
• The temperature of the inspection environment defines the operating temperature range of the thermography camera; etc.

Therefore, It is important to know the characteristics of the thermography camera and direct them to the application in question, which in this case is the inspection of high voltage substations in open environments.

2.1 Thermography equipment – Thermography camera detection technology

Modern thermography cameras for thermography inspection are FPA type (Focal Plane Array).

The detection system uses a two-dimensional array of detectors, in which infrared radiation from the scene of interest reaches it directly.

Thermography equipment – Figure 4 – Two-dimensional array of detectors called FPA, or unrefrigerated micro-bolometer.

The image refresh rate (Frame Rate) can be high and each detection element can continuously monitor the radiation emission coming from the object under inspection.

Of the components that make up the thermography chamber, the infrared detector is the most important and is a limiting factor for the performance of the thermography camera.

Detectors respond to a change in temperature with a variation in some physical property, for example, the variation in its resistance. They operate at room temperature and have a broad, uniform spectral response. The most common thermal detectors are Bolometers and thermopiles..

Thermography equipment – Figure 5 – Creation of unrefrigerated micro-bolometer

2.2 Thermography equipment – Spectral bands of the cameras

The figure shows the spectral response of some infrared detectors.

Thermography equipment – Figure 6 – Spectral response of some infrared detectors.

In the following figure you can see images with short wave and long wave systems.

Thermography equipment – Figure 7- Imagens com sistemas de onda curta e onda longa

As faixas de comprimento de onda utilizadas para a fabricação de câmara de termografia aplicáveis ao sistema elétrico são de 3 µm a 5 µm e de 7 µm a 14 µm, como pode ser visto na figura

Thermography equipment – Figure 8 – Espectro eletromagnético e as faixas espectrais utilizadas na fabricação de Câmara de termográficas comerciais.

Nessas faixas a transmissividade da atmosfera à radiação infravermelha é alta. Dentre elas, a faixa de 8 a 14 µm é a mais recomendada por apresentar uma transmissividade ainda maior. Besides that, essa faixa é menos sensível a falsos pontos de alta temperatura resultantes do reflexo solar e para as temperaturas normalmente encontradas em sistemas elétricos, a radiação emitida nessa faixa é maior.

A figura mostra a radiação emitida por um objeto a uma temperatura de 300 K (26,8° C) em função do comprimento de onda e destaca as faixas de 3 a 5 µm e 8 a 14 µm e suas respetivas energias disponíveis.

Thermography equipment – Figure 9 – Energia disponível nas faixas de 3 a 5 µm e de 8 a 14 µm para um objeto a uma temperatura de 300 K (26,8° C).

Neste vídeo fala-se de temas relacionados com o cumprimento de onda utilizado pela câmara de termografia.

2.3 Thermography equipment – Gama de temperatura

A gama de temperatura é a faixa de medição de temperatura da câmara de termografia. No caso de, for example, subestações de alta tensão, a menor temperatura encontrada nos equipamentos e conexões vai estar próxima à temperatura ambiente e a maior pode chegar, em casos extremos, à temperatura de fusão dos metais utilizados (ex.: aluminum = 657.7° C). Despite that, the range from -20° C to 500° C, normally sold, is sufficient for inspections in substations. The reason is that the upper limit of the range is rarely (500° C) will be reached, in addition to being a very high temperature that should be avoided in electrical systems. Above this temperature, part of the radiation emitted by the object begins to enter the visible wavelength range. (Wien's displacement law), can be detected without the aid of a thermography camera. An example of this condition is shown in the figure..

Thermography equipment – Figure 10 – Disconnector with contacts above 500° C making part of the emitted radiation visible.

2.4 Thermography equipment – Thermal sensitivity

A sensibilidade térmica consiste na menor diferença de temperatura que pode ser detetada. Depende das propriedades do sistema ótico, da resposta do detetor e do nível de ruído do sistema. Geralmente é especificada como a Diferença de Temperatura Equivalente ao Ruído (Noise Equivalent Differential Temperature – NEDT ou Noise Equivalent Temperature Difference – NETD ou Noise Equivalent Temperature – NET).

A sensibilidade térmica é inversamente proporcional à temperatura em que o componente está envolvido, o que significa que o sistema se torna mais ruidoso em baixas temperaturas e a resolução de temperatura diminui.

Quando a temperatura ambiente cai, câmara de termografia com resposta espectral na faixa de 3 µm a 5 µm tend to have their sensitivity more impaired than a thermography camera with a spectral response of 8 µm a 14 µm.

This parameter is very important in applications where the thermal contrast is very small, such as in some insulation identification applications in buildings..

Thermography equipment – Figure 11 – Building thermal imaging

2.5 Thermography equipment – Spatial resolution

Spatial Resolution defines the smallest image detail that can be perceived. It is a function of the size of the detector and the optics of the system. Most often it is specified in radians and defined as “Instantaneous Field of View” (Instantaneous Field of View – IFOV). The IFOV is equivalent to the projection of a pixel onto the observed surface and, a soma de todos os IFOVs forma o Campo de Visão (FOV), que é a área total que pode ser vista pela câmara de termografia. Geralmente o FOV é declarado em graus pelo fabricante.

Thermography equipment – Figure 12 – Representação do Campo de Visão (FOV) e do Campo de Visão Instantâneo (IFOV) de um Câmara de termografia.

O IFOV pode ser calculado a partir da Equação.

In which,

• IFOV [mrad] é o Campo de Visão Instantâneo.
• FOV [mrad] é o Campo de Visão.
• Pix é o número de pixels.

For example, um Câmara de termografia com Campo de Visão – FOV igual a 24° x 18° e 320 x 240 pixels tem um IFOV igual a:

IFOV_horizontal = 24 x 17,45 / 320 = 1,3 mrad

IFOV_vertical = 18 x 17,45 / 240 = 1,3 mrad

O IFOV é um parâmetro geralmente fornecido pelos fabricantes e possibilita, por meio da Equação, o cálculo da distância máxima que um objeto de tamanho determinado pode ser detetado.

In which,

• Dist_d [m] é a distância máxima que um objeto de tamanho D pode ser detetado pela câmara de termografia.
• D [m] é o tamanho do objeto sob inspeção.
• IFOV [rad] é o Campo de Visão Instantâneo.

For example, um Câmara de termografia com IFOV igual a 1,3 mrad pode detetar um objeto de 0,05 m x 0,05 m a uma distância máxima de:

Dist_d = 0,05 / 1,3 x 10^-3 = 38,46 m.

For example, em subestações de alta tensão, cujas distâncias da câmara de termografia ao objeto são relativamente grandes e os diâmetros de cabos e dimensões das conexões são relativamente pequenos, o Campo de Visão Instantâneo pode fazer a diferença entre localizar, or not, um defeito.

A seguir pode ver um video com um exemplo de palicação.

2.6 Thermography equipment – Resolução de medida

A resolução de medidadefine o menor objeto que pode ter sua temperatura medida, com exatidão, a uma determinada distância. Raramente é declarado nas especificações do fabricante da câmara de termografia, mas é tipicamente inferior a resolução espacial por um fator entre 2 e 4. Por essa razão, em muitas situações, o objeto poderá ser detetado pela câmara de termografia, mas estará fora da sua resolução de medida. Quando fornecido pelo fabricante é especificado em radianos e definido como “Campo de Visão Instantâneo de Medida” (Measuring Instantaneous Field of View – MIFOV ou IFOV_m). Temperature readings obtained outside the limits of the measurement resolution will normally be lower than the actual reading, which can have a great influence on the analysis of the severity of the defect.

To calculate the maximum distance at which an object of a given size can have its temperature read accurately, the following equation can be used.

In which,

• Dist_m [m] is the maximum distance that an object of size D, You can have your temperature measured accurately.
• D [m] é o tamanho do objeto sob inspeção.
• MIFOV [rad] is the Instantaneous Field of View Measure.

Taking advantage of the previous example, in which a thermography chamber has an IFOV equal to 1,3 mrad and assuming that the measurement resolution is three times lower than the spatial resolution, an object of 0,05 m x 0,05 m can only have its temperature measured accurately at a maximum distance of:

Dist_m = 0,05 / 1,3 x 10^-3 / 3= 12,8 m

Therefore, in the example presented, the same object could be detected by an IFOV thermography camera equal to 1,3 mrad at a distance of 38,46 m, but to have your temperature measured accurately it will be necessary to shorten the distance to just 12,8 m. This situation, can lead to large errors in temperature measurement and consequently in the analysis and diagnosis of the defect.

There are two alternatives to eliminate the influence of distance due to measurement resolution.

• The first is to approach the component under inspection to a distance at which the temperature can be accurately measured.. In high voltage substations this is not always possible because safe distance limits must be respected..
• The second alternative is to improve measurement resolution with the use of telescopic lenses.. Below is a situation for calculating the lens.

Assuming that the highest point, subject to defect, which can be found in high voltage substations, be the clamp that fixes the lightning cable to the tower structure and considering that the highest clamp belongs to the lightning substations 750 kV, foram utilizados os dados de projeto de uma subestação de 750 kV, para o cálculo de uma lente telescópica que pudesse atender a todas inspeções termográficas.

Thermography equipment – Figure 13 – Grampo que fixa o cabo para-raios na estrutura da torre.

Dados:

• Distância do solo ao grampo do para-raios = 50 meters
• Diâmetro da ligação do grampo = 0,07 meters

Supondo que o Inspetor de termografia tenha uma altura de 1,7 metros e esteja a uma distância de 2 metros da base da torre resulta em:

Dist = (50 – 1,7)² + 2² = 52,3 m

Logo, considerando um Câmara de termografia com o IFOV três vezes menor que o MIFOV e com 320 x 240 pixels, a lente telescópica que deve ser usada pode ser calculada utilizando a Equação.

FOV_horizontal = (1,34 / 3) x 320 / 17,45 = 8,2°

FOV_vertical = (1,34 / 3) x 320 / 17,45 = 8,2°

Comercialmente pode ser encontrada a lente de 7° x 5,3° que atenderia o caso que foi calculado e praticamente todas as situações encontradas nas subestações de alta tensão. Em situações normalmente encontradas, em que a distância não ultrapassa os 40 metros e as conexões inspecionadas têm uma dimensão da ordem de 0,1 m x 0,1 m, ou maior, a lente de 12° x 9° seria suficiente.

As lentes telescópicas podem melhorar a resolução, em contrapartida estreitam o campo de visão da câmara de termografia, as shown in Figure.

Thermography equipment – Figure 14 – Objeto observado a uma mesma distância com lentes com Campo de Visão de 24°, 12° e 7°.

2.7 Thermography equipment – A dimensão do ponto de medida

Outra consideração é o que se designa por tamanho do ponto da câmara. A thermal camera cannot accurately measure the temperature of a single pixel for a number of reasons. In general, you need a minimum of a square of four by four pixels, but sometimes even 10 by 10 pixels. To obtain an accurate temperature measurement, make sure the camera is close enough to the target to place the camera's measuring point (this four by four pixel square) completely within the heat signature of the point requiring measurement.

Thermography equipment – Figure 15 – The importance of the size of the measuring point

2.8 Thermography equipment – Image refresh rate (Frame Rate)

The image update rate is the number of times a complete image of the observed scene is updated by the thermography camera in one second. Low image refresh rates produce a blurred image when there is relative movement between the thermography camera and the object under inspection.

Example: Thermography camera recommended for inspections in high voltage substations

Observing the characteristics mentioned above, it is recommended that a thermography camera used in inspection of high voltage substations has the specifications below:

• Be portable and lightweight so as not to cause inspector fatigue, o que poderia limitar a duração e a qualidade da inspeção em grandes áreas.
• Sistema fixo de deteção (Detetor de Matriz de Plano Focal – Focal Plane Array).
• Detetor de micro-bolómetro, menor consumo de energia e operação do detetor em temperatura ambiente.
• Faixa de temperatura de -20° C a 500°C.
• Faixa espectral de 8 µm a 14µm.
• Resolução espacial e de medida devem atender às distâncias e dimensões dos alvos encontrados na subestação. Na maioria das situações a lente de 12° x 9° é suficiente.
• Sensibilidade térmica de 80 mK (0,08° C).
• Taxa de atualização de imagem de (Frame Rate) of 60 Hz.
• Temperatura de operação de -15° C a 50° C.

A capacidade de armazenar imagens e voz é também importante na agilização da inspeção e no pós-processamento dos dados.

A seguir pode-se ver a especificação de uma câmara da FLIR que cumpre esta especificação.

Thermography equipment – Figure 16 – Especificação de modelos de câmara da FLIR

3 Thermography equipment – Utilização do equipamento

Na figura a seguir apresentada pode-se ver o ecrã de uma camara de termografia FLIR modelo EXX.

Thermography equipment – Figure 17 – Ecrã de câmara da FLIR EXX

A seguir pode ver um vídeo sobre a história das câmaras de termografia.

3.1 Thermography equipment – A seleção de palete de cores da imagem

Como qualquer imagem digital, as imagens térmicas são compostas por pixéis. Na imagem térmica, each individual pixel represents a specific temperature data point. These data points are assigned a unique color or hue based on their value, which means that, as the thermal sensor detects changes in thermal energy, will express this change by adjusting the color or hue of a pixel.

Changing palettes changes the appearance of a scene and highlights key areas of a thermal image without changing any temperature data. Thermal palettes are largely a matter of user preference, but different environments or situations can benefit from one palette over another.

Here are some palette options you're likely to see:

Obter experiência prática com cada paleta disponível, é a melhor forma de tomar decisões informadas em campo ou ao gerar um relatório.

3.2 Thermography equipment – Acessórios típicos de câmaras de termografia

A seguir podem-se ver os acessórios típicos de uma camara deste tipo.

• Câmara de infravermelhos com lente,
• Pequeno visor ocular,
• 2 baterias,
• Carregador de baterias,
• Mala de transporte rígida,
• Correia,
• Tampa frontal da lente,
• Power supplies,
• Documentação impressa,
• Cartão SD (8 GB),
• Cabos (USB 2.0 A para USB Type-C, USB Type-C para HDMI, USB Type-C para USB Type-C),
• Cartão de licença: FLIR Thermal Studio Starter

4 Thermography equipment – At ISO 18434-1

The ISO 18434-1:2008 apresenta uma introdução à aplicação da termografia por infravermelhos (IRT) à monitorização e diagnóstico do estado das máquinas, where “machines” includes machine assistants, such as valves, fluid and electrically powered machines and heat exchange equipment related to machines. Besides that, IRT applications related to the evaluation of machine performance are addressed.

The ISO 18434-1:2008: introduces the terminology of infrared thermography (IRT) with regard to status monitoring and diagnostics of machines; describes the types of IRT procedures and their merits; provides guidance for establishing criteria for assessing the severity of anomalies identified by the IRT; describes the methods and requirements for performing IRT of machines, including security recommendations; provides information about data interpretation, assessment criteria and communication requirements; provides procedures for determining and compensating for reflected apparent temperature, emissivity and attenuating means.

The ISO 18434-1:2008 also covers test procedures to determine and compensate for reflected apparent temperature, emissivity and attenuating means when measuring the surface temperature of a target with a quantitative IRT camera.

5 Thermography equipment – Secure data acquisition

One of the great advantages of thermography is that inspection can be carried out without interrupting production., that is, with equipment in full working order (energized and under load), For this reason, compliance with safety standards common to the area to be inspected must be strictly observed. Special care must be taken when there is a need to open panels and approach energized equipment., situations in which the Thermography Inspector is exposed to great risks.

Another important observation is regarding the path taken. In substations, the terrain is generally uneven and the view through the thermography camera does not give a sense of depth.. British, ditches and differences in levels can cause the Thermography Inspector with the camera to fall. It is important to have prior knowledge of the path to be followed or for the thermography inspector walking with the camera to be guided by the inspection partner regarding irregularities in the terrain..

Before starting inspection work, The Person Responsible for Thermographic Inspection together with the Thermography Inspector must carry out a prior risk assessment, study and plan the activities and actions to be developed in order to meet all safety requirements applicable to the area to be inspected.

5.1 Thermography equipment – Access to equipment under inspection

The thermography inspector must carry out a sweep, with the thermography camera, in substation equipment, antes mesmo de transpor o portão da subestação. Equipamentos em processo de deterioração e prestes a explodir geralmente apresentam altas temperaturas que podem ser detetadas pela câmara de termografia a distâncias relativamente grandes.

5.2 Thermography equipment – Equipamento de Proteção Individual (EPI):

Inspeção em Ambientes Abertos da Subestação

• Capacete.
• Óculos de segurança.
• Bota de segurança com solado para riscos elétricos.
• Roupas aprovadas.

Inspeção em Painéis e Cubículos Blindados

• Capacete.
• Óculos de segurança.
• Bota de segurança com solado para riscos elétricos.
• Luvas de malha de Nomex.
• Traje de proteção contra arco elétrico

6 Thermography equipment – Equipamento / componente sob inspeção

A necessidade de uma operação fiável, safe and continuous operation of equipment is the main reason for carrying out a thermographic inspection. The good result of the inspection depends, largely, knowledge of the functioning of the equipment under inspection and the thermal behavior of its components. Without this knowledge, It becomes difficult to determine what is within the normal range and what is a problem. Therefore, influences related to the equipment under inspection, how emissivity and load current should be discussed.

There are two different types of temperature measurements we can obtain – apparent temperature and real temperature. An apparent temperature is an uncompensated temperature reading, o que significa que os valores corretos para a emissividade e a temperatura aparente refletida são deixados nos valores predefinidos. Normally, a emissividade é definida para 1,0 or 0,95 e a temperatura aparente refletida é deixada em 20 °C. Estes valores de temperatura aparente têm pouca ou nenhuma relação com a temperatura real do objeto. Podem estar próximos, mas podem facilmente estar desfasados centenas de graus.

Uma temperatura real, por outro lado, é aquela em que o operador compensou a emissividade, a temperatura aparente refletida e – if possible – os impactos atmosféricos. Se estes fatores forem alterados no menu da câmara, as leituras de temperatura no ecrã deverão estar dentro da especificação de precisão da câmara.

6.1 Thermography equipment – Emissivity

Metais como alumínio, copper and steel are widely used in equipment due to their conductivity characteristics, aluminum being preferred in open environments due to its high resistance to atmospheric corrosion and lower cost compared to copper. However, These metals generally have a low emissivity surface, making inspection with infrared thermography difficult.

Emissivity is a surface property that determines the ability of that surface to emit radiation.. Emissivity values ​​range from zero (perfect reflector) to one (perfect emitter – Black Body). Emissivity may vary with surface quality, with the wavelength, with the shape of the object, with temperature and viewing angle. As thermography cameras do not measure temperature directly, but rather radiation, the temperature readings provided by the thermography chamber become very dependent on this property, as shown by the equation representing the radiance emitted by an opaque object and measured by the thermography camera.

In which,

• L_m [W.m^-2.sr^-1] is the radiance measured by the thermography camera.
• e.L.( T_object) [W.m^-2.sr^-1]  is the radiance emitted by the object.
• (1-e).L.( T_bottom) [W.m^-2.sr^-1] is the radiance reflected by the object.

The effect of emissivity on the radiation emitted by a surface is detected by a thermography camera, and can be seen in the figure, in which a test carried out in a laboratory shows the surface of an iron with the emissivity of some areas altered by the change in the surface material or its state (polished, dirty or rough). Note that despite the entire surface being at the same temperature, areas with higher emissivity appear in the thermographic image with higher temperature (lighter areas). 

Thermography equipment – Figure 18 – Visible and thermal image of the surface of an iron with different emissivities.

The figure shows a real situation of a connection with high temperature and low emissivity, in which an increase in the emissivity of a small area can be observed with the application of an identification tape. It's important to remember, that the entire demarcated region is at the same temperature.

Thermography equipment – Figure 19 – Connection with high temperature and low emissivity

As can be seen in the figures above, emissivity is a factor that must be strongly considered in inspections. Although thermography cameras have an emissivity adjustment to compensate for this influence, Sometimes there is great difficulty in determining the correct emissivity of the various equipment and connections involved. Besides that, The emissivity value can vary greatly depending on factors such as dirt, oxidation, corrosion, etc. Therefore, The best way to reduce this influence would be to increase the emissivity of the inspected components to a value as close as possible to unity.

Like this, o inspetor deve buscar fazer a medição de temperatura nas áreas dos componentes onde apresentem cavidades, aproveitando-se do incremento da emissividade pelo “efeito cavidade” ou buscar áreas com oxidação, corrosão ou sujidade que também provocam o aumento da emissividade e consequentemente da exatidão da medida realizada por uma câmara de termografia.

Thermography equipment – Figure 20 – Equipamentos e conexões apresentando maior emissividade nas áreas de cavidades.

Thermography equipment – Figure 21 – Ligação apresentando maior emissividade nas áreas oxidadas.

A seguir apresentam-se as emissividades de alguns materiais.

Table I – Emissividades de alguns materiais.

Material	Emissivity
Torrada queimada	1.0
Asfalto	0,95
Ferro (oxidado)	0,7
Água	0,93
Gordura de bovino	0,78

Below you can see a video on this topic..

6.2 Thermography equipment – A determinação experimental da emissividade

A seguir apresentam-se duas maneiras de se determinar experimentalmente a emissividade de um material:

Primeira

1. Determinar a sua temperatura com um termómetro de contacto;
2. Ajustar a emissividade da câmara até medir o valor correto.

Segunda

1. Colar uma fita autocolante, com emissividade conhecida, no material onde sevai medir;
2. Medir a temperatura na fita com a câmara;
3. Apontar a câmara para o material adjacente e ajustar a emissividade até se ler o valor correto.

6.3 Thermography equipment – Temperatura ambiente refletida

A temperatura aparente refletida (frequentemente abreviada como Trefl) é também um valor medido que é depois introduzido no menu da câmara. Como o nome indica, é uma temperatura aparente, por isso mede-a com o valor de emissividade definido para 1,0. Then, place a reflective material next to the object in question and obtain an average temperature of the reflective material. Enter this value into the reflected temperature area of ​​the camera menu and proceed to measure the object of interest.

6.4 Thermography equipment – Viewing angle

The emissivity of a surface decreases as the viewing angle increases relative to its normal, and accurate temperature measurements can only be made at angles below 30°. From 30° to 60° a small error is introduced and from 60° the error becomes very large, as shown in the graph in the figure.

Thermography equipment – Figure 22 – Emissivity depending on viewing angle.

For example, In high voltage substations, most of the components to be inspected are located at a height higher than that of the thermography inspector and frequently the temperature reading is taken at an angle different from the normal line. To reduce and even eliminate errors due to viewing angle, The thermography inspector must seek the most perpendicular view possible with the surface of the component under inspection, as shown in the figure

Thermography equipment – Figure 23 – The thermography inspector must seek the most perpendicular view possible with the surface of the component under inspection.

6.5 Thermography equipment – Component load under inspection

O calor gerado numa ligação defeituosa depende da intensidade da corrente que passa através dela, sendo que a potência dissipada é diretamente proporcional ao quadrado da corrente (P=I².R) e a temperatura apesar de aumentar com a corrente segue um padrão mais complexo, entre uma taxa linear e geométrica.

Durante sua operação, o equipamento pode sofrer de frequentes variações de carga que podem influenciar no resultado da inspeção, logo a corrente de carga é outro fator que deve ser considerado em inspeções termográficas de sistemas elétricos.

A corrente circulante pelo componente sob inspeção não é responsável por erros na medida de temperatura, ela pode interferir sim, na análise e diagnóstico do defeito. For example, in cases where the current is low, certain flaws may not be noticed or serious defects may be underestimated.

To eliminate the influence of load current on thermographic inspection, The ideal would be to carry out the inspection with the equipment operating at full load, However, this is not always possible due to the variation in circulating current depending on the load required by the system.. On occasions when thermographic inspection is being carried out with the load current below 100% of the maximum, Most of the works reviewed here guide the use of an equation, with which we intend to predict the temperature of the component when the current is maximum, providing more information for a better analysis of the equipment under inspection. The generally recommended equation is:

In which,

∆T_C [°C] is the rise in temperature above a reference temperature when the current reaches the maximum value I_max.

∆T_m [°C] is the rise in temperature above a reference temperature when measured with current I_m.

Imax [A] is the maximum current allowed.

Im [A] is the circulating current at the time of measurement.

Take the example of the following figure.

Thermography equipment – Figure 24 – Thermograms showing the effect of current on the temperature of a disconnector with high contact resistance and on the temperature of a normal disconnector.

Aplicando a equação anterior para o exemplo real da figura e supondo que a inspeção foi realizada no instante em que a corrente era 882 A, o cálculo da elevação de temperatura acima da temperatura de referência será:

∆T_C = 53,9° C

Resultado 17,7% maior que o valor real:

∆T = 101,4 – 55,6 = 45,8° C

Ainda com relação ao efeito da corrente sobre a temperatura, é importante observar que existe uma inércia térmica, that is, após um incremento ou decremento da corrente é necessário um período para a estabilização da temperatura.

For example, no caso de grande parte dos equipamentos de subestação elétrica a corrente circulante varia constantemente, It is possible that in certain situations the current at the time of inspection may be completely different from the current at the previous moment and the use of the previous equation, which only takes into account the moment current, would lead to considerable errors, since it does not consider the thermal response of the component under inspection.

6.6 Thermography equipment – Environmental conditions

The environment in which thermographic inspection is carried out plays an important role in the results obtained. Atmospheric transmissivity, the radiation emitted by the sun, at room temperature, the wind, Rain and relative humidity can affect the thermal distribution of the components under inspection in different ways, bem como a quantidade de radiação infravermelha que chega aa câmara de termografia.

6.6.1. Thermography equipment – Transmissividade atmosférica

A transmissividade atmosférica varia com a temperatura, humidade relativa do ar e com a quantidade de partículas suspensas no ar (poeira, poluição, neblina e névoa).

A atmosfera pode atuar sobre a radiação emitida pelos objetos por meio de quatro fenómenos:

• Absorção
• Dispersão
• Emissão
• Turbulência

6.6.2 Thermography equipment – Absorção

A absorção provoca a atenuação da radiação e pode ser de dois tipos:

• Absorção molecular.
• Absorção aerossol.

Por causa dos diversos componentes menores da atmosfera, Molecular absorption is a much more significant source of attenuation of radiation propagation than aerosol absorption.

6.6.3 Thermography equipment – Dispersão

The phenomenon of dispersion causes the redistribution of the incident flow in all directions of propagation and decreases the flow in the original direction. There are two distinct types of atmospheric scattering, molecular dispersion (Rayleigh) and aerosol dispersion (Mie). Aerosol scattering affects atmospheric transmissivity much more strongly than molecular scattering.. Usually, the scattering effect decreases as the wavelength of radiation propagation increases. Therefore, Transmissivity in smoke is much higher in the infrared range. 8 a 14 µm do que para a faixa de 3 µm a 5 µm.

6.6.4 Thermography equipment – Turbulência

O fenômeno da turbulência é causado por movimentos irregulares do ar. Ele aparece quando moléculas do ar de temperaturas levemente diferentes são misturadas pelo vento e convecção. Do ponto de vista ótico, tal movimento significa a flutuação aleatória do índice de refração da atmosfera, o que resulta em uma imperfeição da imagem gerada pelo sistema ótico. For example, em inspeções de subestações, cujas distâncias componente -câmara de termografia raramente ultrapassam os 50 meters, o efeito desse fenômeno pode ser desprezado.

6.7.5 Thermography equipment – Atmosfera terrestre

A atmosfera da terra é uma mistura de muitos gases.

O Azoto (N2) e o Oxigênio (O2) são os principais componentes na composição da atmosfera e que a concentração dos outros gases é muito menor, entretanto dois deles têm papel importante na transmissividade da radiação infravermelha:

• O vapor de água (H2O) que depende muito da altitude, estação do ano, localização geográfica, hora do dia, condições meteorológicas e está sujeito a grandes flutuações.
• O Dióxido de Carbono (CO2) que existe em maior concentração em áreas industriais e de vegetação do que em oceanos e desertos.

A figura mostra graficamente a transmissividade atmosférica em função do comprimento de onda, bem como as áreas de maior absorção dos gases e as chamadas “janelas” infravermelhas de 3 a 5 µm e de 8 a 14 µm.

Thermography equipment – Figure 25 – Transmission from the atmosphere to a distance of 1,8 km at sea level with 17 mm of rain precipitation.

Atmospheric transmissivity is a function of wavelength and distance, and the greater the component-thermography chamber distance, the lower the atmospheric transmissivity. The following two figures represent atmospheric transmissivity for the wavelength range typically used by thermography cameras and for distances typically encountered in inspections of high voltage substations..

Thermography equipment – Figure 26 – Atmospheric transmissivity for a distance of 10 m.

Thermography equipment – Figure 27 – Atmospheric transmissivity for a distance of 50 m.

It can be seen from the figures that atmospheric attenuation is low for distances below 50 meters in the so-called infrared “windows”.

7 Thermography equipment – Climatic Factors

7.1 Thermography equipment – Solar radiation

Most of the equipment and components of an unhoused outdoor substation are exposed to solar radiation. It can influence thermographic inspection in two ways:

• By direct solar radiation
• By solar reflection

7.1.1 Thermography equipment – Direct solar radiation

Solar radiation affects the components of a substation in general, increasing their temperatures and making it difficult to distinguish, by thermography, of a defective component and a normal one, as shown in Figure. This is particularly true when the defective component has a small temperature difference with respect to the normal component.. Besides that, a radiação solar pode elevar a temperatura de componentes defeituosos, que já estão com temperaturas críticas, fazendo com que evoluam mais rapidamente para a falha.

Thermography equipment – Figure 28 – Termogramas de uma ligação defeituosa e uma ligação normal – (a) Sem radiação solar (22:51 h) – (b) Com radiação solar (17:26 h)

Todas as superfícies expostas à radiação solar e que possuem alta absorção na região do espectro solar tendem a aquecer.

Thermography equipment – Figure 29 – Energia do Sol tipicamente vista através da atmosfera da Terra.

A temperatura dependerá da relação entre a absorção no comprimento de onda do sol e da emissão no comprimento de onda do infravermelho, faixa na qual será emitida a maior parte da energia absorvida. Quanto maior essa relação, greater surface heating due to exposure to the Sun.

The level of influence of solar radiation depends on the season of the year, summer being the period of maximum exposure.

It is recommended that thermographic inspection be carried out at times free from solar radiation, that is, between sunset and the early hours of the day, or on days with cloudy skies. However, must be taken into account, for the purpose of analyzing and diagnosing defects found during inspection, that temperatures measured in the period free from solar radiation may increase during the day due to exposure to the Sun. A figura abaixo mostra claramente a influência da radiação solar sobre equipamentos de uma subestação de alta tensão.

Thermography equipment – Figure 30 – Termogramas de um Transformador de Corrente, sob o Sol, obtidos de três posições distintas. (a) A favor do Sol – (b) Intermediária entre a favor e contra o Sol – (c) Contra o Sol.

Na necessidade de realização da inspeção termográfica em dias com alto carregamento solar, o efeito do carregamento pode ser minimizado realizando a leitura de temperatura na superfície do componente oposta à incidência do Sol, isso pode ser observado na Figura 56 – (c). É importante lembrar que componentes defeituosos, com pequenas diferenças de temperatura em relação a componentes normais, podem passar despercebidos.

7.1.2 Thermography equipment – Radiação solar refletida

Os metais utilizados em subestações tipicamente possuem uma emissividade muito baixa, tanto para a radiação solar quanto para a radiação infravermelha, principalmente quando novos e polidos. Como a transmissividade desses metais é nula nesses comprimentos de onda, a refletância é alta. Therefore, a radiação que chega ao detetor da câmara de termografia pode ser, em sua maior parte, de outra fonte de calor próxima ou até mesmo da radiação solar refletida pela superfície do componente.

7.2 Thermography equipment – Chuva e humidade

A humidade é a concentração de vapor de água no ar. Como qualquer outra substância, o ar tem um limite de absorção, este limite se denomina ponto de orvalho. Above the dew point limit, excess water precipitates in the form of mist or small drops of water. (rain). The amount of water that the air absorbs before reaching saturation depends on temperature and increases progressively with it., as shown in the graph in the figure.

Thermography equipment – Figure 31 – Dew point of water in the air as a function of temperature (at sea level).

High air humidity affects thermographic inspection in two ways:

• Cooling the component, making detection difficult, analysis and diagnosis of the defect.
• Mitigating infrared radiation, emitted by the component under inspection, that reaches the thermography camera detector.

 

7.3 Thermography equipment – Cooling

Em ambientes com alta humidade em razão de precipitação atmosférica de água, a elevada condutividade térmica da água ajuda na dissipação do calor produzido e o arrefecimento por evaporação reforça o processo de arrefecimento. O resultado é uma forte redução na temperatura do componente sob inspeção, assim como de toda cena envolvida.

Thermography equipment – Figure 32 – Efeito da chuva sobre a temperatura das ligações

• (a) Uma hora antes do início da Chuva –
• (b) Durante a chuva –
• (c) Uma hora após o fim da chuva

 7.4 Thermography equipment – Atenuação

O vapor de água presente na atmosfera provoca a absorção da radiação infravermelha reduzindo a transmissividade atmosférica. Quando a concentração de água na atmosfera aumenta, a transmissividade diminui. Em casos de nevoeiro, a atenuação maior é causada pela dispersão da radiação devido aos aerossóis (partículas suspensas no ar). A amplitude da dispersão depende da relação do diâmetro da partícula e o comprimento de onda. Quando essa relação é grande a dispersão é significante, caso contrário a dispersão é mínima. O gráfico da figura mostra o coeficiente de dispersão em função do comprimento de onda para diferentes intensidades de nevoeiro (diferentes dimensões de partículas) e para uma distância de 1 km.

Thermography equipment – Figure 33 – Dispersão em função do comprimento de onda para diferentes intensidades de neblina (nevoeiro) e para uma distância de 1 Km.

Em inspeções termográficas de subestações de alta tensão, cujas distâncias dificilmente ultrapassam 50 meters, a atenuação devido à dispersão é mínima.

Para reduzir a influência da chuva e humidade sobre os resultados da inspeção termográfica, recomenda-se não realizar inspeções termográficas sob chuva, neblina ou com humidade relativa do ar muito alta. Inspeções termográficas, imediatamente após a ocorrência de chuva, devem ser evitadas em razão da forte redução da temperatura do componente sob inspeção. É conveniente que a inspeção tenha início com, no minimum, uma hora após o fim da chuva.

7.5 Thermography equipment – Vento

O vento é considerado como ar em movimento. Resultado do deslocamento de massas de ar, derived from the effects of differences in atmospheric pressure between two distinct regions, which have thermal origin and are directly related to solar radiation and the heating processes of air masses.

In thermographic inspections carried out in open environments, wind plays an important role in the outcome of the inspection. Winds with relatively low speed can considerably affect the temperature of the inspected object. Serious defects may have their temperature reduced and appear, in a thermal image, a minor problem. On the other hand, defects in early stages, showing small increases in temperature, may simply not be detected by inspection. The figure shows an example in which the two situations described occur.

Thermography equipment – Figure 34 – Effect of wind on the temperature of an oil circuit breaker.

• (a) With wind speed equal to 0 km/h
• (b) With moderate wind speed.

The greatest reductions in component temperature occur at low wind speeds, continuing to fall at high speeds, but at a much lower rate.

Thermography equipment – Figure 35 – Reduction in component temperature depending on wind speed.

The effect of wind on the temperature of the component under inspection depends on several factors. Among them, the power being dissipated by the component in question, the velocity, wind direction and duration, the area and shape of the component and the structures and buildings that are around it.

In the images in the figure, you can see the strong effect of wind on the temperature of a faulty connection and a normal one, even at low speeds.

Thermography equipment – Figure 36 – Effect of wind on the temperature of a faulty and normal connection.

• (a) With wind speed of 6,4 km/h (5:55 h)
• (b) With wind speed equal to 0 km/h (9:14 h).

The effect of wind on thermographic inspection is important and often difficult to avoid.. Temperature correction factors based on wind speed for open environments are impractical. Therefore, It remains for the thermography inspector to be aware of the influence of wind on the temperature of the component under inspection and try to carry out temperature measurements in the lowest possible wind speed ranges..

To help analyze and diagnose thermal images, It is recommended to take a temperature reading, when possible, on the surface of the component opposite the wind incidence, so that its effect is minimized.

7.6 Thermography equipment – Room temperature

Thermographic inspections in open environments must take the ambient temperature into account, especially in the extremes of summer and winter. Considering other stable influences, an increase in ambient temperature will result in an increase in component temperature, therefore failures have a greater chance of occurring during hot days. On the other hand, defects that would commonly show a slight increase in temperature, on cold days they may simply not be detected.

Thermography equipment – Figure 37 – Variation in the temperature of a faulty connection and a normal connection and in the ambient temperature over a period of approximately 70 hours.

Whenever possible, inspection must be carried out under the worst conditions. If the inspection frequency is annual, the chosen period of the year must be the hottest, that is, during the summer.

Below you can see a video showing the care you need to take when taking measurements abroad..

8 Thermography equipment – Inspection procedure

The reference standard for this activity is the:

ISO 18434-1:2008 Condition monitoring and diagnostics of machines — Thermography — Part 1: General procedures

Given all the influences and limitations of the application of thermography mentioned,, It is essential that an inspection procedure is defined.

In this example, the case of a high voltage substation is used..

Scope

Inspections using infrared thermography in High Voltage Substations located in open environments.

Goals

Define procedures for carrying out inspections using infrared thermography in High Voltage Substations located in open environments, bem como fornecer um modelo de registo das anomalias térmicas encontradas e prover critérios para avaliação da severidade das anomalias térmicas.

•  Realizar, em conjunto com o Inspetor de termografia, uma avaliação prévia dos riscos. Estudar e planejar as atividades e ações a serem desenvolvidas de forma a atender a todos os requisitos de segurança aplicáveis à área a ser inspecionada.
• Fornecer ao Inspetor de termografia a autorização para trabalhar na área a ser inspecionada.

Inspeção Termográfica

Pré-requisitos

• Realizar a inspeção com, no minimum, um Inspetor de termografia e um trabalhador autorizado a trabalhar em instalações elétricas.
• Obter autorização para trabalhar na área a ser inspecionada.
• Abrir ordem de trabalho específica para data e local, assinada pelo responsável pela área a ser inspecionada.

Equipamentos e Materiais Necessários para a Inspeção

• Câmara de termografia.
• Termo-higro-anemómetro.
• Máquina fotográfica digital.
• Lanterna de alta potência (inspeções noturnas).
• Rádio para comunicação com o centro de operação.

Obs.: A câmara térmica e o termo-higro-anemómetro devem estar com a calibração dentro do prazo de validade.

Precauções

• Observar as normas de segurança comuns à área a ser inspecionada.
• Observar as especificações e os cuidados descritos no manual do fabricante referente aos equipamentos utilizados.

recommendations

As recomendações abaixo devem ser observadas, embora a inspeção possa ser realizada em ocasiões em que seja difícil alcançar todas as condições desejadas. However, o Inspetor de termografia deve ter em mente que tal opção pode influenciar consideravelmente os resultados obtidos.

• Evitar inspeções termográficas diurnas para não haver influências da radiação solar.
• Evitar inspeções com velocidade do vento acima de 20 km/h.
• Evitar inspeções com corrente abaixo de 40% da corrente histórica.
• Não realizar inspeções com humidade relativa do ar acima de 90%.
• Após a ocorrência de chuva esperar, no minimum, 1 hora para iniciar a inspeção.
• Para obter as leituras de temperatura, os equipamentos sob inspeção deverão estar em carga no período que antecede a inspeção de, no mínimo uma hora, para que seja possível alcançar a estabilidade térmica.
• O ângulo entre a lente da câmara de termografia e o ponto inspecionado deve ser o mais perpendicular possível para se evitar a redução da emissividade por ângulos de observação muito agudos.

Procedimento Detalhado

• Em inspeção de equipamentos no exterior, iniciar a inspeção, preferencialmente, uma hora após o por do Sol. Na necessidade de inspeções diurnas, recomenda-se que sejam realizadas preferencialmente até no máximo 2 horas após o nascer do sol ou em dias nublados para evitar a radiação solar.
• Adaptar a câmara de termografia, a lente adequada às distâncias e às dimensões dos pontos a serem inspecionados, não esquecendo que essas lentes têm uma distância mínima focal. Na maioria das situações encontradas nas subestações uma lente de campo de visão de 12° é suficiente.
•  Ajustar a emissividade da câmara de termografia para 0,75.
• Realizar a inspeção de acordo com a Rota de Inspeção pré-estabelecida.
• Ao localizar algum ponto com provável anomalia: aproximar-se o máximo possível (sempre respeitando as distâncias limites de segurança) para obter a imagem e a leitura de temperatura;
• Ajustar o foco da câmara para a melhor condição, a fim de se evitar erros de leitura;
• Ajustar a gama de temperaturas da câmara ao objeto a ser inspecionado, o nível máximo e mínimo a ser apresentado na imagem.
• Procurar medir a temperatura nos pontos de maior emissividade do objeto sob inspeção, that is, nas áreas pintadas ou com cavidades, ou atacadas por corrosão ou oxidação ou poluição;
• Realizar e registar as medidas de velocidade do vento, temperatura ambiente e humidade relativa do ar;
• Obter e registar a corrente média no ponto no período de uma hora anterior à inspeção;
• Identificar e registar os dados do ponto, como dados de placa, fase ou n° do circuito e faixa de tensão;
• Obter a imagem térmica e visível do ponto com anomalia, bem como a imagem e a leitura de temperatura do Ponto de Referência.
• No final da inspeção comunicar à Sala de Controle.
• Para cada anomalia encontrada:
• Responder às perguntas do item 4.5 to determine the measures to be adopted.
• Complete the report presented in the item 4.5 and inform the department responsible for maintenance to schedule the repair date based on the answers to the questions in the item 4.5.
• After the maintenance team has carried out the repair, Another inspection must be carried out to ensure that the anomalies have been remedied. If the point is still having problems, another report must be issued, with the observation that the point has already been reported previously.

Periodicity

The frequency of thermographic inspection in high voltage substations must be defined according to the particularities of each installation, but it must be taken into account that inspections carried out at short intervals favor the detection of thermal anomalies in the early stages, enabling scheduled maintenance, while, Long-term inspections may find anomalies at critical stages requiring urgent maintenance.

Below you can watch a video on preparing inspection reports.