紅外線測溫儀自校準誤差比對方法的研究

肖艷紅

（都勻供電局 貴州 都勻 558000）

隨著現代技術的發(fā)展，紅外線測溫儀被廣泛應用于電力線路巡視、檢修和變電運行工作中，在運行及帶電條件下檢測動力設備、配電設備、電纜、電器接頭等溫度異常，發(fā)現電氣設備缺陷。使用中的紅外線測溫儀工作狀態(tài)是否良好，直接影響著電網安全穩(wěn)定運行。為了提高工作質量，保障安全，須開展紅外線測溫儀的自校準工作，以確保運行中的紅外線測溫儀處于良好的工作狀態(tài)。

1 黑體輻射與紅外測溫原理

一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關系，因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，測溫儀的光學系統(tǒng)在探測器上轉為電信號并通過紅外測溫儀的顯示部分顯示出被測物體的表面溫度，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。

紅外測溫儀特點：非接觸式測量，測溫范圍廣，響應速度快，靈敏度高，但由于受被測對象的發(fā)射率影響，幾乎不可能測到被測對象的真實溫度，測量的是表面溫度。

紅外線測溫儀的標準化檢定方法是采用黑體爐檢定。黑體是指在任何情況下對一切波長的入射輻射的吸收率都等于1的物體，黑體是一種理想化的物體模型，因此引入了一個隨材料性質及表面狀態(tài)變化的輻射系數，即發(fā)射率，它的定義為實際物體與同溫度黑體輻射性能之比。物體的輻射與吸收紅外輻射規(guī)律滿足基爾霍夫定律，當一束輻射投射到任一物體表面時，根據能量守恒原理，物體對入射輻射的吸收率、反射率、透過率三者之和必等于1，一般發(fā)射率不容易測定，通常可通過測量吸收率來確定發(fā)射率，所以黑體輻射源作為輻射標準用來檢定各種紅外輻射源的輻射強度。

紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。被測物體和反射源的輻射線經調制器解調后輸入到紅外檢測器。兩信號的差值經反放大器放大并控制反饋源的溫度，使反饋源的光譜輻射亮度和物體的光譜輻射亮度一樣。顯示器指示出被測物體亮度溫度。紅外測溫儀所測的溫度是物體的輻射溫度而不是物體的實際溫度，由于絕對黑體是不存在的，在同一溫度下實際物體熱輻射總量總比絕對黑體輻射總量小，所以紅外線測溫儀測出的溫度肯定應小于物體的真實溫度。測溫時應盡可能的將紅外測溫儀發(fā)射率設置 （針對可調節(jié)發(fā)射率的紅外線測溫儀）成與被測材料相同的發(fā)射率值的發(fā)射率，盡可能使測量示值與被測物的真實溫度一致。

紅外線測溫儀目前用途廣泛，已成為檢測電氣設備缺陷的重要工具。由于長期用于生產一線，現場測試變電站的電氣設備出線接頭、T型線夾、穿墻套管接頭、母排節(jié)點、刀閘刀口、電纜接頭；輸電線路的導線連接管、線夾或導線連接處等。由于現場使用環(huán)境惡劣以及日常維護保養(yǎng)不當可能引起運行中的紅外線測溫儀不能準確測量甚至設備故障，導致測量失準，影響電網安全穩(wěn)定運行。本文根據紅外測溫原理研究了運行中的紅外線測溫儀自校準方法，簡單易行，使用單位可根據此方法自制自校準設備，在現場測試前對紅外線測溫儀進行自校準比對，判斷紅外線測溫儀是否處于良好的工作狀態(tài)，可開展測試工作，以減少安全隱患。

2 紅外線測溫儀的自校準方法介紹

紅外線測溫儀確保測溫精度最重要的因素是發(fā)射率，到光斑的距離，光斑的位置，視場。通過與紅外測溫專家和設備生產廠家技術人員的溝通和咨詢，經過多種方法反復實踐，參照黑體爐的原理自制了一套校準設備，并通過比對的方法驗證了該方法自校準比對切實可行。自校準時完成基本誤差的比對、測量距離變化影響、以及發(fā)射率的范圍的確定，測試前將紅外線測溫儀調整到最佳狀態(tài)再用于現場測試。

現將紅外線測溫儀的自校準方法介紹如下：

2.1 自制簡易黑體水箱

參照黑體爐的原理和實際工作經驗，在自校準中采用的比對標準是自制簡易黑體水箱，水箱規(guī)格為450 mm×300 mm，白鐵皮制作，內部裝有電加熱器。用一塊穩(wěn)定性較好的1.5級壓力式溫度計（可用檢定過的玻璃液體溫度計代替）作為標準器測試水箱內溫度，考慮到由于對大多數有機材料、油漆或氧化表面的表面溫度進行測量時要用黑膠布或平光黑漆涂于被測表面加以補償，使黑膠布或黑漆達到與基底材料相同溫度時，測量膠布或漆表面的溫度，即為真實溫度的工作經驗。同時考慮光斑定位測試，用80 mm×80 mm的黑膠布粘貼在與壓力式溫度計探頭同一深度的液面，待水箱中的水沸騰5 min后，水箱中的溫場均勻時用紅外線測試儀瞄準黑膠布中心點進行比對。

圖1 自校準結構原理Fig.1 Structural principle of self-calibration test method

2.2 量值傳遞溯源

為了保證開展的自校準工作有效，使用的比對標準器為BWY-803溫度控制器，溯源到本企業(yè)二等水銀溫度計標準裝置

2.3 技術要求

紅外線測溫儀的基本誤差和測量距離變化影響不超過表一的規(guī)定。

表1 紅外線測溫儀的基本誤差限和測量距離變化影響Tab.1 Basic error limit and influence of measure distance change of infrared thermometer

2.4 校準項目

根據現場使用情況及實踐經驗，校準項目主要完成外觀檢查、基本誤差的測定、測量距離變化影響的測定和發(fā)射率的范圍確定。

2.5 校準方法

2.5.1 外觀檢查

1）各部分裝配完好，無缺損；

2）字符、標志、刻度應完成清晰；

3）外觀和零部件應有良好處理，不得有銹蝕和霉斑；

4）如出現“BAT”提示，及時更換電池；

5）物鏡、目鏡無損傷，瞄準應清晰，如環(huán)境灰塵較大，應清潔透鏡表面，用清潔空氣吹掉表面浮塵，或用軟毛刷刷掉灰塵。

2.5.2 基本誤差的測定

注意環(huán)境條件，不能有水蒸氣、灰塵、煙霧、二氧化碳等中間介質，否則會阻擋儀器的光學系統(tǒng)而影響自校準結果。將被測紅外線測溫儀放置在 （20±2）℃室溫內預熱20 min后再進行自校準。此方法校準100℃點基本誤差、測量距離變化影響和發(fā)射率的范圍確定，對設備進行定性測試分析。加熱水箱至水沸騰5 min溫場恒定后進行測試，調節(jié)紅外線測溫儀的發(fā)射率為0.94，距離為2 m，瞄準水箱上的黑膠布中心點進行測量，根據測量結果計算誤差：

式中：

γ為基本誤差；

EBC為被測紅外線測溫儀指示值（℃）；

EB為修正后的標準溫度計指示值（℃）；

2.5.3 測量距離變化影響

保持基本誤差測定規(guī)定的條件，逐一改變測量距離為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m進行測量，依次記錄測量結果，與基本誤差測定的值進行比較，測量距離變化引起的誤差改變不超過表一的規(guī)定。

2.5.4 發(fā)射率的范圍確定

發(fā)射率是影響測量結果的一項重要指標，選擇合適的發(fā)射率至關重要。由于長時間的現場測試可能導致紅外線測溫儀的發(fā)射率測量范圍的改變，使用前確定發(fā)射率的范圍直接影響測量結果。調整測量距離為2 m，保持紅外線測溫儀的指示值（℃）與標準溫度計指示值（℃）一致，反復多次調節(jié)被測紅外線測溫儀的發(fā)射率，此時被測紅外線測溫儀發(fā)射率的變化范圍就是它工作的正常范圍。

2.6 校準條件

1）測定紅外線測溫儀時，要求溫度為（20±2）℃，濕度≤85%；

2）環(huán)境清潔、無振動，無水蒸氣、灰塵、煙霧、二氧化碳等中間介質。

3）水箱中的水沸騰5 min溫場穩(wěn)定后進行自校準。

4）自校準時應正對自制加熱水箱黑膠布中心，重復測量時要保持測量方位、距離一致。

2.7 校準間隔

紅外線測溫儀的校準間隔為現場使用前，隨時校準。

2.8 檢定結果的處理

1）紅外線測溫儀的測量誤差按0.1的間隔進行修約，保留位右邊的數字對保留位的數字1來說，若大于0.5，保留位加1；若小于0.5，保留位不變；若等于0.5，保留位是偶數（0，2，4，6，8）時不變，是奇數（1，3，5，7，9）時，保留位加 1。 并以修約后的結果判定是否合格。

2）檢定后出具校準記錄，以便資料整理及歸檔。記錄內容包括校準地址、被測紅外線測溫儀的編號、負荷、校準距離、校準結果、環(huán)境溫度、濕度、校準日期、時間、校準人員等。

3 結 論

在開展紅外線測溫儀的工作原理探討及自校準誤差比對研究工作的過程中，掌握了大量的紅外知識，了解了電力紅外診斷過程及方法，研究了紅外線測溫儀的發(fā)射率、距離系數等參數對檢測結果的影響，使技術人員熟練掌握了紅外線測溫儀正確的使用和維護方法。通過紅外線測溫儀的自校準誤差比對研究工作，制定了企業(yè)內部自校準規(guī)范，并經批準實施，此校準方法已在企業(yè)內部推廣應用，完善了對紅外線測溫儀的計量監(jiān)督管理。此方法可有效發(fā)現紅外線測溫儀故障，確保運行中的紅外線測溫儀處于良好的工作狀態(tài)，保障了量值傳遞的準確可靠，提高了安全系數，保證了工作質量。

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