Koronaeffekt-Kameras: verborgene Probleme erkennen
Koronaentladung
Inhaltsverzeichnis
- Korona ist eine Form der Teilentladung, bei der Elektronen in die Luft abgegeben werden.
- Der Mechanismus der Elektronenemission gehört in das Gebiet der Physik.
- Der gesamte Vorgang beginnt, wenn kosmische Strahlung die Luftmoleküle um die Hochspannungsbetriebsmittel ionisiert und dabei ein Elektron aus seiner Bahn ablenkt.
- Wirkung der Ionisierung
- Das dabei freigesetzte Elektron wird während der negativen Phase vom elektrischen Feld um das Betriebsmittel abgestoßen.
- Und während der positiven Phase angezogen.
- Treibt die Abstoßungskraft das Elektron auf eine ausreichend hohe Geschwindigkeit, so setzt es bei einem Stoß mit einem weiteren Luftmolekül mehr als ein Elektron frei.
- Werden durch einen Stoß zwei oder mehr Elektronen frei, bildet sich eine Lawine.
- Die Lawine setzt sich fort, bis die Feldstärke so weit abgenommen hat, dass das Elektron nicht mehr auf eine Geschwindigkeit beschleunigt wird, die bei einem Stoß ein Elektron freisetzt.
- In dieser Phase bewirkt der Stoß die Anregung des Moleküls.
- Das Molekül strebt in seinen neutralen Zustand zurück.
- Dazu gibt es die überschüssige Energie in Form von Lichtphotonen ab.
- Die Frequenz der Photonen hängt von den Atomen und den Bindungsarten des angeregten Moleküls ab.
Bei N2 (dem Hauptbestandteil der uns umgebenden Luft) liegen die abgegebenen Lichtfrequenzen überwiegend im UV-Bereich, mit lediglich 5 % oberhalb von 400 nm, was als untere Grenze des sichtbaren Blaus gilt.
Das Lichtspektrum der N2-Fluoreszenz, vertikal um den Faktor 1000 gestreckt.
Erkennung von Koronaentladungen
Koronaentladungen weisen mehrere erfassbare Signaturen auf:
UV-Kameras sind für die Erkennung von Koronaentladungen am besten geeignet.
Die Sonne strahlt ultraviolettes Licht in allen Bändern ab.
Die Ozonschicht lässt nur bestimmte Frequenzen durch, und in unterschiedlichem Maß.
| Art der UV-Strahlung | Wellenlänge | Wirkung | Transmission durch die Ozonschicht |
| UVA, langwellig | 400-315 nm | Bräunung der Haut | 95 % |
| UVB, mittelwellig | 315-280 nm | DNA-Schäden | 5 % |
| UVC, kurzwellig | 280-100 nm | Zelltod | 0 % |
Unterhalb von 280 nm ist ausschließlich das Licht der N2-Fluoreszenz sichtbar
Unterhalb von 280 nm bleibt sehr wenig Licht übrig, weshalb ein Bildverstärker eingesetzt wird, der das Licht auf ein für die Kamera wahrnehmbares Niveau verstärkt.
Bildverstärker
Durch den Abstand und die Fehlausrichtung der Mikrokanalplatten kommt es beim Übergang von einer Platte zur nächsten zu einer gewissen Streuung der Elektronen, was zu Satellitenpunkten um die Projektion des Entladungsorts führt.
Funktionsweise des CCD
Trifft der Elektronenstrom auf den Phosphorschirm, leuchtet dieser grün.
Das grüne Licht wird von den CCD-Pixeln erfasst und dort wieder in Elektronen umgewandelt.
Das CCD kann zwischen zwei Auslesevorgängen nur eine maximale Ladung aufnehmen, bevor es überläuft.
Läuft ein Pixel über, spricht man von Blooming.
Die überlaufenden Elektronen gelangen in die Nachbarpixel und erhöhen deren Auslesewert, was ein unscharf wirkendes Bild ergibt.
Wenn ein Pixel sättigt und überläuft, gehen die überschüssigen Intensitätswerte verloren.
Idealerweise senkt man die Verstärkung so weit, dass das Pixel nicht sättigt — dann gehen jedoch Signale geringerer Intensität verloren, was die Empfindlichkeit der Kamera verringert.
Bildverarbeitung - Darstellung
Das Rohbild der Korona ist für den Prüfer nicht brauchbar, da es keine strukturellen Informationen enthält, mit denen er den physischen Ort der Entladung bestimmen könnte.
Erkennung von Koronaentladungen
Um UVC- und Bilder im sichtbaren Bereich sinnvoll darzustellen, sind 2 Kameratypen zusammen mit geeigneter Optik erforderlich.
Das erfasste UV-Bild wird einem Bild im sichtbaren Bereich überlagert, um zu zeigen, wo die Entladung auftritt. Der UV-Fleck wird in Falschfarben dargestellt, damit er erkennbar ist.
Heranzoomen
Ist eine Entladung erkannt, muss die Kamera heranzoomen, um dem Bediener die physische Ursache der Entladung zu zeigen.
Zoom ist der gebräuchliche Ausdruck für die Veränderung des Sehfeldes.
Sehfeld (FOV)
Das Sehfeld ist der Raumwinkel, innerhalb dessen ein Detektor für Licht empfindlich ist.
FOV = Sehfeld
DFOV = diagonales Sehfeld
HFOV = horizontales Sehfeld
VFOV = vertikales Sehfeld.
Zoomt eine Kamera heran, verkleinert sich das FOV.
Der schwarze Rahmen ist das ursprüngliche FOV
Der grüne Rahmen zeigt das herangezoomte FOV.
Optischer Zoom
Der optische Zoom ergibt sich aus der Veränderung des Sehfeldes (FOV) der Kamera, die durch mechanisches Verschieben der Linsenelemente gegeneinander erreicht wird.
Das ist die beste Art des Zoomens, da sie die kleinsten Details sichtbar macht.
Die Zoomstärke lässt sich als „##x“-Zoom angeben, doch das ist wenig aussagekräftig, weil das ursprüngliche und das endgültige FOV unbekannt bleiben.
Besser ist es daher, das ursprüngliche und das endgültige FOV anzugeben.
das heißt
Digitaler Zoom
Der digitale Zoom vergrößert jedes Pixel.
- Das ist die schlechteste Art des Zoomens, da sie den erkennbaren Detailgrad nicht erhöht.
- In der Regel wird der digitale Zoom erst angewendet, wenn die Kamera ihren maximalen optischen Zoom erreicht hat.
- Das mathematische Verfahren zur Vergrößerung der Pixel hat einen erheblichen Einfluss auf das Endergebnis.
Die Vergrößerung kann interpolierend oder nicht interpolierend erfolgen. Die interpolierende ergibt weiche Kanten, im Unterschied zur nicht interpolierenden, die scharfe, blockförmige Kanten ergibt.
Videodarstellung
Die meisten modernen Kameras haben Bildsensoren mit höherer Auflösung als ihr eigenes Display.
Anzeigezoom - Unterabtastung
Der Videostrom kann durch Unterabtastung so verkleinert werden, dass er in die Höhe oder Breite des Bildschirms passt.
Empfindlichkeit
Die Empfindlichkeit der Kamera ist ein wichtiger Aspekt. Es gibt jedoch keine normierte Prüfung für die Empfindlichkeit von Koronakameras.
Die Empfindlichkeit kann auf verschiedene Weisen angegeben werden:
- W/cm² (Watt pro Quadratzentimeter): das UV-Licht, das erforderlich ist, damit ein Fleck auf dem Kamerabildschirm erscheint.
- pC (Picocoulomb): die Anzahl der Elektronen, die erforderlich ist, um durch Ionisierung das ultraviolette Licht zu erzeugen, das nötig ist, damit ein Fleck auf dem Kamerabildschirm erscheint.
- RIV (Radio Influence Voltage): das Funkstörgeräusch, das durch die Ionisierung entsteht, die von den Elektronen verursacht wird, die zur Erzeugung des ultravioletten Lichts erforderlich sind, damit ein Fleck auf dem Kamerabildschirm erscheint.
Einheiten der Empfindlichkeit:
- W/cm² Watt pro Quadratzentimeter.
- pC (Picocoulomb): „Pico“ ist ein Einheitenvorsatz des metrischen Systems für den Faktor 10⁻¹². Das Coulomb ist definiert als die Elektrizitätsmenge, die ein Strom von einem Ampere in einer Sekunde transportiert.
- RIV (Radio Influence Voltage): Hochfrequenzspannung, die von einer beliebigen Quelle eines Ionisierungsstroms erzeugt wird und an den Anschlüssen elektrischer Betriebsmittel oder in Leistungsstromkreisen auftritt.
Faktoren, die die Entladungsintensität und die Menge erzeugter UV-Strahlung beeinflussen
- Die angelegte Spannung
- Die entnommene Ladung
- Die Wiederholrate der Entladungen
- Die Länge der Spitze
- Die Schärfe der Spitze
- Das Material der Spitze
- Der Oberflächenzustand der Spitze
- Die Temperatur der Spitze
- Die Leitfähigkeit der Umgebungsluft, die von Lufttemperatur, Feuchte, Druck und Schwebeteilchen abhängt
- Die Geschwindigkeit des Luftstroms
- Ob die Entladung von vorn gesehen wird oder nicht
Keiner der vorstehenden Faktoren wird bei Prüfungen mit der Koronakamera kontrolliert; ihre Wirkungen sind auch nicht vollständig verstanden.
RIV: theoretisch, tatsächlich aus pC berechnet
IEC 60270:2000: betrifft die Art, wie das pC gemessen wurde, nicht den Aufbau zur Erzeugung der Entladung. Die Norm entstand, bevor es solar-blinde Koronakameras gab, und behandelt keine der Variablen, die deren Einsatz beeinflussen.
NEMA 107-1987: betrifft die Art, wie das RIV gemessen wurde; auch sie entstand lange bevor Koronakameras verfügbar waren.
Angesichts der Zahl der unkontrollierten Variablen (und ihrer Wirkungen) ist es nicht angemessen, einen Entladungspunkt als Quelle ultravioletten Lichts für Empfindlichkeitsprüfungen von Kameras zu verwenden.
Geeigneter ist ein Gerät namens schwarzer Körper, da nur wenige der Variablen, die die Entladungen beeinflussen, auf den schwarzen Körper wirken.
In der Physik dient der schwarze Körper als stabile Lichtquelle über einen ganzen Frequenzbereich. Die Lichtintensität je Frequenz lässt sich durch Einstellen der Temperatur des Geräts einfach und präzise steuern.
Die einzige Variable ist der Abstand, in dem die Kamera zur Öffnung des schwarzen Körpers gehalten wird.
Richtig ausgeführt werden muss allein die Berechnung des ultravioletten Lichts, das der schwarze Körper durch seine Öffnung abgibt.
Was wird bei der Erkennung interpretiert?
Die meisten Anwender in der Praxis betrachten einen Fleck an derselben Stelle in 50 % der Bilder pro Sekunde als Hinweis darauf, dass sich dort eine UV-Quelle befindet.
Zählen
Für die Berechnung der Abbaurate der betroffenen Komponenten war ein Ausdruck für die Entladungsintensität erforderlich.
Zunächst wurde die Fleckenzählung angewendet.
Sie erwies sich nur bei Entladungen geringer Intensität und unscharf gestellter Kamera als wirksam, da überlappende oder sich berührende Flecken die Ergebnisse verfälschten.
Die Summierung der Intensitäten erwies sich als besserer Ansatz, da ihre Ergebnisse nur dann verfälscht werden, wenn das Bild in die Sättigung gerät.
Die Grauwerte aller Pixel werden summiert und ein Wert für das „Leerbild“ abgezogen.
Dieser Wert wird anschließend auf die UVC-Bestrahlungsstärke bezogen, die erforderlich ist, um die gleiche Intensität zu erzeugen.
Durch Veränderung der Abtastfläche lässt sich die Lichtintensität einzelner Entladungen messen.
Entladungsintensität
Um die scheinbare Entladungsintensität zu erhalten, sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen:
- Abstand zwischen der Kamera und der Entladungsquelle
- Die Luftdichte (Lufttemperatur und -druck) und ihre Zusammensetzung, also Gase, Feuchte, Schwebeteilchen und Ähnliches
- Der Luftstrom
- Natürlich vorhandene Ionisierungsaktivität (abhängig von der Höhe über dem Meer)
- Die Einstellungen der Kamera
- Die Art der Korona
- Die angelegte Spannung
- Der Blickwinkel des Betrachters