Telecamere a effetto corona: rilevare i problemi nascosti
Scarica corona
Indice
- Scarica corona
- Rilevamento delle scariche corona
- Intensificatori di immagine
- Funzionamento del CCD
- Elaborazione delle immagini - Visualizzazione
- Rilevamento delle scariche corona
- Fattori che influiscono sull'intensità della scarica e sulla quantità di UV generata
- Che cosa interpreta il rilevamento?
- Intensità di scarica
- La corona è un tipo di scarica parziale in cui vengono emessi elettroni nell'aria.
- Il meccanismo di emissione degli elettroni appartiene all'ambito della fisica.
- Tutto il processo inizia quando i raggi cosmici ionizzano le molecole dell'aria che circonda le apparecchiature di alta tensione, deviando un elettrone dalla sua orbita.
- Effetto della ionizzazione
- L'elettrone libero rilasciato nel processo viene respinto dal campo elettrico che circonda l'apparecchiatura durante la fase negativa.
- E attratto durante la fase positiva.
- Se la forza di repulsione spinge l'elettrone a una velocità sufficientemente elevata, questo provocherà il rilascio di più di un elettrone durante una collisione con un'altra molecola d'aria.
- Quando due o più elettroni vengono rilasciati per collisione si forma una valanga.
- La valanga continua fino a quando il campo elettrico non ha ridotto la propria intensità al punto di non accelerare più l'elettrone a una velocità sufficiente a liberare un elettrone durante una collisione.
- In questa fase la collisione provoca l'eccitazione della molecola.
- La molecola tende a tornare al proprio stato neutro.
- Per farlo emette l'energia in eccesso sotto forma di fotoni di luce.
- La frequenza dei fotoni dipende dagli atomi e dai tipi di legame della molecola eccitata.
Nel caso dell'N2 (il componente principale dell'aria che ci circonda) le frequenze di luce emesse si collocano principalmente nella gamma UV, con solo il 5% al di sopra di 400 nm, considerato l'estremo inferiore del blu visibile.
Lo spettro luminoso della fluorescenza dell'N2, dopo essere stato dilatato verticalmente di 1000 volte.
Rilevamento delle scariche corona
Le scariche corona presentano diverse firme rilevabili:
Le telecamere UV sono le più efficaci per rilevare le scariche corona.
Il Sole emette luce ultravioletta in tutte le bande.
Lo strato di ozono lascia passare solo alcune frequenze, e in misura diversa.
| Tipo di radiazione UV | Lunghezza d'onda | Effetto | Trasmissione attraverso lo strato di ozono |
| UVA, onda lunga | 400-315 nm | Abbronzatura della pelle | 95% |
| UVB, onda media | 315-280 nm | Danni al DNA | 5% |
| UVC, onda corta | 280-100 nm | Morte cellulare | 0% |
Al di sotto di 280 nm è visibile unicamente la luce della fluorescenza dell'N2
Al di sotto di 280 nm resta molta poca luce, per questo si impiega un intensificatore di immagine che la amplifica fino a livelli percepibili dalla telecamera.
Intensificatori di immagine
A causa della spaziatura e del disallineamento delle placche a microcanali si produce una certa dispersione degli elettroni nel passaggio da una placca alla successiva, che dà luogo a punti satellite attorno alla proiezione del punto di scarica.
Funzionamento del CCD
Quando lo schermo al fosforo viene colpito dagli elettroni si illumina di verde.
La luce verde viene rilevata dai pixel del CCD, dove è riconvertita in elettroni.
Il CCD ha una carica massima che può accettare tra due letture prima di saturare.
Quando un pixel «tracima» si parla di blooming.
Gli elettroni in eccesso si propagano ai pixel vicini aumentandone il valore di lettura, il che produce un'immagine dall'aspetto sfocato.
Quando un pixel satura e «tracima», i valori di intensità in eccesso vanno perduti.
L'ideale è ridurre il guadagno fino a evitare la saturazione del pixel, ma in tal modo si perdono i segnali di minore intensità, riducendo la sensibilità della telecamera.
Elaborazione delle immagini - Visualizzazione
L'immagine grezza della corona non è utile all'ispettore, perché non contiene informazioni strutturali che gli consentano di individuare la posizione fisica della scarica.
Rilevamento delle scariche corona
Per visualizzare in modo utile le immagini UVC e quelle nel visibile occorre impiegare 2 tipi di telecamera insieme a ottiche adeguate.
L'immagine UV rilevata si sovrappone a un'immagine nel visibile per mostrare dove si produce la scarica. La macchia UV viene resa in falsi colori per renderla osservabile.
Ingrandire
Una volta rilevata una scarica, la telecamera deve ingrandire per mostrare all'operatore la causa fisica della scarica.
Zoom è il termine comune per indicare la variazione del campo visivo.
Campo visivo (FOV)
Il campo visivo è l'angolo solido entro il quale un rivelatore è sensibile alla luce.
FOV = campo visivo
DFOV = campo visivo diagonale
HFOV = campo visivo orizzontale
VFOV = campo visivo verticale.
Quando una telecamera ingrandisce con lo zoom, il FOV si riduce.
Il riquadro nero è il FOV iniziale
Il riquadro verde mostra il FOV ingrandito.
Zoom ottico
Lo zoom ottico è il risultato della variazione del campo visivo (FOV) della telecamera, ottenuta cambiando meccanicamente la posizione relativa degli elementi dell'obiettivo.
È il tipo di zoom migliore, perché rende visibili i dettagli più piccoli.
L'entità dello zoom può essere espressa come zoom «##x», ma il dato non è utile perché non si conosce il FOV iniziale o finale.
È quindi preferibile indicare il FOV iniziale e quello finale.
ossia
Zoom digitale
Lo zoom digitale ingrandisce ogni pixel.
- È il tipo di zoom peggiore, perché non aumenta il dettaglio osservato.
- In genere lo zoom digitale si applica solo dopo che la telecamera ha raggiunto il massimo zoom ottico.
- Il metodo matematico impiegato per ingrandire i pixel ha un effetto enorme sul risultato finale.
L'ingrandimento può essere interpolativo o non interpolativo. Quello interpolativo produce bordi sfumati, a differenza del non interpolativo, che produce bordi netti a blocchi.
Visualizzazione del video
La maggior parte delle telecamere moderne ha sensori di immagine con risoluzione superiore a quella del proprio display.
Zoom di visualizzazione - Sottocampionamento
Il flusso video può essere ridotto per adattarsi all'altezza o alla larghezza dello schermo mediante sottocampionamento.
Sensibilità
La sensibilità della telecamera è un aspetto importante. Non esiste però una prova normalizzata per la sensibilità delle telecamere corona.
La sensibilità può essere espressa in diversi modi:
- W/cm² (watt per centimetro quadrato): la luce UV necessaria perché una macchia compaia sullo schermo della telecamera.
- pC (picocoulomb): numero di elettroni necessari a generare, per ionizzazione, la luce ultravioletta necessaria perché una macchia compaia sullo schermo della telecamera.
- RIV (Radio Influence Voltage): il rumore radioelettrico generato dalla ionizzazione prodotta dagli elettroni necessari a generare la luce ultravioletta necessaria perché una macchia compaia sullo schermo della telecamera.
Unità di sensibilità:
- W/cm² watt per centimetro quadrato.
- pC (picocoulomb): «pico» è un prefisso del sistema metrico che indica un fattore 10⁻¹². Il coulomb è definito come la quantità di elettricità trasportata in un secondo da una corrente di un ampere.
- RIV (Radio Influence Voltage): tensione ad alta frequenza generata da qualsiasi sorgente di corrente di ionizzazione presente ai morsetti delle apparecchiature elettriche o nei circuiti di potenza.
Fattori che influiscono sull'intensità della scarica e sulla quantità di UV generata
- La tensione applicata
- La carica estratta
- La frequenza di ripetizione delle scariche
- La lunghezza della punta
- Il filo della punta
- Il materiale della punta
- Lo stato della superficie della punta
- La temperatura della punta
- La conduttività dell'aria ambiente, che dipende da temperatura, umidità, pressione e particelle in sospensione
- La velocità del flusso d'aria
- Se la scarica è vista frontalmente o no
Nessuno dei fattori precedenti è controllato nelle prove con telecamera corona, e i loro effetti non sono nemmeno del tutto compresi.
RIV: in teoria, in realtà si calcola a partire dai pC
IEC 60270:2000: riguarda il modo in cui è stato misurato il pC, non la configurazione per generare la scarica. La norma è stata redatta prima che esistessero le telecamere corona solar-blind e non affronta nessuna delle variabili che influiscono sul loro impiego.
NEMA 107-1987: riguarda il modo in cui è stato misurato il RIV; anch'essa è stata scritta molto prima che le telecamere corona fossero disponibili.
Dato il numero di variabili non controllate (e i loro effetti), non è appropriato impiegare un punto di scarica come sorgente di luce ultravioletta per le prove di sensibilità delle telecamere.
È più adatto l'uso di un dispositivo denominato corpo nero, poiché poche delle variabili che influiscono sulle scariche influiscono sul corpo nero.
In fisica il corpo nero è impiegato come sorgente stabile di luce su un'intera gamma di frequenze. L'intensità della luce per frequenza si controlla in modo semplice e preciso regolando la temperatura del dispositivo.
L'unica variabile è la distanza a cui la telecamera viene mantenuta dall'apertura del corpo nero.
L'unica cosa da eseguire correttamente è il calcolo della luce ultravioletta emessa dal corpo nero attraverso la sua apertura.
Che cosa interpreta il rilevamento?
La maggior parte degli utilizzatori considera che una macchia nello stesso punto nel 50% dei fotogrammi al secondo indichi la presenza di una sorgente UV in quel punto.
Conteggio
Era necessaria un'espressione dell'intensità della scarica per calcolare la velocità di degrado dei componenti interessati.
Inizialmente è stato applicato il conteggio delle macchie.
Si è rivelato efficace solo nelle scariche di bassa intensità e con la telecamera sfocata, poiché macchie sovrapposte o a contatto falsavano i risultati.
La somma delle intensità si è rivelata un approccio migliore, perché i suoi risultati vengono falsati solo quando l'immagine raggiunge la saturazione.
Si sommano i valori in scala di grigi di tutti i pixel e si sottrae un valore di «immagine vuota».
Questo valore viene poi rapportato all'irradianza UVC necessaria a generare la stessa intensità.
Variando l'area di campionamento è possibile misurare l'intensità della luce ricevuta dalle singole scariche.
Intensità di scarica
Per ottenere l'intensità di scarica apparente occorre tenere conto di una serie di fattori:
- Distanza tra la telecamera e la sorgente della scarica
- La densità dell'aria (temperatura e pressione) e la sua composizione, ossia gas, umidità, particelle in sospensione e simili
- Il flusso d'aria
- Attività di ionizzazione presente in modo naturale (dipende dall'altitudine)
- Le impostazioni della telecamera
- Il tipo di corona
- La tensione applicata
- Il punto di vista dell'osservatore